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自主开发大型超表面的新方法

2022-5-25 22:19| 发布者: everydayness| 查看: 394| 评论: 0

摘要: 超表面是可穿戴电子设备的潜在技术,尤其是虚拟和增强现实系统方面,因为它们在平面上使用精心设计和结构化的纳米结构来瞄准、塑造和操纵光。图 1制造的超透镜与显示哈佛标志的微型液晶显示器。 图片来源:卡帕索实 ...
         超表面是可穿戴电子设备的潜在技术,尤其是虚拟和增强现实系统方面,因为它们在平面上使用精心设计和结构化的纳米结构来瞄准、塑造和操纵光。

图 1制造的超透镜与显示哈佛标志的微型液晶显示器。 图片来源:卡帕索实验室/哈佛海洋。
         目前,研究团队有条不紊地在镜片表面创建纳米结构的精确排列,以实现镜片的预期功能,无论是解析纳米级特征的同时伴随产生许多深度感知图像,还是不考虑偏振如何对光。
         如果要在 AR 和 VR 系统中专业地使用超透镜,则需要大幅扩大规模,这意味着需要数十亿个纳米柱。人工智能可以帮助科学家创造出这样的东西。
         来自哈佛大学约翰 A. 保尔森工程与应用科学学院 (SEAS) 和麻省理工学院 (MIT) 的一组研究人员提出了一个新的用于开发利用机器智能方法即时创建设计的大规模超表面的框架。该研究发表在《自然通讯》上。
         “本文奠定了可能影响许多现实世界设备的基础和设计方法。我们的方法将使新的超表面设计成为可能,这些设计可以对虚拟或增强现实、自动驾驶汽车以及车载系统和卫星的机器视觉产生影响。(Federico Capasso,研究高级作者,哈佛大学约翰 A. 保尔森工程与应用科学学院应用物理学教授和 Robert L. Wallace 教授)
         Capasso 还是 SEAS 电气工程领域的 Vinton Hayes 高级研究员。
         到目前为止,创建超表面需要多年的专业知识和行业经验。
         我们一直以基于直觉的设计为指导,严重依赖一个人的物理训练,而物理训练受限于可以同时考虑的参数数量,因为我们受到人类工作记忆容量的限制。(Zhaoyi Li,该研究的共同主要作者和研究助理,哈佛大学约翰 A. 保尔森工程与应用科学学院)
         为了克服这些限制,该团队将超表面结构的物理学写入了计算机程序。该应用程序自动生成超表面设计,同时设计数百万到数十亿个参数。
         这是一种逆向设计方法,这意味着科学家们从超透镜的所需功能开始——例如校正色差的透镜——然后计算机使用计算技术来确定实现该目标的最佳设计几何形状。
         “让计算机做决定本质上是可怕的,但我们已经证明我们的程序可以充当指南针,为优化设计指明道路。更重要的是,使用单 CPU 笔记本电脑的整个设计过程只需不到一天的时间,而之前的方法需要几个月的时间来模拟在可见光谱中工作的直径为 1 厘米的单个超表面。
         (Raphaël Pestourie,该研究的共同主要作者和博士后研究员,麻省理工学院)
         “这是纳米结构光子器件逆向设计规模的一个数量级增长,与之前的工作中的数百个波长相比,产生了直径数万个波长的器件,它为计算发现开辟了新的应用类别,” 麻省理工学院应用数学和物理学教授 Steven G. Johnson 补充说,该研究的共同通讯作者。
         该研究小组在这项新研究的基础上,为虚拟现实 (VR) 平台设计并制造了一种厘米级、偏振不敏感、RGB 消色差元目镜。
         Li 进一步总结道:“我们展示的 VR 平台基于元目镜和激光背照式微型 LCD,具有许多理想的特性,包括紧凑、轻巧的高分辨率、广色域等。 我们相信一种平面光学形式的超表面,为重塑 VR 的未来开辟了一条新途径。”

期刊参考:
          李,Z.,等人。 (2022) 逆向设计可实现大规模高性能元光学重塑虚拟现实。 自然通讯。 doi.org/10.1038/s41467-022-29973-3。



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