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將超透鏡建模集成到多尺度光學(xué)系統(tǒng)仿真中Frank WyrowskiNovember 2024摘要 摘要 這篇文章探討了近年來備受關(guān)注的超透鏡（metalenses）這一主題。超透鏡是平面透鏡的一種特殊類別，與衍射透鏡和菲涅耳透鏡并列。我們介紹了相關(guān)概念，并展示了 VirtualLab Fusion軟件在模擬和設(shè)計(jì)超透鏡方面的能力。

<p class="ql-align-justify">VirtualLab Fusion創(chuàng)始人&nbsp;Frank Wyrowski教授 專家講堂 | 多尺度光學(xué)模擬與設(shè)計(jì)的藝術(shù)2025年4月24日</p><p class="ql-align-justify">多尺度光學(xué)仿真的核心原理，上海嘉定共赴光學(xué)仿真互動(dòng)探討之旅</p><div contenteditable="false" width=

1.平面透鏡的潛力與局限性幻燈片 #2-5在本文的開頭，我打算探討一個(gè)問題：將平面透鏡集成到光學(xué)設(shè)計(jì)中可以期待什么樣的結(jié)果？為了回答這個(gè)問題，有必要介紹一些與平面透鏡討論相關(guān)的透鏡設(shè)計(jì)基本原理。每個(gè)透鏡都旨在轉(zhuǎn)換一個(gè)或多個(gè)入射波前。在成像中，通常轉(zhuǎn)換球面和平面波前。透鏡的功能由其預(yù)期執(zhí)行的轉(zhuǎn)換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存，并可用于建模和設(shè)計(jì)。

1.平面透鏡的潛力與局限性幻燈片 #2-5在本文的開頭，我打算探討一個(gè)問題：將平面透鏡集成到光學(xué)設(shè)計(jì)中可以期待什么樣的結(jié)果？為了回答這個(gè)問題，有必要介紹一些與平面透鏡討論相關(guān)的透鏡設(shè)計(jì)基本原理。每個(gè)透鏡都旨在轉(zhuǎn)換一個(gè)或多個(gè)入射波前。在成像中，通常轉(zhuǎn)換球面和平面波前。透鏡的功能由其預(yù)期執(zhí)行的轉(zhuǎn)換定義。這些信息通過所謂的功能透鏡得以保存，并可用于建模和設(shè)計(jì)。

得益于這些優(yōu)勢(shì)，超透鏡有望在許多應(yīng)用中替代傳統(tǒng)折射透鏡，包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中的投影系統(tǒng)，用于內(nèi)窺鏡的纖薄緊湊型雙向成像/投影透鏡，以及手機(jī)和無人機(jī)中的成像攝像頭。Ansys Lumerical FDTD軟件中的超透鏡仿真。元原子顯示為外凸的柱狀結(jié)構(gòu)，其尺寸和位置各不相同光子集成電路的光柵耦合器另一個(gè)領(lǐng)域是共封裝光學(xué)，這是由光學(xué)元件和封裝基板上的硅組成的集成系統(tǒng)。

“我們將自己視為電磁建模和設(shè)計(jì)的潮流引領(lǐng)者。我們的VirtualLab Fusion軟件不僅可以讓我們模擬現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中的光傳播，還可以在這一平臺(tái)上結(jié)合各種仿真模型，“Wyrowski解釋道。這是一個(gè)獨(dú)特的賣點(diǎn)。 具有藝術(shù)性的物理光學(xué)軟件 AR目前正在蓬勃發(fā)展。兩年前，智能手機(jī)游戲PokémonGo引發(fā)了全球熱潮。

作為VirtualLab Fusion的開發(fā)者，我們認(rèn)為光線光學(xué)和物理光學(xué)并不是用戶必須選擇的兩種分離的建模技術(shù)。在我們的概念中，光線追跡形式的光線光學(xué)是物理光學(xué)建模的一個(gè)子集。而在VirtualLab Fusion中，這不僅僅是一種學(xué)術(shù)主張，而是我們通過物理光學(xué)和光線光學(xué)建模之間的無縫且可控的轉(zhuǎn)換，將其引入到現(xiàn)實(shí)生活中的經(jīng)驗(yàn)。

此外，超透鏡本質(zhì)上是基于波動(dòng)光學(xué)的，但需要將它們整合到光線追蹤系統(tǒng)中。關(guān)于建立超透鏡的方法的詳細(xì)信息，以及RCWA計(jì)算的驗(yàn)證，可以在文章：Small-scale metalens - Field propagation中找到。

當(dāng)前仿真工具的效率仍難以滿足復(fù)雜超表面設(shè)計(jì)的需求，開發(fā)更高效的仿真技術(shù)，成為未來超表面研究的重要方向之一。5.超表面在納米尺度光計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用與局限由于光信號(hào)具有高速傳播的特性，在納米尺度構(gòu)建基于光信號(hào)的快速、低功耗計(jì)算系統(tǒng)，一直是科研人員的重要研究目標(biāo)，而光學(xué)超表面恰好為這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了理想平臺(tái)。

