Compacte en lichtgewicht meta-oppervlakken - die specifiek ontworpen en van patronen voorziene nanostructuren op een plat oppervlak gebruiken om licht te focussen, vorm te geven en te regelen - zijn een veelbelovende technologie voor draagbare toepassingen, met name virtuele en augmented reality-systemen. Tegenwoordig ontwerpen onderzoeksteams nauwgezet het specifieke patroon van nanostructuren op het oppervlak om de gewenste functie van de lens te bereiken, of het nu gaat om het oplossen van nanoschaalkenmerken, het gelijktijdig produceren van verschillende dieptewaarnemende beelden of het focussen van licht, ongeacht de polarisatie.

Als de metalens commercieel gaat worden gebruikt in AR- en VR-systemen, moet deze aanzienlijk worden opgeschaald, wat betekent dat het aantal nanopilaren in de miljarden zal lopen. Hoe kunnen onderzoekers zoiets complexs ontwerpen? Dat is waar kunstmatige intelligentie om de hoek komt kijken.

In een recent artikel, gepubliceerd in Nature Communications , beschreef een team van onderzoekers van de Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) en het Massachusetts Institute of Technology (MIT) een nieuwe methode voor het ontwerpen van grootschalige meta-oppervlakken die technieken van machine-intelligentie gebruikt om automatisch ontwerpen te genereren .

"Dit artikel legt de basis en ontwerpaanpak die van invloed kan zijn op veel real-world apparaten", zegt Federico Capasso, Robert L. Wallace Professor of Applied Physics en Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering bij SEAS en senior auteur van het artikel. "Onze methoden zullen nieuwe metasurface-ontwerpen mogelijk maken die een impact kunnen hebben op virtual of augmented reality, zelfrijdende auto's en machinevisie voor ingescheepte systemen en satellieten."

Tot nu toe hadden onderzoekers jarenlange kennis en ervaring in het veld nodig om een ​​meta-oppervlak te ontwerpen.

"We hebben ons laten leiden door op intuïtie gebaseerd ontwerp, waarbij we sterk afhankelijk waren van iemands training in de natuurkunde, die beperkt was in het aantal parameters dat tegelijkertijd kan worden beschouwd, begrensd als we zijn door de capaciteit van het menselijke werkgeheugen", zei Zhaoyi Li, een onderzoeksmedewerker bij SEAS en mede-hoofdauteur van het artikel.

Om die beperkingen te overwinnen, leerde het team een ​​computerprogramma de fysica van metasurface-ontwerp. Het programma gebruikt de basis van de natuurkunde om automatisch metaoppervlakontwerpen te genereren, waarbij miljoenen tot miljarden parameters tegelijkertijd worden ontworpen.

Dit is een omgekeerd ontwerpproces, wat betekent dat de onderzoekers beginnen met een gewenste functie van de metalens - zoals een lens die chromatische aberratie kan corrigeren - en het programma vindt de beste ontwerpgeometrieën om dat doel te bereiken met behulp van zijn computationele algoritmen.

"Een computer een beslissing laten nemen is inherent eng, maar we hebben aangetoond dat ons programma kan fungeren als een kompas en de weg wijst naar het optimale ontwerp", zegt Raphaël Pestourie, een postdoctoraal medewerker aan het MIT en mede-hoofdauteur van het artikel. "Bovendien duurt het hele ontwerpproces met een laptop met één CPU minder dan een dag, vergeleken met de vorige aanpak, waarbij maanden nodig zouden zijn om een ​​enkel metaoppervlak van 1 cm diameter te simuleren dat in het zichtbare lichtspectrum werkt."

"Dit is een toename in grootteorde van de schaal van invers ontwerp voor nanogestructureerde fotonische apparaten, die apparaten genereren met een diameter van tienduizenden golflengten in vergelijking met honderden in eerdere werken, en het opent nieuwe klassen van toepassingen voor computationele ontdekking." zei Steven G. Johnson, hoogleraar Toegepaste Wiskunde en Natuurkunde aan het MIT en co-corresponderende auteur van het artikel.

Op basis van de nieuwe aanpak ontwierp en fabriceerde het onderzoeksteam een ​​centimeter-schaal, polarisatie-ongevoelig, RGB-achromatisch meta-oculair voor een virtual reality (VR)-platform.

"Ons gepresenteerde VR-platform is gebaseerd op een meta-oculair en een met laser verlicht micro-LCD, dat veel wenselijke functies biedt, waaronder compactheid, lichtgewicht, hoge resolutie, breed kleurengamma en meer", aldus Li. "Wij geloven dat het meta-oppervlak, een vorm van platte optica, een nieuwe weg opent om de toekomst van VR opnieuw vorm te geven."

Het onderzoek is co-auteur van Joon-Suh Park en Yao-Wei Huang. + Verder verkennen

Van elke camera een polarisatiecamera maken