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Was ist eine Metalens?
Definition der Fahrzeugaußenbeleuchtung
Metalinsen, die neueste Innovation in der optischen Technologie, sind keine gewöhnlichen, gebogenen Linsen. Metalinsen sind flache Linsen, die Metasurfaces zur Lichtbündelung nutzen.
Eine Metalinse unterscheidet sich von einer herkömmlichen gekrümmten Linse durch ihre Form und Oberfläche. Üblicherweise werden mehrere gekrümmte Linsen, wie sie beispielsweise in Kameras verwendet werden, eingesetzt, um Licht so zu lenken, dass es auf einen Empfänger wie einen Sensor oder das Auge trifft. Um verschiedene Bildfehler zu korrigieren, sind in der Regel mehrere Linsen erforderlich. Ein Stapel sperriger Linsen benötigt jedoch viel Platz, was bei kompakten Systemen wie Handykameras und Augmented-Reality-/Virtual-Reality-Systemen (AR/VR) berücksichtigt werden muss.
Abbildung 1. Strahlengang für herkömmliche gekrümmte Linsen (links) und Strahlengang für Metalinsen (rechts)
Inhaltsübersicht
Wie funktionieren Metalinsen und welche Probleme lösen sie?
Metalinsen bestehen üblicherweise aus Millionen von Subwellenlängen-Einheitszellen, sogenannten Meta-Atomen, die Licht lokal und kohärent über die gesamte Metasurface modulieren. Form und/oder Größe jedes Meta-Atoms werden lokal in Abhängigkeit von der Gesamtleistung der Metallinse bestimmt.
Nano-Atome im Subwellenlängenbereich können die Phase von Licht verzögern, und bei geeigneter Anordnung auf einer Oberfläche können Metalinsen dasselbe gewünschte Phasenprofil wie eine klassische gekrümmte Linse erzeugen. Ausgereifte Lithographietechnologien ermöglichen die großflächige Herstellung strukturierter Layouts.
Metalinsen werden eine Schlüsseltechnologie für die nächste Generation kompakter Bildgebungs-, Sensor- und Displayanwendungen sein. Sie ermöglichen zudem komplexe Wellenfrontmanipulationen in einer einzigen Optik, was für eine Vielzahl von Anwendungen äußerst attraktiv ist.
Die physikalischen Eigenschaften von Metalinsen – ihre geringe Dicke, flache Bauweise und ihr geringes Gewicht – machen sie äußerst vorteilhaft, insbesondere hinsichtlich Platzbedarf und Gewicht. Sie tragen zur Minimierung optischer Produkte bei, indem sie sperrige, gekrümmte Linsen durch dünne, flache Oberflächen ersetzen und gleichzeitig die optische Stabilität und Fokussierqualität im Vergleich zu herkömmlichen Linsen verbessern – siehe Referenz [1].
Sie sind einfach herzustellen, kostengünstig und lassen sich leichter in andere Technologien integrieren. Beispielsweise verbessern Metalinsen dank ihrer überlegenen Lichtmanipulationsfähigkeiten wie der Polarisation die Bildqualität und eröffnen so potenziell neue Möglichkeiten für das optische Design.
Abbildung 2. Huygens-Metalens mit großem Sichtfeld im nahen Infrarotbereich für Außenaufnahmen Angezeigt (LR) Objekt, Blende, Metallinse und Bild
Welche Branchen und Anwendungsbereiche können von Metalinsen profitieren?
Die Entwicklung von Metasurfaces hat dazu beigetragen, Möglichkeiten zur Herstellung optischer Komponenten mit neuen und spannenden Anwendungen zu eröffnen, von der Sensorik in der Medizin über die Bildgebung bis hin zur Unterhaltungselektronik, wie Smartphones und Augmented Reality / Virtual Reality (AR/VR)-Systemen – siehe Referenz [1].
Optische Designingenieure, Forschungs- und Entwicklungsingenieure, Wissenschaftler, Halbleitergießereien, Forschungsinstitute und ähnliche Organisationen können Metalinsen für innovative und kompakte Designs nutzen.