作為VirtualLab Fusion的開發(fā)者，我們認(rèn)為光線光學(xué)和物理光學(xué)并不是用戶必須選擇的兩種分離的建模技術(shù)。在我們的概念中，光線追跡形式的光線光學(xué)是物理光學(xué)建模的一個(gè)子集。而在VirtualLab Fusion中，這不僅僅是一種學(xué)術(shù)主張，而是我們通過物理光學(xué)和光線光學(xué)建模之間的無縫且可控的轉(zhuǎn)換，將其引入到現(xiàn)實(shí)生活中的經(jīng)驗(yàn)。

與傳統(tǒng)透鏡相比，超透鏡最大的優(yōu)點(diǎn)就是體積非常微型化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)的功能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)透鏡，超透鏡可以小到肉眼幾乎不能看見，一片超透鏡就可以取代相機(jī)中的透鏡組。 數(shù)值孔徑是光學(xué)透鏡最重要的基本參量，衡量著光學(xué)系統(tǒng)的成像能力，一直以來，各國(guó)科學(xué)家為增加透鏡的數(shù)值孔徑爭(zhēng)相努力。

作為VirtualLab Fusion的開發(fā)者，我們認(rèn)為光線光學(xué)和物理光學(xué)并不是用戶必須選擇的兩種分離的建模技術(shù)。在我們的概念中，光線追跡形式的光線光學(xué)是物理光學(xué)建模的一個(gè)子集。而在VirtualLab Fusion中，這不僅僅是一種學(xué)術(shù)主張，而是我們通過物理光學(xué)和光線光學(xué)建模之間的無縫且可控的轉(zhuǎn)換，將其引入到現(xiàn)實(shí)生活中的經(jīng)驗(yàn)。

“我們將自己視為電磁建模和設(shè)計(jì)的潮流引領(lǐng)者。我們的VirtualLab Fusion軟件不僅可以讓我們模擬現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)中的光傳播，還可以在這一平臺(tái)上結(jié)合各種仿真模型，“Wyrowski解釋道。這是一個(gè)獨(dú)特的賣點(diǎn)。

作為VirtualLab Fusion的開發(fā)者，我們認(rèn)為光線光學(xué)和物理光學(xué)并不是用戶必須選擇的兩種分離的建模技術(shù)。在我們的概念中，光線追跡形式的光線光學(xué)是物理光學(xué)建模的一個(gè)子集。而在VirtualLab Fusion中，這不僅僅是一種學(xué)術(shù)主張，而是我們通過物理光學(xué)和光線光學(xué)建模之間的無縫且可控的轉(zhuǎn)換，將其引入到現(xiàn)實(shí)生活中的經(jīng)驗(yàn)。

，無需多軟件切換，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)到納米級(jí)全尺度無縫仿真。

02/軟件強(qiáng)效助力光波導(dǎo)/超表面仿真 （軟件主界面）OAS光學(xué)軟件軟件能夠在3D空間中通過序列和非序列光線追跡技術(shù)，精確模擬光學(xué)系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。軟件集成幾何光學(xué)到波動(dòng)光學(xué)的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實(shí)現(xiàn)毫米級(jí)到納米級(jí)全尺度無縫仿真。

通過結(jié)合并行化算法與多核計(jì)算機(jī)，可以進(jìn)一步提高仿真速度。在VirtualLab Fusion中，大多數(shù)仿真算法支持并行處理，且能受益于多核計(jì)算機(jī)。接下來將展示VirtualLab Fusion的多核計(jì)算是如何顯著提高仿真速度。收集基本模擬任務(wù)光學(xué)建模和設(shè)計(jì)任務(wù)通常需要處理許多基本仿真任務(wù)。

Ansys 將 Rocky DEM 添加到組合中，擴(kuò)展和增強(qiáng)多物理場(chǎng)仿真以包括粒子動(dòng)力學(xué)石頭、糖果和藥片有什么共同點(diǎn)？首先，它們是離散的實(shí)體，其次，它們的動(dòng)態(tài)行為和相互作用是用 Rocky DEM 模擬的。想象一下，了解與設(shè)計(jì)工程機(jī)械系統(tǒng)所需的任何形狀的粒子運(yùn)動(dòng)相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量、運(yùn)營(yíng)效率和設(shè)備性能所需的復(fù)雜性。

此外，超透鏡本質(zhì)上是基于波動(dòng)光學(xué)的，但需要將它們整合到光線追蹤系統(tǒng)中。此工作流使用lumerical搭配OpticStudio的物理光學(xué)傳播（POP）工具可以評(píng)估的十分全面，然而從工作流的方法中也呈現(xiàn)出仿真所需的內(nèi)存隨著鏡頭尺寸變大而變大，大到超出目前內(nèi)存能力的程度，會(huì)限制仿真的超表面尺寸。在本文中，介紹了設(shè)計(jì)直徑為20毫米的大型超透鏡的工作流程。

系統(tǒng)集成：4f成像系統(tǒng)仍較復(fù)雜，未來可將透鏡功能集成到超表面中，實(shí)現(xiàn)全平面光學(xué)計(jì)算。制造工藝：納米結(jié)構(gòu)的加工精度和一致性需進(jìn)一步提升，以支持大規(guī)模應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)表示，這項(xiàng)技術(shù)有望在5-10年內(nèi)走向?qū)嵱没氏葢?yīng)用于高端顯微鏡和半導(dǎo)體制造設(shè)備。正如論文通訊作者陳立湘教授所言：“超表面正在重新定義光學(xué)的可能性，從計(jì)算到成像，我們才剛剛開始。”