通过逆向设计算法设计超透镜

       简介:研究人员开发了一种设计大规模超表面的新方法，使用机器智能技术自动生成设计。这种方法将使新的超表面设计成为可能，可以对虚拟现实或增强现实、自动驾驶汽车以及装载系统和卫星的机器视觉产生影响。

       紧凑而轻量化的超表面——在平面上使用专门设计和图案化的纳米结构来聚焦、塑造和控制光线——是一种很有前途的可穿戴应用技术，尤其是虚拟和增强现实系统。今天，研究团队煞费苦心地设计表面纳米结构的特定模式，以实现透镜的预期功能，无论是分辨纳米尺度的特征，同时产生几个深度感知图像，还是不考虑偏振的光线聚焦。

       如果超构透镜要在增强现实和虚拟现实系统中进行商业应用，它需要大幅扩大规模，这意味着纳米柱的数量将达到数十亿。研究人员怎么能设计出这么复杂的东西呢?这就是人工智能的用武之地。

       在最近发表于《Nature Communication》的一篇论文中，来自哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院(SEAS)和麻省理工学院(MIT)的一组研究人员描述了一种设计大规模超表面的新方法，该方法使用机器智能技术自动生成设计。

       “这篇文章奠定了基础和设计方法，可能会影响许多现实世界的设备，”fedrio L. Wallace应用物理教授和Vinton Hayes电气工程高级研究员、该论文的高级作者Federico Capasso说。“我们的方法将使新的超表面设计成为可能，可以对虚拟现实或增强现实、自动驾驶汽车以及装载系统和卫星的机器视觉等应用产生深远影响。”

       到目前为止，研究人员仍然需要靠着该领域多年的知识和经验来设计超表面。

       “我们一直基于已有的基础设计知识,依赖庞大的物理训练, 但由于人类工作记忆能力有限，这限制了可以同时考虑参数的数量,“Zhaoyi Li说,SEAS研究助理和论文的联合作者。

       为了克服这些限制，该团队向一个计算机程序传授了超表面设计的物理原理。该程序利用物理学的基础自动生成超表面设计，同时设计数百万到数十亿个参数。

       这是一个逆向设计过程，意味着研究人员从超构透镜的期望功能——比如一个可以纠正色差的透镜——开始，然后程序使用其计算算法找到实现该目标的最佳设计几何形状。

       “让电脑做决定本身就很可怕，但我们已经证明，我们的程序可以充当指南针，指明通往最佳设计的道路，”麻省理工学院博士后助理、该论文的共同主要作者Raphaël Pestourie说。“更重要的是，使用单CPU笔记本电脑，整个设计过程只需要不到一天的时间，而之前的方法需要几个月的时间来模拟一个直径为1厘米、在可见光谱下工作的超表面。”

       “这是纳米结构光子器件逆向设计规模的数量级增长，与之前的数百个波长相比，它产生了直径数万个波长的器件，并开辟了新的应用类别。”这篇论文的共同通讯作者、麻省理工学院应用数学和物理教授Steven G. Johnson说。

       基于这种新方法，研究团队设计并制造了一种厘米尺度、偏振不敏感、RGB消色差的虚拟现实(VR)平台元目镜。

       “我们推出的VR平台基于超目镜和激光背光微型液晶显示器，提供了许多令人满意的功能，包括体积小、重量轻、分辨率高、色域宽等，”Li说。“我们相信超表面，一种平面光学形式，为重塑虚拟现实的未来开辟了一条新道路。”

[1] Zhaoyi Li, Raphaël Pestourie, Joon-Suh Park, Yao-Wei Huang, Steven G. Johnson, Federico Capasso. Inverse design enables large-scale high-performance meta-optics reshaping virtual reality. Nature Communications, 2022; 13 (1) DOI: 10.1038/s41467-022-29973-3