“外卷”超透鏡如何看見AR/VR的星辰大海

AR/VR設(shè)備正逐步融入人們生活，然而其重量和體積限制了用戶享受沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)的體驗(yàn)，這也正是各大廠商渴望尋求的突破口。超透鏡作為一種新型光學(xué)元件，以其獨(dú)特優(yōu)勢為這一難題提供了一種可能的解決方案。

那什么是超透鏡呢？以手機(jī)為例，我們可以直觀的感受下其帶來的革命性突破，手機(jī)的外形設(shè)計(jì)在兼顧美觀與舒適方面卷出了新的高度，然而，與之相反的是越來越凸出的攝像頭，略微破壞了這種美感。那我們不禁要問，難道不能把攝像頭做薄一點(diǎn)嗎？目前來看還真不能實(shí)現(xiàn)，傳統(tǒng)的透鏡都是利用曲面或材料來改變光線方向和焦點(diǎn)，但這種方法存在一個(gè)缺陷-色散。色散指由于不同顏色的光在不同介質(zhì)中傳播速度不同所導(dǎo)致的白光分解現(xiàn)象。因此，在通過透鏡時(shí)會產(chǎn)生彩虹般的色彩邊緣，從而影響圖像清晰度和真實(shí)感。為了消除色散，一種常用的方法是使用復(fù)合透鏡，即將兩種或多種不同材料和形狀的透鏡組合在一起，使得不同顏色的光經(jīng)過復(fù)合透鏡后能夠在同一點(diǎn)聚焦。然而，這種方法也有一個(gè)缺點(diǎn)，就是會增加透鏡的厚度和重量，從而降低了透鏡的輕便性和舒適性。那么，有沒有一種方法可以既消除色散，又保持透鏡的輕薄呢？答案是肯定的，那就是超透鏡，能把攝像頭按平的黑科技，也是AR/VR設(shè)備未來的首選。

超透鏡是一種利用納米結(jié)構(gòu)來聚焦光線的平面透鏡，它可以將傳統(tǒng)的曲面透鏡替換為厚度僅為人類頭發(fā)絲幾分之一的薄片。一個(gè)超透鏡通常由數(shù)以百萬計(jì)的亞波長結(jié)構(gòu)單元（稱為超原子）組成，它們在整個(gè)超表面上相干地對光線進(jìn)行局部調(diào)制。每個(gè)超原子的形狀和/或大小取決于超透鏡的整體性能。設(shè)計(jì)這樣一個(gè)超透鏡，需要考慮數(shù)百萬個(gè)變量，因此是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的任務(wù)。正如Federico Capasso教授的研究團(tuán)隊(duì)曾指出的，超透鏡設(shè)計(jì)過去都是手動完成，相關(guān)人員不僅需要具備豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，而且還要對基礎(chǔ)物理知識有深刻的理解。圖1展示了超透鏡的手動設(shè)計(jì)流程。

圖1：超透鏡手動設(shè)計(jì)流程

攻克超透鏡設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

為了解決超透鏡手動設(shè)計(jì)方法的局限性，全世界都在努力開發(fā)具有逆向設(shè)計(jì)功能的自動化流程。研究團(tuán)隊(duì)紛紛推出自己針對級聯(lián)超表面和大型超透鏡應(yīng)用的逆向設(shè)計(jì)算法。但學(xué)術(shù)界開發(fā)的算法通常供內(nèi)部用于具體的應(yīng)用。因此，當(dāng)務(wù)之急是開發(fā)出一款易于使用的工業(yè)設(shè)計(jì)工具來實(shí)現(xiàn)超透鏡設(shè)計(jì)自動化，讓各種專業(yè)水平的開發(fā)者都能快速輕松地設(shè)計(jì)超透鏡系統(tǒng)。

為了滿足這一需求，新思科技開發(fā)了MetaOptic Designer——首個(gè)具有逆向設(shè)計(jì)功能的全自動超透鏡商業(yè)設(shè)計(jì)工具。其優(yōu)化算法采用著名的伴隨法，可以輕松處理上數(shù)百萬個(gè)設(shè)計(jì)變量。

MetaOptic Designer的前向傳播采用高效的傅里葉變換法，也稱為角譜法，其在均勻介質(zhì)中非常精確。每個(gè)超原子的傳遞函數(shù)都由一個(gè)參數(shù)化的雙向散射分布函數(shù)（BSDF）數(shù)據(jù)庫表征，該數(shù)據(jù)庫則由開發(fā)者使用新思科技產(chǎn)品FullWAVE FDTD或DiffractMOD RCWA通過時(shí)域有限差分法（FDTD）或嚴(yán)格耦合波分析法（RCWA）構(gòu)建而成。對大多數(shù)超原子而言，在精度差不多的情況下，RCWA可以比FDTD快100倍左右。

如圖2所示，MetaOptic Designer會根據(jù)預(yù)期目標(biāo)優(yōu)化超透鏡系統(tǒng)，使其達(dá)到最佳性能，開發(fā)者只需輸入少量信息即可。

圖2：MetaOptic Designer工作流程

設(shè)計(jì)實(shí)例：消色差超透鏡

為成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)消色差超透鏡是許多研究人員一直在關(guān)注的一項(xiàng)難題。已知的一些設(shè)計(jì)都是操作相位和色散分布，而這些操作需要開發(fā)者具備豐富的設(shè)計(jì)知識。MetaOptic Designer簡化了該設(shè)計(jì)任務(wù)，開發(fā)者只需指定輸入和期望目標(biāo)即可。MetaOptic Designer會在指定的公差范圍內(nèi)返回一個(gè)優(yōu)化的解決方案。

