超透鏡技術(shù)的發(fā)展顯示了其在光學(xué)、成像和顯示系統(tǒng)方面的應(yīng)用前景。目前，通過在與IC芯片相同的半導(dǎo)體代工廠里制造生產(chǎn)，有望加速其應(yīng)用并降低成本。

圖1：Metalenz超光學(xué)芯片的掃描電子顯微鏡圖像

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

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，目前，第一個(gè)超透鏡應(yīng)用已成為現(xiàn)實(shí)，整個(gè)大批量生產(chǎn)的價(jià)值鏈體系即將成熟。這種平面透鏡技術(shù)正在徹底改變用于傳感和成像的光學(xué)器件。當(dāng)然，在超透鏡技術(shù)發(fā)揮其潛力之前，還需要克服一些挑戰(zhàn)。

超透鏡技術(shù)的發(fā)展

與傳統(tǒng)電子器件相比，光子器件在小型化和數(shù)據(jù)傳輸速度方面具有一些優(yōu)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(xué)技術(shù)仍然主要基于一種相對起源于中世紀(jì)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(jìn)行本質(zhì)上的改進(jìn)。直到最近，還沒有辦法大幅縮小光學(xué)相機(jī)、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡和其他光學(xué)設(shè)備中使用的鏡頭的尺寸。

2016年，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（Harvard University’s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的研究人員展示了首個(gè)在可見光范圍內(nèi)有效工作的超透鏡，覆蓋了從紅色到藍(lán)色的整個(gè)光譜。由Capasso領(lǐng)導(dǎo)的SEAS團(tuán)隊(duì)將波導(dǎo)稱為“納米鰭”，他們設(shè)計(jì)的超透鏡可以將光聚焦到一個(gè)直徑約400nm的點(diǎn)上。與傳統(tǒng)透鏡相比，Capasso的團(tuán)隊(duì)使用了一種薄而扁平的結(jié)構(gòu)，具有多個(gè)波導(dǎo)——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(tuán)隊(duì)開發(fā)的超透鏡是第一個(gè)可聚焦整個(gè)可見光光譜的透鏡，其光學(xué)性能優(yōu)于目前任何商用透鏡。具體來說，因?yàn)槌哥R是扁平（平面）、超薄的，所以不會(huì)產(chǎn)生色差。它們也是無色的，因?yàn)樗胁ㄩL的光線幾乎同時(shí)通過。

與玻璃或其他具有固定色散的傳統(tǒng)材料相比，超透鏡具有可調(diào)諧色散的額外優(yōu)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(xiàn)有的半導(dǎo)體代工廠大規(guī)模生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的大規(guī)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(xué)（University of Washington）聯(lián)合創(chuàng)辦的光學(xué)初創(chuàng)公司Tunoptix，他們旨在利用華盛頓大學(xué)的華盛頓納米制造設(shè)施（Washington Nanofabrication Facility）開發(fā)用于衛(wèi)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(jié)構(gòu)物理中心（Center for Integrated Nanostructure Physics，South Korea）的科學(xué)家與伯明翰大學(xué)（University of Birmingham）的研究人員共同合作開發(fā)了具有可調(diào)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(xué)器件可以成為先進(jìn)應(yīng)用的光學(xué)元件，例如振幅可調(diào)透鏡、激光器（如渦旋相位板）和動(dòng)態(tài)全息術(shù)。

其他研究人員專注于探索超透鏡設(shè)計(jì)的原理和不同類型的新型超透鏡（包括無標(biāo)記亞分辨率、非線性、人工智能輔助、多功能和可重構(gòu)超透鏡），以及如何消除聚焦像差，這是實(shí)現(xiàn)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(jī)尺寸的解決方案，空間板是一種光學(xué)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(xué)器件將縮小未來的成像系統(tǒng)，為超薄、無鏡頭相機(jī)和更大的傳感器提供應(yīng)用可能性。

