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¿Qué es una metalente?
Definición de iluminación exterior de vehículos
Las metalentes, la última innovación en tecnología óptica, no son las típicas lentes curvas. Las metalentes son lentes planas que utilizan metasuperficies para enfocar la luz.
Una metalente se diferencia de una lente curva tradicional por su forma y su superficie. Tradicionalmente, las combinaciones de lentes curvas, como las que se utilizan en las cámaras, manipulan la luz para que llegue a un receptor, como un sensor o el ojo. Por lo general, se necesitan varias lentes para corregir las distintas aberraciones de la imagen. Sin embargo, una pila de lentes voluminosas ocupa mucho espacio, lo cual es un factor a tener en cuenta en sistemas compactos como las cámaras de los teléfonos móviles y los sistemas de realidad aumentada y realidad virtual (RA/RV).
Figura 1. Trazado de rayos con lentes curvas tradicionales (izquierda) y con metalentes (derecha)
Índice
¿Cómo funcionan las metalentes y qué problemas resuelven?
Las metalentes suelen estar formadas por millones de celdas unitarias de sublongitud de onda denominadas «metaátomos», que modulan la luz de forma local y coherente en toda la metasuperficie. La forma y/o el tamaño de cada metaátomo se determinan localmente en función del rendimiento global de la metalente.
Los nanoátomos de sublongitud de onda pueden retrasar la fase de la luz y, cuando se disponen adecuadamente en la superficie, las metalentes pueden crear el mismo perfil de fase deseado que una lente curva clásica. La tecnología litográfica consolidada permite la producción a gran escala de diseños con patrones.
Las metalentes serán una tecnología clave para la próxima generación de aplicaciones compactas de imagen, detección y visualización. Además, permiten realizar una compleja ingeniería de frente de onda en una sola lente, lo que resulta muy atractivo para una amplia gama de aplicaciones.
Las características físicas de las metalentes —su naturaleza delgada, plana y ligera— las hacen increíblemente ventajosas, especialmente en lo que respecta al espacio y al peso. Pueden ayudar a reducir el tamaño de los productos ópticos al sustituir las lentes curvas, más voluminosas, por superficies delgadas y planas, al tiempo que mejoran la estabilidad óptica y la calidad del enfoque en comparación con las lentes más convencionales; véase la referencia [1].
Son fáciles de fabricar, rentables y se integran más fácilmente con otras tecnologías. Por ejemplo, gracias a sus capacidades superiores de manipulación de la luz, como la polarización, las metalentes mejoran la calidad de las imágenes, lo que podría abrir nuevas posibilidades para el diseño óptico.
Figura 2. Metalente de Huygens de campo de visión amplio en el infrarrojo cercano para aplicaciones de obtención de imágenes en exteriores, en la que se muestran (de izquierda a derecha): el objeto, la apertura, la metalente y la imagen.
¿Qué sectores y aplicaciones pueden beneficiarse de las metalentes?
El desarrollo de las metasuperficies ha contribuido a abrir nuevas posibilidades para crear componentes ópticos con aplicaciones novedosas y prometedoras, desde la detección en el ámbito médico hasta la obtención de imágenes y la electrónica de consumo, como los teléfonos inteligentes y los sistemasde realidad aumentaday realidad virtual (RA/RV); véase la referencia [1].
Los ingenieros de diseño óptico, los ingenieros de investigación y desarrollo (I+D), los científicos, las fábricas de semiconductores, los institutos de investigación y otras organizaciones similares pueden utilizar metalentes para crear diseños innovadores y compactos.
¿Cómo se diseña y se crea un metalente?
El diseño de una metalente con millones de variables es una tarea que plantea un desafío sin igual. Es necesario cumplir múltiples especificaciones, entre ellas la acromaticidad, un amplio campo de visión y el comportamiento de polarización, utilizando tan solo unos pocos elementos. Tal y como se explica en el trabajo del grupo del profesor Federico Capasso en la referencia [1], el diseño de metalentes se ha realizado tradicionalmente de forma manual y requiere una amplia experiencia en diseño y un profundo conocimiento de la física fundamental.
Para diseñar una metalente, el usuario debería especificar el conjunto de lentes y sus parámetros en el sistema óptico, así como los patrones de imagen deseados y las distancias focales.
En el enfoque tradicional de diseño manual, se requiere un profundo conocimiento de la física y una amplia experiencia en diseño. En el caso del enfoque semiautomático multidominio, sigue siendo necesario realizar una enorme cantidad de trabajo manual para diseñar las metalentes.
Ahora existe una herramienta totalmente automatizada con capacidad de diseño inverso que los diseñadores, independientemente de su nivel de experiencia, pueden utilizar para crear diseños novedosos de metalentes de forma rápida y sencilla. Las funciones clave de la herramienta MetaOptic Designer permiten optimizar simultáneamente múltiples objetivos de diseño, incluidos diferentes campos de lanzamiento y de destino, así como métricas de rendimiento.
La herramienta es compatible con sistemas ópticos mixtos que combinan metasuperficies con lentes convencionales. Los eficientes algoritmos de optimización y simulación generan resultados precisos, validados mediante un riguroso método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), y sus potentes y intuitivas funciones reducen considerablemente los ciclos desde el diseño hasta la validación.[1]
Figura 3. Metalente acromática
Figura 4. Metalente gran angular
Figura 5. Holograma quiral con la imagen de entrada (izquierda), la imagen deseada (centro) y la imagen de salida (derecha)
Figura 6. Punto de partida del diseño basado en rayos (izquierda); análisis con MetaOptic Designer y optimización posterior (centro); RSoft FullWAVE FDTD para validar el diseño final (derecha) [3]
¿Qué soluciones ofrece Keysight para el diseño de metalentes?
Keysight está impulsando esta ola de innovación en tecnología óptica con diversas herramientas de diseño.
MetaOptic Designer es una herramienta de diseño inverso sin precedentes que toma los criterios especificados por el usuario y genera metalentes y metasuperficies para obtener un rendimiento de diseño óptimo. Los resultados se validan mediante un riguroso método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) para garantizar su precisión. Además, la potente e intuitiva interfaz de MetaOptic Designer reduce significativamente los ciclos desde el diseño hasta la validación. MetaOptic Designer, gracias a su característica IA, agiliza el proceso de diseño desde su concepción hasta la fabricación, ofreciendo diseños de primer nivel y simulando su relevancia en aplicaciones del mundo real.
El módulo MetaOptic de CODE V ofrece flujos de trabajo familiares para los ingenieros de diseño óptico. El proceso de diseño de CODE V es similar al de los elementos ópticos difractivos. Supone una gran ventaja para los ingenieros de diseño óptico que desean utilizar metalentes en sus diseños.
Genera diseños óptimos de metalentes de forma rápida y eficiente
Keysight respalda este nuevo mundo de innovación con MetaOptic Designer, que ofrece algoritmos eficientes de optimización y simulación para ayudar a generar diseños de metalentes con rapidez.
Referencias
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