圖3：（a）MetaOptic Designer的優(yōu)化結(jié)果；（b）FDTD仿真的驗(yàn)證結(jié)果

為了驗(yàn)證MetaOptic Designer的多層級聯(lián)超表面結(jié)果，我們針對上述六種情況對優(yōu)化后的超透鏡進(jìn)行了FDTD仿真。仿真結(jié)果如圖3所示，可以清楚地看到，F(xiàn)DTD仿真結(jié)果與MetaOptic Designer的結(jié)果非常接近。這表明MetaOptic Designer可以針對多層超透鏡生成可靠的結(jié)果。

設(shè)計(jì)實(shí)例：大視場超透鏡

大視場超透鏡是另一個(gè)富有挑戰(zhàn)性的超透鏡設(shè)計(jì)應(yīng)用。開發(fā)者需要具備大量的設(shè)計(jì)專業(yè)知識，才能確保超透鏡在大視場上發(fā)揮作用。MetaOptic Designer讓這個(gè)過程變得容易很多。在6核筆記本電腦上，開發(fā)者指定與入射角相對應(yīng)的焦點(diǎn)位置后，該工具會在大約1分鐘內(nèi)生成優(yōu)化的布局。

圖4：（a）大視場透鏡示意圖；（b）指定的設(shè)計(jì)目標(biāo)；（c）優(yōu)化的超透鏡布局

設(shè)計(jì)實(shí)例：偏振分束器

正如前面的例子所示，使用多個(gè)設(shè)計(jì)變量可以提供額外的自由度來實(shí)現(xiàn)所需的性能。通過改變納米鰭片的寬度和長度，除了相位延遲外，超原子還能產(chǎn)生雙折射效果。通過優(yōu)化整個(gè)超表面上納米鰭片的寬度和長度，超透鏡可以分出兩個(gè)正交偏振光，并將它們聚焦在不同的位置，如圖6所示。箭頭的大小和方向分別表示各自所在位置的場強(qiáng)度和偏振方向。

圖5：（a）采用納米鰭片型超原子的優(yōu)化超透鏡；（b）不同偏振的輸入；（c）不同的焦點(diǎn)位置

設(shè)計(jì)實(shí)例：全息顯示屏

正如前面的例子所示，使用多個(gè)設(shè)計(jì)變量可以提供額外的自由度來實(shí)現(xiàn)所需的性能。通過改變納米鰭片的寬度和長度，除了相位延遲外，超原子還能產(chǎn)生雙折射效果。通過優(yōu)化整個(gè)超表面上納米鰭片的寬度和長度，超透鏡可以分出兩個(gè)正交偏振光，并將它們聚焦在不同的位置，如圖6所示。箭頭的大小和方向分別表示各自所在位置的場強(qiáng)度和偏振方向。

圖6：（a）指定的圖像；（b）優(yōu)化結(jié)果；（c）優(yōu)化布局

設(shè)計(jì)實(shí)例：超透鏡與折射鏡相結(jié)合

目前，很難在光學(xué)系統(tǒng)中用超透鏡完全取代折射鏡。將這兩者相結(jié)合不失為一個(gè)好辦法，而且這個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，比如在三星公布的手機(jī)攝像頭鏡頭和LG公布的自動駕駛汽車攝像頭鏡頭中。因此，開發(fā)者需要一個(gè)設(shè)計(jì)工具來處理同時(shí)包含超透鏡和折射鏡的混合光學(xué)系統(tǒng)。開發(fā)這樣的混合工具非常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)楹裰氐恼凵溏R是通過基于幾何光學(xué)的光線追跡來設(shè)計(jì)的，而納米級超透鏡是通過基于電磁光學(xué)的嚴(yán)格電磁求解器來建模的。

新思科技擁有領(lǐng)先的幾何光學(xué)和波動光學(xué)設(shè)計(jì)工具，并開發(fā)了一項(xiàng)獨(dú)特的專有技術(shù)，該技術(shù)可在這兩個(gè)光學(xué)領(lǐng)域之間實(shí)現(xiàn)無縫對接，從而助力開發(fā)者設(shè)計(jì)出超透鏡與折射鏡相結(jié)合的光學(xué)系統(tǒng)。在CODE V中設(shè)計(jì)的折射鏡可以直接加載到MetaOptic Designer中，并且開發(fā)者可以在混合透鏡系統(tǒng)中繼續(xù)優(yōu)化超透鏡。

圖7：（a）利用光線追跡在CODE V中設(shè)計(jì)的折射鏡；（b）折射鏡的CODE V BSP仿真結(jié)果；（c）折射鏡的MetaOptic Designer仿真結(jié)果；（d）折射鏡與超透鏡組合的MetaOptic Designer仿真結(jié)果；（e）有無超校正器的仿真結(jié)果比較

結(jié)語

總之，超透鏡作為一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)正在以驚人速度改變我們對鏡頭的認(rèn)知和期待。新思科技開發(fā)的MetaOptic Designer是業(yè)界首個(gè)具有逆向設(shè)計(jì)功能的全自動超透鏡設(shè)計(jì)工具。憑借內(nèi)置智能功能，它可以加快并簡化超透鏡的設(shè)計(jì)工作，不僅提高生產(chǎn)力、降低設(shè)計(jì)成本，還縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。這將促進(jìn)“輕盈小巧”的AR/VR設(shè)備早日實(shí)現(xiàn)，并給用戶帶來接近完美沉浸式交互體驗(yàn)，同時(shí)也將繼續(xù)推動該領(lǐng)域向前發(fā)展。

2023年新思科技開發(fā)者大會舉辦在即，AR/VR作為最接近元宇宙的演進(jìn)方向，也將在本次大會設(shè)立相應(yīng)的分論壇，期待與各位開發(fā)者共同探索屬于XR時(shí)代的未來。掃描下方二維碼即可報(bào)名：