超透鏡技術的發展和應用

文章來源：ACT激光世界 原文作者：LFWC雜志

從對經典的反射和折射光學定律的修訂開始，人們就設想了超表面和超透鏡，以及如何利用這些器件創建納米級的平面透鏡，從而有可能徹底改變很多光學應用。

現在，第一款超透鏡的應用已經成為現實，整個大批量生產的價值鏈也即將實現。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，還有一些挑戰需要克服。

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。但是直到最近，透鏡的尺寸一直受到玻璃或塑料的材料屬性（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老式的工具，即玻璃透鏡，研究人員除了在成型和磨削方面努力以獲得更高的精度外，尚無法在其他方面對其進行改進。直到最近，人們還沒辦法大幅縮小用于相機、顯微鏡、望遠鏡和其他光學設備中的鏡頭的尺寸。

2016年，哈佛大學約翰·A·保爾森工程與應用科學學院（SEAS）的研究人員，展示了第一款能在可見光范圍內高效工作的超透鏡，覆蓋了從紅光到藍光的整個彩色波段。由Capasso領導的SEAS團隊將波導管稱為“納米鰭”（nanofins），他們設計的超透鏡可以將光聚焦到一個直徑約400nm的點上。與傳統的透鏡相比，SEAS團隊使用了一種單薄、扁平的結構，多個波導（像細柱）以特定圖案排列。

他們的超透鏡是第一款聚焦整個可見光波段的透鏡，其光學性能優于目前任何商用透鏡。具體來說，因為超透鏡是超薄的平面，所以它們不會產生像差。它們也是消色差的，因為所有波長的光幾乎同時通過。

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（即操縱光的顏色如何分散的能力）。但最重要的是，超透鏡可以在現有的CMOS半導體晶圓廠中大規模生產，從而實現光學系統的大規模晶圓級集成。

在過去的六年里，業界對超透鏡的研究一直沒有放緩。

為了實現微型化，科學家開發了具有可調功能的只有信用卡那么厚的平面透鏡。這些由石墨烯和一個被穿孔的金表面制成的光學器件，可以作為面向先進應用的光學元件，這些應用包括振幅可調透鏡、動態全息等。[1]

其他研究人員專注于超透鏡設計原理和不同類型的新型超透鏡（包括無標簽亞分辨率、非線性、人工智能輔助、多功能和可重構等），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。[2]

研究人員找到了一種能減小相機尺寸的解決方案：將超透鏡和“空間板”（spaceplates）結合起來?？臻g板是一種光學器件，可以有效地將光傳播到比其厚度長得多的距離。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可能性。

當前的超透鏡應用

點模式投影儀和用于3D傳感的成像器件，大大簡化了現有模塊的占地面積和復雜性。作為一種完全平面的光學元件，為光學器件在半導體晶圓制造鋪平了道路。

2022年1月，研發人員證明，創建泛光照明和結構光照明功能只需要兩個智能元器件：一個是VCSEL，具有穩定和先進的線性偏振；另一個是超透鏡，位于VCSEL的頂部。

該演示成功地證實，未來，支持智能手機攝像頭明亮的3D場景照明，只需要一半甚至更少的光學元件。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新的技術競爭優勢。隨著偏振VCSEL的發展，它們將能滿足智能手機、OLED屏以及虛擬現實和增強現實（VR和AR）應用對3D照明的嚴苛需求。

在一項應用中，II-VI的新型超透鏡將VCSEL發出的光進行準直和分光，投射到一個高度均勻的網格上，該網格由數千束個投影到場景上的紅外光束組成。光學傳感器參考這些網格來精確地構建3D場景；超透鏡和VCSEL系統的結合，為消費電子產品和汽車應用提供了差異化的超小型3D傳感攝像頭。

與折射透鏡相比，現在能夠結合元光學和衍射光學來構建更薄、更平、更輕的解決方案。因此，光學應用的尺寸和復雜性可以大大降低。通過結合各種技術，可以提高光學應用的成像質量和功能。

科學家利用雙光子聚合（TPP）技術，為超透鏡制造開發了一種開創性方法。該系統可在單個工藝步驟中，添加生成直徑小于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，并允許改變超原子的直徑和高度，從而為基于聚合物的超透鏡提供額外的設計自由度。圖4顯示了利用TPP技術制造的超透鏡，在630nm工作波長下的焦距為100μm。

利用雙光子聚合制造的聚合物超透鏡。單個超原子的直徑在100~450nm之間，高度在300~1000nm之間。在630nm下工作時，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極高，需要高昂的費用。此外，超透鏡制造還面臨著技術挑戰，因為它不能像傳統透鏡那樣高效地傳輸光線，對于全彩色成像等應用而言，這是一個重要缺陷。而且，超透鏡太小，所以無法捕捉大量光線，這意味著至少到目前為止，它們不適合產生高質量的照片。

盡管仍存在一些挑戰，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巨大的前景。新的超透鏡可以在與計算機芯片相同的制造廠中制造，隨著大規模生產的出現，成本也將大幅降低。這些優勢，再加上其優越的性能、更小的尺寸和重量，以及比傳統透鏡更強大的功能和效率，使超透鏡成為光學行業潛在的顛覆性產品，并有機會徹底改變我們看世界的方式。

審核編輯：湯梓紅