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O que é uma metalente?
Definição de iluminação exterior automotiva
As metalentes, a inovação de ponta na tecnologia óptica, não são as lentes curvas comuns. As metalentes são lentes planas que utilizam metassuperfícies para focalizar a luz.
Uma metalente difere de uma lente curva tradicional em sua forma e superfície. Tradicionalmente, combinações de lentes curvas, como as utilizadas em câmeras, manipulam a luz para que ela chegue a um receptor, como um sensor ou o olho. Geralmente, são necessárias várias lentes para corrigir diversas aberrações da imagem. No entanto, uma pilha de lentes volumosas ocupa muito espaço, o que é um fator a ser considerado em sistemas compactos, como câmeras de celulares e sistemas de realidade aumentada/realidade virtual (AR/VR).
Figura 1. Traçado de raios em lentes curvas tradicionais (à esquerda) e em metalentes (à direita)
Índice
Como funcionam as metalentes e que problemas elas resolvem?
As metalentes geralmente consistem em milhões de células unitárias com dimensões inferiores ao comprimento de onda, chamadas meta-átomos, que modulam a luz de forma local e coerente em toda a metassuperfície. A forma e/ou o tamanho de cada meta-átomo são determinados localmente com base no desempenho geral da metalente.
Os nanoátomos sub-comprimento de onda podem atrasar a fase da luz e, quando dispostos adequadamente na superfície, as metalentes podem criar o mesmo perfil de fase desejado que uma lente curva clássica. A tecnologia de litografia já consolidada permite a produção em larga escala de layouts padronizados.
As metalentes serão uma tecnologia fundamental para a próxima geração de aplicações compactas de imagem, sensoriamento e exibição. Elas também são capazes de realizar um complexo processamento de frente de onda em um único elemento óptico, o que as torna extremamente atraentes para uma ampla gama de aplicações.
As características físicas das metalentes — por serem finas, planas e leves — tornam-nas extremamente vantajosas, especialmente no que diz respeito ao espaço e ao peso. Elas podem ajudar a reduzir o tamanho dos produtos ópticos, substituindo lentes curvas mais volumosas por superfícies finas e planas, ao mesmo tempo em que melhoram a estabilidade óptica e a qualidade do foco em comparação com as lentes mais convencionais — ver referência [1].
São fáceis de fabricar, econômicas e se integram mais facilmente a outras tecnologias. Por exemplo, graças às suas capacidades superiores de manipulação da luz, como a polarização, as metalentes melhoram a qualidade das imagens, abrindo caminho para novas possibilidades no campo do projeto óptico.
Figura 2. Metalente de Huygens de campo de visão amplo no infravermelho próximo para aplicações de imagem em ambientes externos, mostrando (da esquerda para a direita): objeto, abertura, metalente e imagem
Quais setores e aplicações podem se beneficiar das metalentes?
O desenvolvimento das metasuperfícies contribuiu para abrir novas oportunidades na criação de componentes ópticos com aplicações inovadoras e promissoras, desde a detecção em medicina até à imagemologia e à eletrônica de consumo, como smartphones e sistemasde realidade aumentada/realidade virtual (AR/VR) — ver referência [1].
Engenheiros de projeto óptico, engenheiros de pesquisa e desenvolvimento (P&D), cientistas, fábricas de semicondutores, institutos de pesquisa e organizações semelhantes podem utilizar metalentes para criar projetos inovadores e compactos.
Como se desenvolve e modela uma metalente?
Projetar uma metalente com milhões de variáveis é uma tarefa excepcionalmente desafiadora. É necessário atender a várias especificações, incluindo acromaticidade, amplo campo de visão e comportamento de polarização, utilizando poucos elementos. Conforme explicado no trabalho do grupo do Prof. Federico Capasso na referência [1], o projeto de metalentes tem sido tradicionalmente feito manualmente e requer ampla experiência em projeto e um profundo conhecimento da física fundamental.
Para projetar uma metalente, o usuário precisaria especificar o conjunto de lentes e seus parâmetros no sistema óptico, bem como os padrões de imagem desejados e as distâncias focais.
Na abordagem tradicional de projeto manual, é necessário um profundo conhecimento de física e uma experiência significativa em projeto. No caso de uma abordagem semiautomática multidomínio, ainda há uma enorme quantidade de trabalho manual para definir o layout das metalentes.
Agora existe uma ferramenta totalmente automatizada com capacidade de projeto inverso que permite que designers de todos os níveis de especialização criem novos projetos de metalentes de forma rápida e fácil. Os principais recursos da ferramenta MetaOptic Designer permitem a otimização simultânea de vários objetivos de projeto, incluindo diferentes campos de lançamento e de destino, além de métricas de desempenho.
A ferramenta oferece suporte a sistemas ópticos mistos que combinam metasuperfícies com lentes convencionais. Os eficientes algoritmos de otimização e simulação geram resultados precisos, validados por um rigoroso método de diferenças finitas no domínio do tempo (FDTD), e os recursos poderosos e fáceis de usar reduzem significativamente os ciclos de projeto à validação.[1]
Figura 3. Metalente acromática
Figura 4. Metalente de grande angular
Figura 5. Holograma quiral com imagem de entrada (à esquerda), imagem desejada (no meio) e imagem de saída (à direita)
Figura 6. Ponto de partida do projeto baseado em raios (à esquerda); análise no MetaOptic Designer e otimização adicional (ao centro); RSoft FullWAVE FDTD para validar o projeto final (à direita) [3]
Que soluções a Keysight oferece para o projeto de metalentes?
A Keysight está impulsionando essa onda de inovação em tecnologia óptica com diversas ferramentas de projeto.
O MetaOptic Designer é uma ferramenta de projeto inverso sem precedentes que utiliza critérios especificados pelo usuário para gerar metalentes/metasuperfícies com desempenho de projeto ideal. Os resultados são validados por um rigoroso método de domínio do tempo por diferenças finitas (FDTD) para garantir a precisão dos resultados. Além disso, a interface poderosa e intuitiva do MetaOptic Designer reduz significativamente os ciclos de projeto à validação. O MetaOptic Designer, com sua IA característica, agiliza o processo de projeto desde a concepção até a fabricação, produzindo projetos de alto nível e simulando sua relevância em aplicações do mundo real.
O módulo MetaOptic do CODE V oferece fluxos de trabalho familiares para engenheiros de projeto óptico. O processo de projeto do CODE V é semelhante ao dos elementos ópticos difrativos. Ele oferece uma grande vantagem para os engenheiros de projeto óptico que desejam utilizar metalentes em seus projetos.
Gere projetos de metalentes ideais de forma rápida e eficiente
A Keysight está apoiando esse novo mundo de inovação com o MetaOptic Designer, que oferece algoritmos eficientes de otimização e simulação para ajudar a gerar projetos de metalentes rapidamente.
Referências
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