AR/VR設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)實的體驗，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元件，以其獨特優(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？以手機為例，我們可以直觀的感受下其帶來的革命性突破，手機的外形設計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嗎？目前來看還真不能實現(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，但這種方法存在一個缺陷-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致的白光分解現(xiàn)象。因此，在通過透鏡時會產(chǎn)生彩虹般的色彩邊緣，從而影響圖像清晰度和真實感。為了消除色散，一種常用的方法是使用復合透鏡，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)過復合透鏡后能夠在同一點聚焦。然而，這種方法也有一個缺點，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。一個超透鏡通常由數(shù)以百萬計的亞波長結(jié)構(gòu)單元（稱為超原子）組成，它們在整個超表面上相干地對光線進行局部調(diào)制。每個超原子的形狀和/或大小取決于超透鏡的整體性能。設計這樣一個超透鏡，需要考慮數(shù)百萬個變量，因此是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。正如Federico Capasso教授的研究團隊曾指出的，超透鏡設計過去都是手動完成，相關(guān)人員不僅需要具備豐富的設計經(jīng)驗，而且還要對基礎物理知識有深刻的理解。圖1展示了超透鏡的手動設計流程。

圖1：超透鏡手動設計流程

攻克超透鏡設計挑戰(zhàn)

為了解決超透鏡手動設計方法的局限性，全世界都在努力開發(fā)具有逆向設計功能的自動化流程。研究團隊紛紛推出自己針對級聯(lián)超表面和大型超透鏡應用的逆向設計算法。但學術(shù)界開發(fā)的算法通常供內(nèi)部用于具體的應用。因此，當務之急是開發(fā)出一款易于使用的工業(yè)設計工具來實現(xiàn)超透鏡設計自動化，讓各種專業(yè)水平的開發(fā)者都能快速輕松地設計超透鏡系統(tǒng)。

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

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。每個超原子的傳遞函數(shù)都由一個參數(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通過時域有限差分法（FDTD）或嚴格耦合波分析法（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)預期目標優(yōu)化超透鏡系統(tǒng)，使其達到最佳性能，開發(fā)者只需輸入少量信息即可。

圖2：MetaOptic Designer工作流程

設計實例：消色差超透鏡

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

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

為了驗證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。

設計實例：大視場超透鏡

大視場超透鏡是另一個富有挑戰(zhàn)性的超透鏡設計應用。開發(fā)者需要具備大量的設計專業(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的焦點位置后，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）指定的設計目標；（c）優(yōu)化的超透鏡布局

設計實例：偏振分束器

正如前面的例子所示，使用多個設計變量可以提供額外的自由度來實現(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)化整個超表面上納米鰭片的寬度和長度，超透鏡可以分出兩個正交偏振光，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）不同的焦點位置

設計實例：全息顯示屏

正如前面的例子所示，使用多個設計變量可以提供額外的自由度來實現(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)化整個超表面上納米鰭片的寬度和長度，超透鏡可以分出兩個正交偏振光，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

設計實例：超透鏡與折射鏡相結(jié)合

目前，很難在光學系統(tǒng)中用超透鏡完全取代折射鏡。將這兩者相結(jié)合不失為一個好辦法，而且這個設計已經(jīng)實現(xiàn)，比如在三星公布的手機攝像頭鏡頭和LG公布的自動駕駛汽車攝像頭鏡頭中。因此，開發(fā)者需要一個設計工具來處理同時包含超透鏡和折射鏡的混合光學系統(tǒng)。開發(fā)這樣的混合工具非常具有挑戰(zhàn)性，因為厚重的折射鏡是通過基于幾何光學的光線追跡來設計的，而納米級超透鏡是通過基于電磁光學的嚴格電磁求解器來建模的。

新思科技擁有領先的幾何光學和波動光學設計工具，并開發(fā)了一項獨特的專有技術(shù)，該技術(shù)可在這兩個光學領域之間實現(xiàn)無縫對接，從而助力開發(fā)者設計出超透鏡與折射鏡相結(jié)合的光學系統(tǒng)。在CODE V中設計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中設計的折射鏡；（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，超透鏡作為一項創(chuàng)新技術(shù)正在以驚人速度改變我們對鏡頭的認知和期待。新思科技開發(fā)的MetaOptic Designer是業(yè)界首個具有逆向設計功能的全自動超透鏡設計工具。憑借內(nèi)置智能功能，它可以加快并簡化超透鏡的設計工作，不僅提高生產(chǎn)力、降低設計成本，還縮短產(chǎn)品上市時間。這將促進“輕盈小巧”的AR/VR設備早日實現(xiàn)，并給用戶帶來接近完美沉浸式交互體驗，同時也將繼續(xù)推動該領域向前發(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方向，也將在本次大會設立相應的分論壇，期待與各位開發(fā)者共同探索屬于XR時代的未來。掃描下方二維碼即可報名：