目前超透鏡應(yīng)用

超光學(xué)元器件商業(yè)化的先驅(qū)者M(jìn)etalenz是一家總部位于美國波士頓（Boston）的無晶圓廠半導(dǎo)體光學(xué)公司。該公司于2016年從哈佛大學(xué)Capasso實(shí)驗(yàn)室分拆出來。如圖1、圖2和圖3所示，該公司的第一代產(chǎn)品、點(diǎn)陣投影儀和3D傳感成像組件，大大簡化了現(xiàn)有模塊的占位面積和復(fù)雜性。此外，作為一種完全平面的光學(xué)元件，Metalenz技術(shù)為在同一個(gè)半導(dǎo)體代工廠內(nèi)制造光學(xué)和半導(dǎo)體元器件鋪平了道路。該公司的第二代產(chǎn)品將在移動(dòng)設(shè)備的外形尺寸上實(shí)現(xiàn)全偏振傳感，解鎖從筆記本電腦和安卓設(shè)備的防欺騙人臉認(rèn)證到自主機(jī)器視覺的所有功能。

圖2：300mm晶圓（左）、單個(gè)1mm超光學(xué)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(fèi)電子、數(shù)據(jù)通信、汽車、工業(yè)傳感和加熱市場提供垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）和光電二極管解決方案的供應(yīng)商，現(xiàn)場演示了智能手機(jī)應(yīng)用照明功能，其目的是證明只需要兩個(gè)智能元件即可創(chuàng)建泛光照明和結(jié)構(gòu)光照明的功能：一個(gè)是具有穩(wěn)定、先進(jìn)線性偏振的通快VCSEL；另一個(gè)是在VCSEL上面集成的Metalenz超光學(xué)元件。

圖3：300mm晶圓上有多達(dá)5000個(gè)超光學(xué)元件

該演示成功證實(shí)，未來只需一半甚至更少的光學(xué)元件即可支持智能手機(jī)攝像頭的3D場景照明。這些優(yōu)勢，再加上元件之間空間的縮小，意味著智能手機(jī)制造商可以獲得技術(shù)競爭優(yōu)勢。正如TRUMPF Photonic Components首席執(zhí)行官Berthold Schmidt所指出的，隨著偏振VCSEL的開發(fā)，它們不僅可以滿足智能手機(jī)對3D照明應(yīng)用的需求，而且能滿足有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）屏幕以及虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR和AR）應(yīng)用對3D照明的需求。他們的下一代先進(jìn)偏振VCSEL計(jì)劃于2023年上市。

晶圓級(jí)衍射光學(xué)元件供應(yīng)商高意（II-VI）基于專有平臺(tái)開發(fā)了一種集成VCSEL和高效多功能超透鏡的系統(tǒng)，從而使超緊湊型光學(xué)傳感器能夠應(yīng)用于更廣泛的領(lǐng)域，如消費(fèi)電子、汽車、生命科學(xué)和工業(yè)控制。這些新型超透鏡在一個(gè)表面上實(shí)現(xiàn)了多種光學(xué)功能，在很寬的波長范圍內(nèi)具有極高的效率。在一種實(shí)施方式中，這種超透鏡將VCSEL發(fā)出的光準(zhǔn)直并分割成高度均勻的網(wǎng)格，該網(wǎng)格可以使數(shù)千個(gè)紅外光束投射到場景上。光學(xué)傳感器參考這些網(wǎng)格來精準(zhǔn)地構(gòu)建3D場景，超透鏡和VCSEL集成的系統(tǒng)為消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車應(yīng)用提供了差異化的超緊湊型3D傳感攝像頭。

另一家開創(chuàng)性的超透鏡公司是丹麥光學(xué)解決方案公司NIL Technology（NILT）。近二十年來，該公司一直在利用先進(jìn)的納米壓印光刻技術(shù)實(shí)現(xiàn)超透鏡的規(guī)?；慨a(chǎn)。與折射透鏡相比，NILT目前能夠通過超光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件的集成來構(gòu)建更薄、更平、更輕的解決方案。因此，光學(xué)應(yīng)用的尺寸和復(fù)雜性可以顯著降低。通過各種技術(shù)的集成，可以提高光學(xué)應(yīng)用的成像質(zhì)量和功能。

