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Qu'est-ce qu'un métalense ?
Définition de l'éclairage extérieur automobile
Les métalentilles, cette innovation de pointe en matière de technologie optique, ne sont pas des lentilles courbes ordinaires. Les métalentilles sont des lentilles planes qui utilisent des métasurfaces pour focaliser la lumière.
Une métalentille se distingue d'une lentille courbe classique par sa forme et sa surface. Traditionnellement, les combinaisons de lentilles courbes, comme celles utilisées dans les appareils photo, permettent de diriger la lumière vers un récepteur, tel qu'un capteur ou l'œil. Plusieurs lentilles sont généralement nécessaires pour corriger les différentes aberrations de l'image. Cependant, un empilement de lentilles encombrantes prend beaucoup de place, ce qui constitue un facteur à prendre en compte pour les systèmes compacts tels que les appareils photo de téléphones portables et les systèmes de réalité augmentée / réalité virtuelle (RA/RV).
Figure 1. Traçage des rayons pour des lentilles courbes traditionnelles (à gauche) et pour une métalentille (à droite)
Table des matières
Comment fonctionnent les métalenses et quels problèmes permettent-elles de résoudre ?
Les métalentilles sont généralement constituées de millions de cellules unitaires de taille inférieure à la longueur d'onde, appelées « méta-atomes », qui modulent la lumière de manière locale et cohérente sur l'ensemble de la métasurface. La forme et/ou la taille de chaque méta-atome est déterminée localement en fonction des performances globales de la métalentille.
Les nano-atomes de taille inférieure à la longueur d'onde peuvent retarder la phase de la lumière, et lorsqu'ils sont correctement disposés à la surface, les métalentilles peuvent créer le même profil de phase souhaité qu'une lentille courbe classique. La technologie lithographique éprouvée permet la production à grande échelle de motifs structurés.
Les métalenses constitueront une technologie clé pour la prochaine génération d'applications compactes d'imagerie, de détection et d'affichage. Elles permettent également de réaliser une ingénierie complexe du front d'onde au sein d'un seul élément optique, ce qui présente un grand intérêt pour toute une série d'applications.
Les caractéristiques physiques des métalentilles — leur finesse, leur planéité et leur légèreté — leur confèrent des avantages considérables, notamment en termes d'encombrement et de poids. Elles permettent de réduire la taille des dispositifs optiques en remplaçant les lentilles courbes, plus volumineuses, par des surfaces minces et planes, tout en améliorant la stabilité optique et la qualité de la mise au point par rapport aux lentilles plus conventionnelles — voir référence [1].
Ils sont faciles à fabriquer, économiques et s'intègrent plus facilement à d'autres technologies. Par exemple, grâce à leurs capacités supérieures de manipulation de la lumière, telles que la polarisation, les métalentilles améliorent la qualité des images, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles possibilités en matière de conception optique.
Figure 2. Métalentille de Huygens à large champ de vision dans le proche infrarouge destinée à des applications d’imagerie en extérieur, montrant (de gauche à droite) l’objet, l’ouverture, la métalentille et l’image
Quels secteurs et quelles applications peuvent tirer parti des métalenses ?
Le développement des métasurfaces a ouvert la voie à la création de composants optiques destinés à des applications nouvelles et prometteuses, allant de la détection en médecine à l'imagerie et à l'électronique grand public, comme les smartphones et les systèmesde réalité augmentée/réalité virtuelle (RA/RV) — voir la référence [1].
Les ingénieurs en conception optique, les ingénieurs en recherche et développement (R&D), les scientifiques, les fonderies de semi-conducteurs, les instituts de recherche et les organismes similaires peuvent utiliser les métalenses pour créer des conceptions innovantes et compactes.
Comment concevoir et modéliser une métalence ?
La conception d'une métalentille comportant des millions de variables constitue un défi tout à fait particulier. Il faut en effet respecter de multiples spécifications, notamment l'achromaticité, un large champ de vision et le comportement de polarisation, tout en utilisant un nombre réduit d'éléments. Comme l'explique le groupe du professeur Federico Capasso dans la référence [1], la conception des métalentilles s'effectuait traditionnellement à la main et exigeait une grande expérience en la matière ainsi qu'une compréhension approfondie des principes fondamentaux de la physique.
Pour concevoir une métalentille, l'utilisateur doit définir l'ensemble des lentilles et leurs paramètres au sein du système optique, ainsi que les motifs de sortie souhaités et les distances focales.
Dans l'approche traditionnelle de conception manuelle, une connaissance approfondie de la physique et une solide expérience en conception sont indispensables. Même dans le cadre d'une approche semi-automatique multidomaine, la disposition des métalentilles nécessite encore un travail manuel considérable.
Il existe désormais un outil entièrement automatisé doté de capacités de conception inverse, que les concepteurs de tous niveaux d'expertise peuvent utiliser pour créer rapidement et facilement de nouvelles conceptions de métalentes. Les principales fonctionnalités de conception de l'outil MetaOptic Designer permettent l'optimisation simultanée de plusieurs objectifs de conception, notamment différents champs de lancement et de cible ainsi que divers indicateurs de performance.
Cet outil prend en charge les systèmes optiques mixtes qui associent des métasurfaces à des lentilles classiques. Ses algorithmes d'optimisation et de simulation performants fournissent des résultats précis, validés par une méthode rigoureuse de calcul par différences finies dans le domaine temporel (FDTD), tandis que ses fonctionnalités puissantes et conviviales réduisent considérablement les cycles de conception à la validation.[1]
Figure 3. Métalentille achromatique
Figure 4. Métalentille grand angle
Figure 5. Hologramme chiral avec l'entrée (à gauche), le signal souhaité (au centre) et la sortie (à droite)
Figure 6. Point de départ de la conception par rayons (à gauche) ; analyse et optimisation poussée avec MetaOptic Designer (au centre) ; simulation FDTD avec RSoft FullWAVE pour valider la conception finale (à droite) [3]
Quelles solutions Keysight propose-t-elle pour la conception de métalenses ?
Keysight alimente cette vague d'innovation dans le domaine des technologies optiques grâce à divers outils de conception.
MetaOptic Designer est un outil de conception inverse sans précédent qui, à partir de critères définis par l'utilisateur, génère des métalentilles et des métasurfaces offrant des performances de conception optimales. Les résultats sont validés par une méthode rigoureuse dite « FDTD » (Finite-Difference Time-Domain) afin de garantir leur précision. De plus, l'interface puissante et conviviale de MetaOptic Designer réduit considérablement les cycles de conception à validation. MetaOptic Designer, grâce à son intelligence artificielle caractéristique, accélère le processus de conception, de la conception initiale à la fabrication, en fournissant des conceptions de premier ordre et en simulant leur pertinence dans des applications concrètes.
Le module MetaOptic de CODE V propose des flux de travail familiers aux ingénieurs en conception optique. Le processus de conception de CODE V s'apparente à celui des éléments optiques diffractifs. Il offre un avantage considérable aux ingénieurs en conception optique qui souhaitent intégrer des métalentes dans leurs conceptions.
Générer rapidement et efficacement des conceptions optimales de métalenses
Keysight accompagne cette nouvelle vague d'innovation grâce à MetaOptic Designer, qui propose des algorithmes d'optimisation et de simulation performants permettant de concevoir rapidement des métalentes.
Références
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