Inverse design enables large-scale high-performance meta-optics reshaping virtual reality

计算机科学 非周期图 光学 比例(比率) 解算器 虚拟现实 计算科学 物理 人工智能 数学 程序设计语言 量子力学 组合数学
作者
Zhaoyi Li,Raphaël Pestourie,Joon‐Suh Park,Yao‐Wei Huang,Steven G. Johnson,Federico Capasso
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:13 (1): 2409-2409 被引量:267
标识
DOI:10.1038/s41467-022-29973-3
摘要

Abstract Meta-optics has achieved major breakthroughs in the past decade; however, conventional forward design faces challenges as functionality complexity and device size scale up. Inverse design aims at optimizing meta-optics design but has been currently limited by expensive brute-force numerical solvers to small devices, which are also difficult to realize experimentally. Here, we present a general inverse-design framework for aperiodic large-scale (20k × 20k λ 2 ) complex meta-optics in three dimensions, which alleviates computational cost for both simulation and optimization via a fast approximate solver and an adjoint method, respectively. Our framework naturally accounts for fabrication constraints via a surrogate model. In experiments, we demonstrate aberration-corrected metalenses working in the visible with high numerical aperture, poly-chromatic focusing, and large diameter up to the centimeter scale. Such large-scale meta-optics opens a new paradigm for applications, and we demonstrate its potential for future virtual-reality platforms by using a meta-eyepiece and a laser back-illuminated micro-Liquid Crystal Display.
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