NILT在2021年展示的超光學(xué)元件（MOE）的絕對效率高達(dá)94%，創(chuàng)歷史新高。如今，他們正與主要原始設(shè)備制造商合作，在3D傳感、消費(fèi)電子和AR/VR/混合現(xiàn)實(shí)（MR）應(yīng)用領(lǐng)域開發(fā)眾多超光學(xué)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(tǒng)，開發(fā)了一種利用雙光子聚合（two-photon polymerization，TPP）技術(shù)制造超透鏡的開創(chuàng)性方法。MPO 100激光直接寫入系統(tǒng)可在單個(gè)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(shè)計(jì)提供了更大的自由空間。此外，光學(xué)聚合物的使用意味著這些應(yīng)用可以用作復(fù)制技術(shù)的功能結(jié)構(gòu)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(gè)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(zhàn)

成本是超透鏡制造的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诶迕准?jí)芯片上精確對準(zhǔn)納米級(jí)元件的難度很高。此外，超透鏡還面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗荒芟駛鹘y(tǒng)透鏡那樣高效地傳輸光，這是全彩色成像等應(yīng)用的一個(gè)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(zhì)量圖像。

為超透鏡開發(fā)數(shù)值建模軟件的比利時(shí)初創(chuàng)公司PlanOpSim的創(chuàng)始人Lieven Penninck表示，為了使超透鏡充分發(fā)揮作用，需要一個(gè)新的供應(yīng)鏈和生態(tài)系統(tǒng)將制造商、材料供應(yīng)商、設(shè)計(jì)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(zhuǎn)化為終端的切實(shí)改進(jìn)。

為此，PlanOpSim開發(fā)了一個(gè)集成軟件系統(tǒng)，涵蓋了從納米級(jí)超原子到數(shù)百萬個(gè)超原子元件的超表面設(shè)計(jì)過程，并連接到廣泛使用的射線追蹤工具以進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)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(jié)構(gòu)，并在元件和系統(tǒng)規(guī)模上應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕浦?，其中全波解過程非常耗時(shí)且占用內(nèi)存。

另一家為不同階段的超透鏡設(shè)計(jì)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(gè)晶胞，以確定理想的設(shè)計(jì)參數(shù)（例如層厚），并為不同的相位、傳輸和偏振響應(yīng)創(chuàng)建一個(gè)晶胞庫。通過最近更新的Zemax OpticStudio軟件，復(fù)雜系統(tǒng)中透鏡的目標(biāo)相位分布可以針對給定的應(yīng)用進(jìn)行優(yōu)化，這允許用戶從可用的晶胞設(shè)計(jì)超透鏡以實(shí)現(xiàn)所需的相位響應(yīng)，甚至可以將設(shè)計(jì)保存到全球分銷服務(wù)系統(tǒng)（global distribution service，GDS）。利用Lumerical FDTD模擬整個(gè)透鏡，以驗(yàn)證其是否按設(shè)計(jì)工作，并了解可能發(fā)生的任何不希望的散射。最后，通過透鏡傳播后的整個(gè)電磁場可以從FDTD導(dǎo)入到OpticStudio進(jìn)行后續(xù)優(yōu)化。

盡管還存在一些挑戰(zhàn)，但迄今為止，超透鏡技術(shù)所取得的進(jìn)展表明，它在光學(xué)、成像和顯示系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)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(dǎo)體代工廠內(nèi)生產(chǎn)，并且隨著大規(guī)模生產(chǎn)的出現(xiàn)，有可能以更低的單位成本進(jìn)行產(chǎn)能擴(kuò)張。這些優(yōu)勢，連同卓越的性能、更小的尺寸和重量，以及比傳統(tǒng)透鏡更強(qiáng)的功能和更高的效率，使超透鏡成為光學(xué)行業(yè)潛在的“游戲規(guī)則改變者”，并有機(jī)會(huì)徹底改變我們“看”世界的方式。

審核編輯 ：李倩