超透鏡技術的發展

超透鏡技術的發展顯示了其在光學、成像和顯示系統方面的應用前景。目前，通過在與IC芯片相同的半導體代工廠里制造生產，有望加速其應用并降低成本。

圖1：Metalenz超光學芯片的掃描電子顯微鏡圖像

美國哈佛大學（Harvard University）的Federico Capasso教授從對反射和折射的經典光學定律的“修訂”開始，繼而設想了超表面和超透鏡，以及如何利用這些元件制造納米級平面透鏡，從而可能徹底改變多種光學應用。

據麥姆斯咨詢報道，目前，第一個超透鏡應用已成為現實，整個大批量生產的價值鏈體系即將成熟。這種平面透鏡技術正在徹底改變用于傳感和成像的光學器件。當然，在超透鏡技術發揮其潛力之前，還需要克服一些挑戰。

超透鏡技術的發展

與傳統電子器件相比，光子器件在小型化和數據傳輸速度方面具有一些優勢。但一直以來，透鏡的尺寸都受到玻璃或塑料材料特性（折射率和色散）的限制。因此，目前的光學技術仍然主要基于一種相對起源于中世紀的工具，即玻璃透鏡，除了在成型和磨削方面獲得更高的精度外，研究人員還無法對其進行本質上的改進。直到最近，還沒有辦法大幅縮小光學相機、顯微鏡、望遠鏡和其他光學設備中使用的鏡頭的尺寸。

2016年，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（Harvard University’s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的研究人員展示了首個在可見光范圍內有效工作的超透鏡，覆蓋了從紅色到藍色的整個光譜。由Capasso領導的SEAS團隊將波導稱為“納米鰭”，他們設計的超透鏡可以將光聚焦到一個直徑約400nm的點上。與傳統透鏡相比，Capasso的團隊使用了一種薄而扁平的結構，具有多個波導——類似微小的柱子——由二氧化鈦（TiO2）制成的約600nm長的特定圖案排列而成。

Capasso的團隊開發的超透鏡是第一個可聚焦整個可見光光譜的透鏡，其光學性能優于目前任何商用透鏡。具體來說，因為超透鏡是扁平（平面）、超薄的，所以不會產生色差。它們也是無色的，因為所有波長的光線幾乎同時通過。

與玻璃或其他具有固定色散的傳統材料相比，超透鏡具有可調諧色散的額外優勢（即控制光的顏色如何分散的能力）。但也許最重要的是，超透鏡可以在現有的半導體代工廠大規模生產，從而實現光學系統的大規模并行晶圓集成。

在過去的六年里，超透鏡的研究熱度一直有增無減。例如由華盛頓大學（University of Washington）聯合創辦的光學初創公司Tunoptix，他們旨在利用華盛頓大學的華盛頓納米制造設施（Washington Nanofabrication Facility）開發用于衛星成像的超透鏡。

同樣，在追求小型化的過程中，韓國綜合納米結構物理中心（Center for Integrated Nanostructure Physics，South Korea）的科學家與伯明翰大學（University of Birmingham）的研究人員共同合作開發了具有可調諧特性的厚度接近“信用卡”的平面透鏡。這些由石墨烯和穿孔金表面制成的光學器件可以成為先進應用的光學元件，例如振幅可調透鏡、激光器（如渦旋相位板）和動態全息術。

其他研究人員專注于探索超透鏡設計的原理和不同類型的新型超透鏡（包括無標記亞分辨率、非線性、人工智能輔助、多功能和可重構超透鏡），以及如何消除聚焦像差，這是實現超透鏡物鏡和顯微鏡的必要條件。

還有研究人員找到了一種通過將超透鏡和“空間板（spaceplates）”集成來減小相機尺寸的解決方案，空間板是一種光學元件，可以有效地將光傳播到比板厚度長得多的距離。這種光學器件將縮小未來的成像系統，為超薄、無鏡頭相機和更大的傳感器提供應用可能性。

目前超透鏡應用

超光學元器件商業化的先驅者Metalenz是一家總部位于美國波士頓（Boston）的無晶圓廠半導體光學公司。該公司于2016年從哈佛大學Capasso實驗室分拆出來。如圖1、圖2和圖3所示，該公司的第一代產品、點陣投影儀和3D傳感成像組件，大大簡化了現有模塊的占位面積和復雜性。此外，作為一種完全平面的光學元件，Metalenz技術為在同一個半導體代工廠內制造光學和半導體元器件鋪平了道路。該公司的第二代產品將在移動設備的外形尺寸上實現全偏振傳感，解鎖從筆記本電腦和安卓設備的防欺騙人臉認證到自主機器視覺的所有功能。

圖2：300mm晶圓（左）、單個1mm超光學元件（中）及其表面上納米柱的放大圖（右）

2022年1月，Metalenz和通快光電器件（TRUMPF Photonic Components）——為消費電子、數據通信、汽車、工業傳感和加熱市場提供垂直腔面發射激光器（VCSEL）和光電二極管解決方案的供應商，現場演示了智能手機應用照明功能，其目的是證明只需要兩個智能元件即可創建泛光照明和結構光照明的功能：一個是具有穩定、先進線性偏振的通快VCSEL；另一個是在VCSEL上面集成的Metalenz超光學元件。

