什么是金属透镜？
汽车外部照明的定义
金属透镜（Metalens）是光学技术领域的一项前沿创新，它并非普通的曲面透镜。金属透镜是一种利用超表面来聚焦光线的平面透镜。
金属镜在形状和表面结构上与传统的曲面透镜有所不同。传统上，曲面透镜的组合（例如相机中的透镜）通过操控光线，使其投射到传感器或人眼等接收器上。通常需要多枚透镜来校正各种像差。然而，一摞笨重的透镜会占用大量空间，这对手机摄像头和增强现实/虚拟现实（AR/VR）系统等紧凑型系统而言是一个需要考虑的因素。
图1. 传统 曲面透镜的光线追踪（左）与超透镜的光线追踪（右）
目录
金属透镜是如何工作的？它们能解决哪些问题？
超透镜通常由数百万个被称为“超原子”的亚波长单元格组成，这些超原子能在整个超表面上对光进行局部且相干的调制。每个超原子的形状和/或尺寸是根据超透镜的整体性能在局部确定的。
亚波长纳米原子能够延迟光的相位，当它们在表面上经过适当排列时，金属透镜便能产生与经典曲面透镜相同的预期相位分布。成熟的光刻技术能够支持图案化布局的大规模生产。
金属透镜将成为推动下一代紧凑型成像、传感和显示应用发展的关键技术。它们还能在单个光学元件中实现复杂的波前调制，这一特性对于多种应用而言极具吸引力。
金属透镜的物理特性——薄、平、轻——使其具有显著优势，特别是在空间和重量方面。它们能够通过用薄而平的表面取代笨重的曲面透镜，从而帮助缩小光学产品的体积，同时相比传统透镜，还能提升光学稳定性和成像质量——参见参考文献[1]。
它们易于制造、性价比高，且更易于与其他技术集成。例如，凭借偏振等卓越的光操控能力，金属透镜能够提升成像质量，并有望为光学设计开辟新的可能性。
图2.用于户外成像应用的近红外广角视场惠更斯金属透镜，图中从左至右依次为：物体、光阑、金属透镜和成像
如何开发和建模超透镜？
设计一款包含数百万个变量的金属透镜是一项极具挑战性的任务。必须仅凭少数几个元件就满足多项技术要求，包括消色差、大视场以及偏振特性。正如费德里科·卡帕索（Federico Capasso）教授研究组在参考文献[1]中所阐述的，金属透镜的设计传统上一直依赖于人工操作，这需要丰富的设计经验以及对基础物理学的深刻理解。
要设计一个金属透镜，用户需要指定光学系统中的透镜组及其参数，以及期望的成像图案和焦距。
在传统的手动设计方法中，需要对物理学有深刻的理解以及丰富的设计经验。对于半自动的多领域设计方法，在布局金属透镜时仍需进行大量手动工作。
如今，已有一款具备逆向设计功能的全自动工具，无论设计经验深浅，设计师均可借助它快速、轻松地创建创新的金属透镜设计。MetaOptic Designer工具的核心设计功能支持同时优化多个设计目标，包括不同的入射场、出射场及性能指标。
该工具支持将超表面与传统透镜相结合的混合光学系统。高效的优化和仿真算法可生成精确的结果，这些结果经过严格的时域有限差分法（FDTD）验证；其功能强大且易于使用，能显著缩短从设计到验证的周期。[1]
图3.消色差金属透镜
图4.广角金属透镜
图5.手性全息图，左侧为输入，中间为目标图像，右侧为输出
图6.基于光线的设计起点（左）；MetaOptic Designer的分析与进一步优化（中）；RSoft FullWAVE FDTD用于验证最终设计（右）[3]
是德科技为金属透镜的设计提供了哪些解决方案？
是德科技正通过各种设计工具，推动这一波光通信技术创新浪潮。
MetaOptic Designer是一款前所未有的逆向设计工具，它根据用户指定的标准生成具有最佳设计性能的金属透镜/超表面。设计结果通过严格的时域有限差分法（FDTD）进行验证，以确保结果的准确性。此外，MetaOptic Designer 功能强大且易于使用的界面，显著缩短了从设计到验证的周期。 MetaOptic Designer 及其独特的人工智能技术，能够从构思到制造全程加速设计流程，提供顶级设计方案，并模拟其在实际应用中的重要性。
CODE VMetaOptic 模块为光学设计工程师提供了熟悉的工作流程。CODE V 的设计流程与衍射光学元件的设计流程相似。对于希望在设计中采用金属透镜的光学设计工程师而言，这具有显著优势。
快速高效地生成最优金属透镜设计
是德科技通过 MetaOptic Designer 助力这一崭新的创新领域，该工具提供了高效的优化和仿真算法，有助于快速生成金属透镜设计。
参考文献
浏览相关博客
需要帮助或有疑问吗？