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Che cos'è una metalente?
Definizione di illuminazione esterna per autoveicoli
Le metalenti, l'ultima innovazione nel campo della tecnologia ottica, non sono le solite lenti curve. Le metalenti sono lenti piatte che utilizzano metasuperfici per focalizzare la luce.
Una metalente si differenzia da una lente curva tradizionale per la sua forma e la sua superficie. Tradizionalmente, le combinazioni di lenti curve, come quelle utilizzate nelle fotocamere, manipolano la luce in modo che raggiunga un ricevitore, come un sensore o l'occhio. Di solito sono necessarie più lenti per correggere le varie aberrazioni dell'immagine. Tuttavia, una pila di lenti ingombranti occupa molto spazio, il che rappresenta un fattore da tenere in considerazione per i sistemi compatti come le fotocamere dei telefoni cellulari e i sistemi di realtà aumentata/realtà virtuale (AR/VR).
Figura 1. Tracciamento dei raggi con lenti curve tradizionali (a sinistra) e con metalenti (a destra)
Indice dei contenuti
Come funzionano le metalenti e quali problemi risolvono?
Le metalenti sono solitamente costituite da milioni di celle elementari di dimensioni inferiori alla lunghezza d'onda, chiamate meta-atomi, che modulano la luce in modo locale e coerente su tutta la metasuperficie. La forma e/o le dimensioni di ciascun meta-atomo vengono determinate localmente in base alle prestazioni complessive della metalente.
I nano-atomi sub-lunghezza d'onda sono in grado di ritardare la fase della luce e, se disposti correttamente sulla superficie, i metalenti possono riprodurre lo stesso profilo di fase desiderato di una classica lente curva. La tecnologia litografica consolidata consente la produzione su larga scala di schemi strutturati.
Le metalenti saranno una tecnologia fondamentale per la realizzazione della prossima generazione di applicazioni compatte nei settori dell'imaging, del rilevamento e della visualizzazione. Sono inoltre in grado di eseguire complesse operazioni di ingegneria del fronte d'onda all'interno di un unico elemento ottico, caratteristica che le rende particolarmente interessanti per una vasta gamma di applicazioni.
Le caratteristiche fisiche delle metalenti — la loro struttura sottile, piatta e leggera — le rendono incredibilmente vantaggiose, soprattutto in termini di ingombro e peso. Consentono infatti di ridurre al minimo le dimensioni dei prodotti ottici, sostituendo le lenti curve più ingombranti con superfici sottili e piatte, migliorando al contempo la stabilità ottica e la qualità della messa a fuoco rispetto alle lenti più convenzionali — cfr. riferimento [1].
Sono facili da produrre, convenienti e si integrano più facilmente con altre tecnologie. Ad esempio, grazie alle loro eccellenti capacità di manipolazione della luce, come la polarizzazione, le metalenti migliorano la qualità delle immagini, aprendo potenzialmente la strada a nuove possibilità nella progettazione ottica.
Figura 2. Metalente di Huygens a campo visivo ampio nel vicino infrarosso per applicazioni di imaging all'aperto, che mostra (da sinistra a destra) l'oggetto, l'apertura, la metalente e l'immagine
Quali settori e applicazioni possono trarre vantaggio dalle metalenti?
Lo sviluppo delle metasuperfici ha contribuito ad aprire nuove opportunità per la creazione di componenti ottici con applicazioni innovative e interessanti, dal rilevamento in campo medico all'imaging e all'elettronica di consumo, come gli smartphone e i sistemidi realtà aumentata/realtà virtuale (AR/VR) — cfr. riferimento [1].
I progettisti ottici, gli ingegneri di ricerca e sviluppo (R&S), gli scienziati, le fonderie di semiconduttori, gli istituti di ricerca e altre organizzazioni simili possono utilizzare le metalenti per realizzare progetti innovativi e compatti.
Come si sviluppa e si modella una metalente?
La progettazione di una metalente con milioni di variabili rappresenta una sfida davvero ardua. È necessario soddisfare molteplici requisiti, tra cui l’acromaticità, un ampio campo visivo e il comportamento di polarizzazione, utilizzando un numero limitato di elementi. Come spiegato nel lavoro del gruppo del Prof. Federico Capasso nel riferimento [1], la progettazione delle metalenti è stata tradizionalmente un processo manuale che richiede una vasta esperienza in materia e una profonda comprensione dei principi fondamentali della fisica.
Per progettare una metalente, l'utente dovrebbe specificare l'insieme delle lenti e i relativi parametri nel sistema ottico, nonché i modelli desiderati e le lunghezze focali.
Nell'approccio tradizionale alla progettazione manuale sono necessarie una profonda conoscenza della fisica e una notevole esperienza in materia. Anche nell'approccio semiautomatico multidominio, la disposizione delle metalenti richiede ancora un enorme lavoro manuale.
Ora è disponibile uno strumento completamente automatizzato con funzionalità di progettazione inversa che i progettisti di ogni livello di esperienza possono utilizzare per creare rapidamente e facilmente nuovi modelli di metalenti. Le principali funzionalità di progettazione dello strumento MetaOptic Designer consentono l'ottimizzazione simultanea di molteplici obiettivi di progettazione, tra cui diversi campi di lancio e di destinazione e diversi parametri di prestazione.
Lo strumento supporta sistemi ottici misti che combinano metasuperfici e lenti convenzionali. Gli efficienti algoritmi di ottimizzazione e simulazione generano risultati accurati, convalidati da un rigoroso metodo FDTD (Finite-Difference Time-Domain), mentre le funzionalità potenti e intuitive riducono notevolmente i tempi dei cicli di progettazione e convalida.[1]
Figura 3. Metalente acromatica
Figura 4. Metalente grandangolare
Figura 5. Ologramma chirale con immagine in ingresso (a sinistra), immagine desiderata (al centro) e immagine in uscita (a destra)
Figura 6. Punto di partenza della progettazione basata sui raggi (a sinistra); analisi con MetaOptic Designer e ulteriore ottimizzazione (al centro); simulazione FDTD con RSoft FullWAVE per la validazione del progetto finale (a destra) [3]
Quali soluzioni offre Keysight per la progettazione di metalenti?
Keysight sta alimentando questa ondata di innovazione nel campo della tecnologia ottica con diversi strumenti di progettazione.
MetaOptic Designer è uno strumento di progettazione inversa senza precedenti che, sulla base dei criteri specificati dall'utente, genera metalenti e metasuperfici per ottenere prestazioni di progettazione ottimali. I risultati vengono convalidati tramite un rigoroso metodo FDTD (Finite-Difference Time-Domain) per garantire la massima accuratezza. Inoltre, l'interfaccia potente e intuitiva di MetaOptic Designer riduce significativamente i tempi dei cicli di progettazione e convalida. MetaOptic Designer, grazie alla sua caratteristica intelligenza artificiale, accelera il processo di progettazione dall'ideazione alla fabbricazione, fornendo progetti di altissimo livello e simulandone l'importanza nelle applicazioni del mondo reale.
Il modulo MetaOptic di CODE V offre flussi di lavoro familiari per i progettisti ottici. Il processo di progettazione di CODE V è simile a quello degli elementi ottici diffrattivi. Rappresenta un grande vantaggio per i progettisti ottici che desiderano integrare le metalenti nei propri progetti.
Generare progetti ottimali di metalens in modo rapido ed efficiente
Keysight sostiene questo nuovo mondo dell'innovazione con MetaOptic Designer, che offre algoritmi efficienti di ottimizzazione e simulazione per aiutare a generare rapidamente progetti di metalenti.
Bibliografia
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