SEAS､アルゴリズムでメタレンズ設計を強化

May, 20, 2022, Cambridge--コンパクトで軽量なメタサーフェスは､ウエアラブルアプリケーションに有望な技術､特にVR/ARシステムにとって｡メタサーフェスは､光を集束､成形､制御するためにフラット面に特殊設計､パタン化されたナノ構造を利用する｡
　現在､研究チームは､所望のレンズ機能を達成するために面上に特殊なナノ構造パタンを苦労して設計している｡ナノスケールの特徴を分解､同時に複数の奥行き感知画像を生成する､あるいは偏光に関係なく光を集束するかどうかで研究者は苦労して設計している｡

メタレンズがARやVRシステムで商用利用されることになると､大幅に増やす必要がある､つまりナノピラーの数が数十億になる｡研究者は､どうすればそのような複雑なものを設計できるか｡そこで､AIが登場するのである｡

NatureCommunicationsに発表された最近の論文で､Harvard SEASとMITの研究チームは､自動的に設計を生成するマシンインテリジェンス技術を使い大規模メタサーフェス設計の新しい方法を説明している｡

｢この論文は､多くの実世界のデバイスに影響を与える基礎とデザインアプローチを築く｡われわれの方法は､新しいメタサーフェスデザインを可能にする｡それは､VR､AR､自動運転車､システムやサテライトに搭載されるマシンビジョンに影響を与える｣と論文のシニアオーサ､SEASのFederico Capassoは､コメントしている｡

これまで､研究者は､メタサーフェスの設計には､その分野での多年の知見と経験を必要としていた｡

｢われわれは､直感ベースの設計にガイドされていた｡これは物理学における人のトレーニングに強く依存しており､同時に考慮できるパラメタの数が限られていた､人間のワーキングメモリの容量が限られているからである｣とハーバードJohn A. Paulson 工学･応用化学部(SEAS)の研究助手､論文の共著者､Zhaoyi Liは話している｡

その限界を克服するために､チームはコンピュータプログラムに､メタサーフェス設計の物理学を教えた｡そのプログラムは､物理学の基礎を利用して､自動的にメタサーフェス設計を生成する､数百万から数十億のパラメタを同時に設計する｡

これは､逆設計プロセスである｡研究者は､色収差を補正できるレンズなど､所望のメタレンズ機能から出発する｡するとプログラムは､そのコンピュータアルゴリズムを使って､その目標を達成するためにベストの設計形状を見つけ出す｡

｢コンピュータに決定させることは､本質的に怖いが､われわれは､プログラムが羅針盤として動作することを実証した｡最適設計への道を指し示すのである｣とMITのポスドク助手､論文の共著者､Raphaël Pestourieは､話している｡｢さらに､デザインプロセス全体は､シングルCPUラップトップを使って1日かからない｡以前のアプローチは､可視光スペクトルで機能する1㎝径の単一メタサーフェスをシミュレートするのに数ヶ月かかる｣｡

｢これは､ナノ構造フォトニックデバイスの逆設計のスケールを桁違いに高め､直径で､以前の数百と比較して生成する波長は数十万になり､コンピュータの発見に新たなクラスのアプリケーションを開く｣とMITの応用数学､物理学教授､Steven G. Johnsonは､コメントしている｡同氏は､論文の共同責任著者｡

新しいアプローチに基づいて研究チームは､センチメートルスケール､偏光無依存､RGB無彩色メタ･アイピースをVRプラットフォーム向けに設計､製造する｡

｢われわれが提案したVRプラットフォームは､メタ･アイピース､レーザ裏面照射micro-LCDをベースにしている｡これは､多くの魅力的機能特性を提供する｡コンパクト､軽量､高解像度､広い色域などである｡われわれは､フラットオプティクス形状､メタサーフェスが､VRの未来を作り替える新たな道を開くと考えている｣とLiは話している｡
(詳細は､https://www.seas.harvard.edu)