超透鏡（超表面）越來(lái)越被視為提高系統(tǒng)性能、同時(shí)減小復(fù)雜成像和照明設(shè)備中的系統(tǒng)尺寸和重量的可行解決方案。這是因?yàn)橥ǔ？梢允褂脝蝹€(gè)元透鏡來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的性能，否則需要在設(shè)備內(nèi)使用多個(gè)“傳統(tǒng)”光學(xué)組件。

然而，設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)要求并大規(guī)模制造的超鏡頭仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。部分原因是超透鏡的直徑范圍可以從數(shù)百微米（當(dāng)它們部署在圖像傳感器和內(nèi)窺鏡等緊湊型設(shè)備中時(shí)）到厘米（或更大）（當(dāng)它們被用于替換系統(tǒng)中較厚的折射組件時(shí)，例如手機(jī)攝像頭或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) (AR) 耳機(jī)。實(shí)用穩(wěn)定的超透鏡設(shè)計(jì)需要多尺度、多物理場(chǎng)仿真，以準(zhǔn)確評(píng)估大孔徑范圍內(nèi)的透鏡性能以及大型光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部超透鏡的性能。 

什么是超透鏡？

超透鏡在電介質(zhì)表面上采用亞波長(zhǎng)“元原子”圖案來(lái)調(diào)控入射光。具體來(lái)說(shuō)，超原子圖案改變了入射光束的相位分布，導(dǎo)致光束彎曲（重定向）。元原子是微小的納米級(jí)結(jié)構(gòu)，具有不同的形狀和尺寸，其在透鏡上的位置可以是任意的，旨在控制光的相互作用。雖然超透鏡中的“透鏡”意味著這些組件像傳統(tǒng)透鏡一樣用于聚焦光，但該術(shù)語(yǔ)已被業(yè)界采用，以涵蓋相位操作提供的廣泛功能。為了實(shí)現(xiàn)這種相位調(diào)控，超透鏡需要元原子的折射率與周?chē)牧系恼凵渎手g存在很大差異。用于超透鏡的材料取決于感興趣的應(yīng)用的目標(biāo)波長(zhǎng)范圍，其中材料吸收最小并且制造技術(shù)可以滿足特征尺寸要求。例如，硅通常被考慮用于激光雷達(dá)傳感器等近紅外 (IR) 應(yīng)用，而二氧化鈦、氮化鎵和氮化硅則被考慮用于可見(jiàn)波長(zhǎng)范圍內(nèi)的相機(jī)應(yīng)用。

超透鏡是如何制造的？

制造方法將決定可用于超透鏡設(shè)計(jì)的可能元原子圖案。目前的制造方法包括：

• 電子束光刻技術(shù)采用聚焦電子束在基板上創(chuàng)建納米級(jí)圖案，在納米加工領(lǐng)域提供卓越的精度和多功能性。該方法主要用于研究應(yīng)用，因?yàn)樗贿m合超鏡頭的大規(guī)模生產(chǎn)。

• DUV 光刻，利用深紫外 (DUV) 光將復(fù)雜的圖案轉(zhuǎn)移到感光材料上。這使其成為半導(dǎo)體制造中高分辨率圖案化的關(guān)鍵技術(shù)。

• 納米壓印光刻，涉及將具有預(yù)定納米結(jié)構(gòu)的模具壓到基板上。這為高精度復(fù)制納米級(jí)圖案提供了一種經(jīng)濟(jì)有效且可擴(kuò)展的方法。

所有上述方法都支持表面 XY 平面中元原子圖案的靈活定義，但它們支持 Z 方向變化的能力有限。因此，當(dāng)前許多超透鏡設(shè)計(jì)都是基于二元形狀，其中元原子圖案在 Z 軸上是均勻的，但在 XY 平面上是任意的。制造方法也會(huì)影響超鏡頭材料的選擇。例如，光刻制造適合使用硅或已經(jīng)在半導(dǎo)體制造中頻繁使用的其他材料。納米壓印光刻還使用不同類型的紫外線或熱固化環(huán)氧樹(shù)脂?？偠灾哥R對(duì)低成本大規(guī)模制造提出了挑戰(zhàn)，因?yàn)樗鼈兘Y(jié)合了小特征尺寸（用于相位調(diào)控）和大占地面積（用于數(shù)值孔徑/光束尺寸）。我們?nèi)蕴幱诔哥R制造的早期階段，因此尚不清楚某些材料系統(tǒng)或制造工藝是否能夠提供半導(dǎo)體和光子集成電路（PIC）行業(yè)所享有的規(guī)模經(jīng)濟(jì)。然而，在某些應(yīng)用領(lǐng)域，使用薄超透鏡相對(duì)于傳統(tǒng)光學(xué)器件的好處可能超過(guò)其成本，特別是與醫(yī)療內(nèi)窺鏡等復(fù)雜技術(shù)的系統(tǒng)成本相比。

超透鏡有什么好處？

超透鏡是一種扁平、輕質(zhì)的選擇，可以取代笨重的傳統(tǒng)透鏡和光學(xué)系統(tǒng)中的其他組件。單個(gè)薄超透鏡可以將多個(gè)光學(xué)組件的功能結(jié)合到一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)中，例如，取代傳統(tǒng)點(diǎn)投影儀中使用的掩模和透鏡系統(tǒng)。超透鏡還可用于實(shí)現(xiàn)偏振操縱和分裂等附加功能。事實(shí)上，偏振被用來(lái)結(jié)合點(diǎn)投影儀和漫射器等源的功能，以在 AR 和計(jì)算攝影等應(yīng)用中實(shí)現(xiàn) 3D 傳感。