Wie entwickelt und modelliert man eine Metalinse?
Die Entwicklung einer Metalinse mit Millionen von Variablen stellt eine besondere Herausforderung dar. Zahlreiche Spezifikationen müssen erfüllt werden, darunter Farbfreiheit, ein großes Sichtfeld und das Polarisationsverhalten – und das mit nur wenigen Elementen. Wie die Arbeitsgruppe von Prof. Federico Capasso in Referenz [1] erläutert, erfolgte die Entwicklung von Metalinsen traditionell manuell und erforderte umfangreiche Erfahrung sowie ein tiefes Verständnis der Grundlagenphysik.
Für die Konstruktion einer Metalinse müsste der Benutzer die Linsen und deren Parameter im optischen System sowie die gewünschten Zielmuster und Brennweiten angeben.
Die traditionelle manuelle Konstruktionsmethode erfordert ein tiefes physikalisches Verständnis und umfangreiche Konstruktionserfahrung. Auch bei einem halbautomatischen, domänenübergreifenden Ansatz ist der manuelle Aufwand für die Anordnung der Metalinsen enorm.
Nun steht ein vollautomatisches Tool mit inverser Designfunktion zur Verfügung, mit dem Entwickler aller Erfahrungsstufen schnell und einfach neuartige Metalinsen-Designs erstellen können. Die wichtigsten Designfunktionen des MetaOptic Designers ermöglichen die gleichzeitige Optimierung mehrerer Designziele, darunter verschiedene Start- und Zielfelder sowie Leistungskennzahlen.
Das Tool unterstützt gemischte optische Systeme, die Metasurfaces mit herkömmlichen Linsen kombinieren. Die effizienten Optimierungs- und Simulationsalgorithmen liefern genaue Ergebnisse, die durch eine strenge Finite-Differenzen-Zeitbereichsmethode (FDTD) validiert werden, und die leistungsstarken und benutzerfreundlichen Funktionen reduzieren die Entwicklungs- und Validierungszyklen erheblich.[1]
Abbildung 3. Achromatische Metallinse
Abbildung 4. Weitwinkel-Metalinse
Abbildung 5. Chirales Hologramm mit Eingang (links), gewünschtem (Mitte) und Ausgang (rechts)
Abbildung 6. Ausgangspunkt des strahlenbasierten Designs (links); MetaOptic Designer-Analyse und weitere Optimierung (Mitte); RSoft FullWAVE FDTD zur Validierung des endgültigen Designs (rechts) [3]
Welche Lösungen bietet Keysight für die Entwicklung von Metalinsen an?
Keysight treibt diese Welle optischer Technologieinnovationen mit verschiedenen Designwerkzeugen voran.
MetaOptic Designer ist ein neuartiges Werkzeug für inverses Design, das anhand benutzerdefinierter Kriterien Metalinsen/Metaoberflächen für optimale Designleistung generiert. Die Ergebnisse werden durch ein präzises Finite-Differenzen-Zeitbereichsverfahren (FDTD) validiert, um Genauigkeit zu gewährleisten. Darüber hinaus verkürzt die leistungsstarke und benutzerfreundliche Oberfläche von MetaOptic Designer die Entwicklungs- und Validierungszyklen erheblich. MetaOptic Designer und seine charakteristische KI beschleunigen den Designprozess von der Konzeption bis zur Fertigung, liefern erstklassige Designs und simulieren deren Bedeutung in realen Anwendungen.
Das CODE V MetaOptic-Modul bietet Optikdesignern vertraute Arbeitsabläufe. Der Designprozess in CODE V ähnelt dem von diffraktiven optischen Elementen. Dies ist ein großer Vorteil für Optikdesigner, die Metalinsen in ihren Designs einsetzen möchten.
Optimale Metalinsen-Designs schnell und effizient generieren
Keysight unterstützt diese neue Innovationswelt mit MetaOptic Designer, das effiziente Optimierungs- und Simulationsalgorithmen zur Verfügung stellt, um schnell Metallinsen-Designs zu generieren.
Referenzen
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