“外卷”超透镜如何看见AR/VR的星辰大海

AR/VR设备正逐步融入人们生活，然而其重量和体积限制了用户享受沉浸式虚拟现实的体验，这也正是各大厂商渴望寻求的突破口。超透镜作为一种新型光学元件，以其独特优势为这一难题提供了一种可能的解决方案。

那什么是超透镜呢？以手机为例，我们可以直观的感受下其带来的革命性突破，手机的外形设计在兼顾美观与舒适方面卷出了新的高度，然而，与之相反的是越来越凸出的摄像头，略微破坏了这种美感。那我们不禁要问，难道不能把摄像头做薄一点吗？目前来看还真不能实现，传统的透镜都是利用曲面或材料来改变光线方向和焦点，但这种方法存在一个缺陷-色散。色散指由于不同颜色的光在不同介质中传播速度不同所导致的白光分解现象。因此，在通过透镜时会产生彩虹般的色彩边缘，从而影响图像清晰度和真实感。为了消除色散，一种常用的方法是使用复合透镜，即将两种或多种不同材料和形状的透镜组合在一起，使得不同颜色的光经过复合透镜后能够在同一点聚焦。然而，这种方法也有一个缺点，就是会增加透镜的厚度和重量，从而降低了透镜的轻便性和舒适性。那么，有没有一种方法可以既消除色散，又保持透镜的轻薄呢？答案是肯定的，那就是超透镜，能把摄像头按平的黑科技，也是AR/VR设备未来的首选。

超透镜是一种利用纳米结构来聚焦光线的平面透镜，它可以将传统的曲面透镜替换为厚度仅为人类头发丝几分之一的薄片。一个超透镜通常由数以百万计的亚波长结构单元（称为超原子）组成，它们在整个超表面上相干地对光线进行局部调制。每个超原子的形状和/或大小取决于超透镜的整体性能。设计这样一个超透镜，需要考虑数百万个变量，因此是一项具有挑战性的任务。正如Federico Capasso教授的研究团队曾指出的，超透镜设计过去都是手动完成，相关人员不仅需要具备丰富的设计经验，而且还要对基础物理知识有深刻的理解。图1展示了超透镜的手动设计流程。

图1：超透镜手动设计流程

攻克超透镜设计挑战

为了解决超透镜手动设计方法的局限性，全世界都在努力开发具有逆向设计功能的自动化流程。研究团队纷纷推出自己针对级联超表面和大型超透镜应用的逆向设计算法。但学术界开发的算法通常供内部用于具体的应用。因此，当务之急是开发出一款易于使用的工业设计工具来实现超透镜设计自动化，让各种专业水平的开发者都能快速轻松地设计超透镜系统。

为了满足这一需求，新思科技开发了MetaOptic Designer——首个具有逆向设计功能的全自动超透镜商业设计工具。其优化算法采用著名的伴随法，可以轻松处理上数百万个设计变量。

MetaOptic Designer的前向传播采用高效的傅里叶变换法，也称为角谱法，其在均匀介质中非常精确。每个超原子的传递函数都由一个参数化的双向散射分布函数（BSDF）数据库表征，该数据库则由开发者使用新思科技产品FullWAVE™ FDTD或DiffractMOD™ RCWA通过时域有限差分法（FDTD）或严格耦合波分析法（RCWA）构建而成。对大多数超原子而言，在精度差不多的情况下，RCWA可以比FDTD快100倍左右。

如图2所示，MetaOptic Designer会根据预期目标优化超透镜系统，使其达到最佳性能，开发者只需输入少量信息即可。

图2：MetaOptic Designer工作流程

设计实例：消色差超透镜

为成像系统设计消色差超透镜是许多研究人员一直在关注的一项难题。已知的一些设计都是操作相位和色散分布，而这些操作需要开发者具备丰富的设计知识。MetaOptic Designer简化了该设计任务，开发者只需指定输入和期望目标即可。MetaOptic Designer会在指定的公差范围内返回一个优化的解决方案。

图3：（a）MetaOptic Designer的优化结果；（b）FDTD仿真的验证结果

为了验证MetaOptic Designer的多层级联超表面结果，我们针对上述六种情况对优化后的超透镜进行了FDTD仿真。仿真结果如图3所示，可以清楚地看到，FDTD仿真结果与MetaOptic Designer的结果非常接近。这表明MetaOptic Designer可以针对多层超透镜生成可靠的结果。

设计实例：大视场超透镜

大视场超透镜是另一个富有挑战性的超透镜设计应用。开发者需要具备大量的设计专业知识，才能确保超透镜在大视场上发挥作用。MetaOptic Designer让这个过程变得容易很多。在6核笔记本电脑上，开发者指定与入射角相对应的焦点位置后，该工具会在大约1分钟内生成优化的布局。

设计实例：偏振分束器

正如前面的例子所示，使用多个设计变量可以提供额外的自由度来实现所需的性能。通过改变纳米鳍片的宽度和长度，除了相位延迟外，超原子还能产生双折射效果。通过优化整个超表面上纳米鳍片的宽度和长度，超透镜可以分出两个正交偏振光，并将它们聚焦在不同的位置，如图6所示。箭头的大小和方向分别表示各自所在位置的场强度和偏振方向。

图5：（a）采用纳米鳍片型超原子的优化超透镜；（b）不同偏振的输入；（c）不同的焦点位置

设计实例：全息显示屏

正如前面的例子所示，使用多个设计变量可以提供额外的自由度来实现所需的性能。通过改变纳米鳍片的宽度和长度，除了相位延迟外，超原子还能产生双折射效果。通过优化整个超表面上纳米鳍片的宽度和长度，超透镜可以分出两个正交偏振光，并将它们聚焦在不同的位置，如图6所示。箭头的大小和方向分别表示各自所在位置的场强度和偏振方向。

图6：（a）指定的图像；（b）优化结果；（c）优化布局

设计实例：超透镜与折射镜相结合

目前，很难在光学系统中用超透镜完全取代折射镜。将这两者相结合不失为一个好办法，而且这个设计已经实现，比如在三星公布的手机摄像头镜头和LG公布的自动驾驶汽车摄像头镜头中。因此，开发者需要一个设计工具来处理同时包含超透镜和折射镜的混合光学系统。开发这样的混合工具非常具有挑战性，因为厚重的折射镜是通过基于几何光学的光线追迹来设计的，而纳米级超透镜是通过基于电磁光学的严格电磁求解器来建模的。

新思科技拥有领先的几何光学和波动光学设计工具，并开发了一项独特的专有技术，该技术可在这两个光学领域之间实现无缝对接，从而助力开发者设计出超透镜与折射镜相结合的光学系统。在CODE V中设计的折射镜可以直接加载到MetaOptic Designer中，并且开发者可以在混合透镜系统中继续优化超透镜。

图7：（a）利用光线追迹在CODE V中设计的折射镜；（b）折射镜的CODE V BSP仿真结果；（c）折射镜的MetaOptic Designer仿真结果；（d）折射镜与超透镜组合的MetaOptic Designer仿真结果；（e）有无超校正器的仿真结果比较

总之，超透镜作为一项创新技术正在以惊人速度改变我们对镜头的认知和期待。新思科技开发的MetaOptic Designer是业界首个具有逆向设计功能的全自动超透镜设计工具。凭借内置智能功能，它可以加快并简化超透镜的设计工作，不仅提高生产力、降低设计成本，还缩短产品上市时间。这将促进“轻盈小巧”的AR/VR设备早日实现，并给用户带来接近完美沉浸式交互体验，同时也将继续推动该领域向前发展。