圖3：300mm晶圓上有多達5000個超光學元件

該演示成功證實，未來只需一半甚至更少的光學元件即可支持智能手機攝像頭的3D場景照明。這些優勢，再加上元件之間空間的縮小，意味著智能手機制造商可以獲得技術競爭優勢。正如TRUMPF Photonic Components首席執行官Berthold Schmidt所指出的，隨著偏振VCSEL的開發，它們不僅可以滿足智能手機對3D照明應用的需求，而且能滿足有機發光二極管（OLED）屏幕以及虛擬現實和增強現實（VR和AR）應用對3D照明的需求。他們的下一代先進偏振VCSEL計劃于2023年上市。

晶圓級衍射光學元件供應商高意（II-VI）基于專有平臺開發了一種集成VCSEL和高效多功能超透鏡的系統，從而使超緊湊型光學傳感器能夠應用于更廣泛的領域，如消費電子、汽車、生命科學和工業控制。這些新型超透鏡在一個表面上實現了多種光學功能，在很寬的波長范圍內具有極高的效率。在一種實施方式中，這種超透鏡將VCSEL發出的光準直并分割成高度均勻的網格，該網格可以使數千個紅外光束投射到場景上。光學傳感器參考這些網格來精準地構建3D場景，超透鏡和VCSEL集成的系統為消費電子產品和汽車應用提供了差異化的超緊湊型3D傳感攝像頭。

另一家開創性的超透鏡公司是丹麥光學解決方案公司NIL Technology（NILT）。近二十年來，該公司一直在利用先進的納米壓印光刻技術實現超透鏡的規?；慨a。與折射透鏡相比，NILT目前能夠通過超光學元件和衍射光學元件的集成來構建更薄、更平、更輕的解決方案。因此，光學應用的尺寸和復雜性可以顯著降低。通過各種技術的集成，可以提高光學應用的成像質量和功能。

NILT在2021年展示的超光學元件（MOE）的絕對效率高達94%，創歷史新高。如今，他們正與主要原始設備制造商合作，在3D傳感、消費電子和AR/VR/混合現實（MR）應用領域開發眾多超光學元件解決方案。

Heidelberg Instruments/Multiphoton Optics基于Multiphoton Optics的MPO 100激光直接寫入系統，開發了一種利用雙光子聚合（two-photon polymerization，TPP）技術制造超透鏡的開創性方法。MPO 100激光直接寫入系統可在單個工藝步驟中生成直徑小于100nm的超原子（meta-atoms）。由于其非線性吸收，TPP提供了低于衍射極限的特征尺寸，并能夠改變超原子的直徑和高度，從而為基于聚合物的超透鏡的設計提供了更大的自由空間。此外，光學聚合物的使用意味著這些應用可以用作復制技術的功能結構或母版。圖4顯示了在630nm工作波長下焦距為100μm的TPP制造的超透鏡。

圖4：Multiphoton Optics通過雙光子聚合制造的基于聚合物的超透鏡。1個超原子的直徑為100~450nm，高度為300~1000nm。在630nm工作波長下，超透鏡的焦距為100μm。

未來的挑戰

成本是超透鏡制造的一個主要挑戰，因為在厘米級芯片上精確對準納米級元件的難度很高。此外，超透鏡還面臨著技術挑戰，因為它不能像傳統透鏡那樣高效地傳輸光，這是全彩色成像等應用的一個重要缺陷。超透鏡也很小，無法捕捉大量光線，這意味著，至少在目前，它們不適合生成高質量圖像。

為超透鏡開發數值建模軟件的比利時初創公司PlanOpSim的創始人Lieven Penninck表示，為了使超透鏡充分發揮作用，需要一個新的供應鏈和生態系統將制造商、材料供應商、設計公司和集成商聚集在一起，以便更清楚地了解如何將超透鏡的潛力轉化為終端的切實改進。

為此，PlanOpSim開發了一個集成軟件系統，涵蓋了從納米級超原子到數百萬個超原子元件的超表面設計過程，并連接到廣泛使用的射線追蹤工具以進行系統優化。他們的多尺度模擬方法使用完整的麥克斯韋解來處理超原子的亞波長結構，并在元件和系統規模上應用適當的近似值，其中全波解過程非常耗時且占用內存。

另一家為不同階段的超透鏡設計提供軟件工具的公司是Ansys Lumerical。通過該公司的FDTD或RCWA軟件可以模擬超透鏡的每個晶胞，以確定理想的設計參數（例如層厚），并為不同的相位、傳輸和偏振響應創建一個晶胞庫。通過最近更新的Zemax OpticStudio軟件，復雜系統中透鏡的目標相位分布可以針對給定的應用進行優化，這允許用戶從可用的晶胞設計超透鏡以實現所需的相位響應，甚至可以將設計保存到全球分銷服務系統（global distribution service，GDS）。利用Lumerical FDTD模擬整個透鏡，以驗證其是否按設計工作，并了解可能發生的任何不希望的散射。最后，通過透鏡傳播后的整個電磁場可以從FDTD導入到OpticStudio進行后續優化。

盡管還存在一些挑戰，但迄今為止，超透鏡技術所取得的進展表明，它在光學、成像和顯示系統的持續發展方面具有很大的前景。新型超透鏡可以在與IC芯片相同的半導體代工廠內生產，并且隨著大規模生產的出現，有可能以更低的單位成本進行產能擴張。這些優勢，連同卓越的性能、更小的尺寸和重量，以及比傳統透鏡更強的功能和更高的效率，使超透鏡成為光學行業潛在的“游戲規則改變者”，并有機會徹底改變我們“看”世界的方式。

審核編輯 ：李倩