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光學模擬與應用案例

超穎透鏡(Meta-lens)設計

透鏡的應用在我們日常生活中無處不在,大至天文望遠鏡,小至手機相機,從傳統的單眼相機到近年火熱的 AR/VR 系統,都少不了透鏡。但近年來的設計越來越講求輕薄短小,如何縮短透鏡的厚度與如何減少透鏡的重量變成一個重要的課題。
 
超穎透鏡(Meta-lens )正是實現輕薄短小透鏡的方法之一,利用微小結構的排佈與光的波動特性,我們可以製造出如平板的輕薄透鏡。在傳統的模擬方法中,我們使用 FDTD(RSoft FullWAVE)演算法來計算超穎透鏡的效果,但 FDTD 不但耗時又需求相當大量的記憶體,往往直徑 20 µm 大小的超穎透鏡就需要費盡電腦資源來計算,使更大尺寸超穎透鏡之 FDTD 模擬變的不切實際。近期,Synopsys RSoft 團隊研究了如何使用 BPM(RSoft BeamPROP)演算法與 RCWA(RSoft DiffractMOD)演算法來計算超穎透鏡,大量減少了計算時間與需要的記憶體資源,使 Meta-lens 的設計更有可能性。
 

 

下圖為 FDTD 演算法和 BPM 演算法計算直徑 20 µm 的超穎透鏡之比較圖:
 

 

記憶體

計算時間

焦距(理論設計 17.3 µm

FDTD (RSoft FullWAVE)

55 G

130 分鐘

17.14 µm

BPM (RSoft BeamPROP)

0.19 G

1.5 分鐘

16.96 µm

 

BPM 分析結果

FDTD 分析結果

我們也使用 BPM 演算法來測試較大尺寸的 Meta-lens,以下是模擬直徑 100 µm、理論焦距 200 µm 的 Meta-lens 之結果。在這麼大的直徑之下,因為較難使用 FDTD 演算法來驗證,因此我們也使用 CODE V 的 BSP 演算法來驗證 BPM 演算法之結果,結果如下圖:

 

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