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采用物理光学逆设计的混合元/折射透镜设计

Hybrid meta/refractive lens design with an inverse design using physical optics.

作者信息

Shih Ko-Han, Renshaw C Kyle

出版信息

Appl Opt. 2024 May 20;63(15):4032-4043. doi: 10.1364/AO.516890.

DOI:10.1364/AO.516890
PMID:38856495
Abstract

Hybrid lenses are created by combining metasurface optics with refractive optics, where refractive elements contribute optical power, while metasurfaces correct optical aberrations. We present an algorithm for optimizing metasurface nanostructures within a hybrid lens, allowing flexible interleaving of metasurface and refractive optics in the optical train. To efficiently optimize metasurface nanostructures, we develop a scalar field, ray-wave hybrid propagation method. This method facilitates the propagation of incident and derived adjoint fields through optical elements, enabling effective metasurface optimization within the framework of adjoint gradient optimization. Numerical examples of various lens configurations are presented to illustrate the versatility of the algorithm and showcase the benefits offered by the proposed approach, allowing metasurfaces to be positioned beyond the image space of a lens. Taking a F/2, 40° field-of-view, midwave infrared lens as an example, the lens exhibits an average focusing efficiency of 38% before the integration of metasurfaces. Utilizing the new algorithm to design two metasurfaces-one in the object space and one in the image space-results in significant enhancement of the average focusing efficiency to over 90%. In contrast, a counterpart design with both metasurfaces limited to the image space yields a lower average focusing efficiency of 73%.

摘要

混合透镜是通过将超表面光学与折射光学相结合而制成的,其中折射元件提供光焦度,而超表面校正光学像差。我们提出了一种用于优化混合透镜内超表面纳米结构的算法,允许在光学系统中灵活地交错排列超表面和折射光学元件。为了有效地优化超表面纳米结构,我们开发了一种标量场、光线 - 波混合传播方法。该方法有助于入射场和导出的伴随场通过光学元件传播,从而在伴随梯度优化框架内实现有效的超表面优化。给出了各种透镜配置的数值示例,以说明该算法的通用性,并展示所提出方法的优势,即允许将超表面放置在透镜的像空间之外。以一个F/2、40°视场的中波红外透镜为例,在集成超表面之前,该透镜的平均聚焦效率为38%。利用新算法设计两个超表面——一个在物空间,一个在像空间——可使平均聚焦效率显著提高到90%以上。相比之下,两个超表面都限于像空间的对应设计,其平均聚焦效率较低,为73%。

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