超透鏡有哪些應(yīng)用？

超透鏡可用于任何需要減小系統(tǒng)中光學(xué)器件的尺寸和重量的情況。其中包括用于自動(dòng)駕駛車(chē)輛 3D 傳感的激光雷達(dá)和面部識(shí)別系統(tǒng)；醫(yī)療設(shè)備，例如內(nèi)窺鏡和顯微鏡；監(jiān)控系統(tǒng)，例如紅外和機(jī)器視覺(jué)攝像機(jī)；顯示和成像系統(tǒng)，例如手機(jī)攝像頭、CMOS 圖像傳感器和 AR/VR 耳機(jī)；激光全息等。

超透鏡技術(shù)的未來(lái)

在芯片制造行業(yè)，設(shè)計(jì)人員在特定制造工藝中用于創(chuàng)建集成電路的基本工具、庫(kù)和數(shù)據(jù)的集合被整合到通常稱為工藝設(shè)計(jì)套件 (PDK) 中。隨著超透鏡制造的不斷成熟，我們預(yù)計(jì) PDK 將會(huì)出現(xiàn)，就像我們?cè)诎雽?dǎo)體和 PIC 行業(yè)中看到的那樣。PDK 允許超透鏡設(shè)計(jì)人員使用代工廠提供的專有且經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的元原子結(jié)構(gòu)，使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)⒆⒁饬性趹?yīng)用上，而不是亞波長(zhǎng)設(shè)計(jì)上。因此，代工廠在超透鏡生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，其中還包括超透鏡制造公司和無(wú)晶圓廠設(shè)計(jì)公司。這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的合作伙伴關(guān)系將非常重要，因?yàn)樵O(shè)計(jì)師開(kāi)始尋找元原子庫(kù)，以便他們可以輕松地使用它們來(lái)設(shè)計(jì)復(fù)雜的超透鏡。

通過(guò)這種方式，PDK 代表了超透鏡設(shè)計(jì)的“黑匣子”構(gòu)建塊。然而，它們需要配備設(shè)計(jì)和仿真工具，通過(guò)良率分析和公差探索可制造性。由于每次制造運(yùn)行在金錢(qián)和時(shí)間方面都成本高昂，因此這些類型的分析對(duì)于通過(guò)開(kāi)發(fā)足夠穩(wěn)健的設(shè)計(jì)來(lái)減少運(yùn)行次數(shù)至關(guān)重要。

仿真在超透鏡設(shè)計(jì)中的作用

超透鏡是復(fù)雜的光學(xué)組件，如果不進(jìn)行仿真就無(wú)法評(píng)估其對(duì)系統(tǒng)性能的影響。仿真通過(guò)支持設(shè)計(jì)優(yōu)化、公差和良率分析來(lái)實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)決策。但是，有效模擬包含納米級(jí)元原子的厘米級(jí)超透鏡，以及隨后在尺寸可能為數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千厘米的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)模擬該超透鏡，絕非易事。仿真工具需要快速、準(zhǔn)確和穩(wěn)健，并且本質(zhì)上是多尺度和多物理場(chǎng)。

在超透鏡中，元原子的尺寸和形狀隨著聚焦入射到透鏡上的光的位置而平滑變化。這種平滑的變化允許使用嚴(yán)格耦合波分析 (RCWA) 等高效算法來(lái)模擬超鏡頭。然后，超透鏡 RCWA 建模的結(jié)果可以直接在工具內(nèi)部使用，使用傅里葉傳播或幾何光線追蹤來(lái)模擬整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)。

將元透鏡模型集成到完整的系統(tǒng)仿真中對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程至關(guān)重要。只有這樣做，設(shè)計(jì)人員才能了解超透鏡如何在系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)揮作用，以及該組件是否能讓系統(tǒng)在所需的尺寸和重量?jī)?nèi)實(shí)現(xiàn)所需的性能。隨著超透鏡集成到整個(gè)系統(tǒng)中，模擬機(jī)械應(yīng)力和熱載荷對(duì)超透鏡和整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)性能的影響也變得越來(lái)越重要。

超透鏡增強(qiáng)光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作流程遵循幾個(gè)步驟，這些步驟由Ansys Optics工具之間的簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)交換接口支持。閱讀小規(guī)模和大規(guī)模超透鏡的工作流程的詳細(xì)信息以了解更多信息。請(qǐng)注意，對(duì)于大規(guī)模超透鏡，系統(tǒng)可能包含數(shù)百億個(gè)元原子，因此工作流程的關(guān)鍵部分是將超透鏡結(jié)構(gòu)有效導(dǎo)出為 GDS 格式以進(jìn)行制造。

超透鏡代表了先進(jìn)的創(chuàng)新技術(shù)，有潛力改變各種應(yīng)用和行業(yè)的光學(xué)設(shè)計(jì)。它們的設(shè)計(jì)和制造既復(fù)雜又具有挑戰(zhàn)性。更具挑戰(zhàn)性的是了解超鏡頭在其所支持的光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的表現(xiàn)。隨著制造方法的發(fā)展，仿真需要跟上步伐。因此，強(qiáng)大的多尺度和多物理場(chǎng)仿真架構(gòu)對(duì)于當(dāng)前和未來(lái)超透鏡的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。