超透鏡技術(shù)的發(fā)展

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(guò)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(guó)哈佛大學(xué)（Harvard University）的Federico Capasso教授從對(duì)反射和折射的經(jīng)典光學(xué)定律的“修訂”開(kāi)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(shì)。但一直以來(lái)，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(duì)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(wú)法對(duì)其進(jìn)行本質(zhì)上的改進(jìn)。直到最近，還沒(méi)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(jiàn)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?cè)O(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(zhǎng)的特定圖案排列而成。

Capasso的團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的超透鏡是第一個(gè)可聚焦整個(gè)可見(jiàn)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(lái)說(shuō)，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(wú)色的，因?yàn)樗胁ㄩL(zhǎng)的光線幾乎同時(shí)通過(guò)。

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(shì)（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(guò)去的六年里，超透鏡的研究熱度一直有增無(wú)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(kāi)發(fā)用于衛(wèi)星成像的超透鏡。

同樣，在追求小型化的過(guò)程中，韓國(guó)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(kāi)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(wú)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(guò)將超透鏡和“空間板（spaceplates）”集成來(lái)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(zhǎng)得多的距離。這種光學(xué)器件將縮小未來(lái)的成像系統(tǒng)，為超薄、無(wú)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(guó)波士頓（Boston）的無(wú)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(lái)。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(jiǎn)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(jué)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(chē)、工業(yè)傳感和加熱市場(chǎng)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(chǎng)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(lái)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(chǎng)景照明。這些優(yōu)勢(shì)，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(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。正如TRUMPF Photonic Components首席執(zhí)行官Berthold Schmidt所指出的，隨著偏振VCSEL的開(kāi)發(fā)，它們不僅可以滿足智能手機(jī)對(duì)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(duì)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(kāi)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(chē)、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(zhǎng)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(chǎng)景上。光學(xué)傳感器參考這些網(wǎng)格來(lái)精準(zhǔn)地構(gòu)建3D場(chǎng)景，超透鏡和VCSEL集成的系統(tǒng)為消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車(chē)應(yīng)用提供了差異化的超緊湊型3D傳感攝像頭。

另一家開(kāi)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(lái)，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)模化量產(chǎn)。與折射透鏡相比，NILT目前能夠通過(guò)超光學(xué)元件和衍射光學(xué)元件的集成來(lái)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(guò)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(duì)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(kāi)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(xiě)入系統(tǒng)，開(kāi)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(kāi)創(chuàng)性方法。MPO 100激光直接寫(xiě)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(zhǎng)下焦距為100μm的TPP制造的超透鏡。

圖4：Multiphoton Optics通過(guò)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(zhǎng)下，超透鏡的焦距為100μm。

未來(lái)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(duì)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(wú)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(kāi)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(kāi)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(wàn)個(gè)超原子元件的超表面設(shè)計(jì)過(guò)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(lái)處理超原子的亞波長(zhǎng)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(guò)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(guò)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(kù)。通過(guò)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(duì)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(guò)透鏡傳播后的整個(gè)電磁場(chǎng)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(shì)，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