簡述什么是超透鏡及其工作原理

超透鏡（超表面）越來越被視為提高系統性能、同時減小復雜成像和照明設備中的系統尺寸和重量的可行解決方案。這是因為通常可以使用單個元透鏡來實現相同的性能，否則需要在設備內使用多個“傳統”光學組件。

然而，設計能夠滿足系統要求并大規模制造的超鏡頭仍然是一個重大挑戰。部分原因是超透鏡的直徑范圍可以從數百微米（當它們部署在圖像傳感器和內窺鏡等緊湊型設備中時）到厘米（或更大）（當它們被用于替換系統中較厚的折射組件時，例如手機攝像頭或增強現實 (AR) 耳機。實用穩定的超透鏡設計需要多尺度、多物理場仿真，以準確評估大孔徑范圍內的透鏡性能以及大型光學系統內部超透鏡的性能。 

什么是超透鏡？

超透鏡在電介質表面上采用亞波長“元原子”圖案來調控入射光。具體來說，超原子圖案改變了入射光束的相位分布，導致光束彎曲（重定向）。元原子是微小的納米級結構，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透鏡一樣用于聚焦光，但該術語已被業界采用，以涵蓋相位操作提供的廣泛功能。為了實現這種相位調控，超透鏡需要元原子的折射率與周圍材料的折射率之間存在很大差異。用于超透鏡的材料取決于感興趣的應用的目標波長范圍，其中材料吸收最小并且制造技術可以滿足特征尺寸要求。例如，硅通常被考慮用于激光雷達傳感器等近紅外 (IR) 應用，而二氧化鈦、氮化鎵和氮化硅則被考慮用于可見波長范圍內的相機應用。

超透鏡是如何制造的？

制造方法將決定可用于超透鏡設計的可能元原子圖案。目前的制造方法包括：

• 電子束光刻技術采用聚焦電子束在基板上創建納米級圖案，在納米加工領域提供卓越的精度和多功能性。該方法主要用于研究應用，因為它不適合超鏡頭的大規模生產。

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

• 納米壓印光刻，涉及將具有預定納米結構的模具壓到基板上。這為高精度復制納米級圖案提供了一種經濟有效且可擴展的方法。

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，當前許多超透鏡設計都是基于二元形狀，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。制造方法也會影響超鏡頭材料的選擇。例如，光刻制造適合使用硅或已經在半導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氧樹脂。總而言之，超透鏡對低成本大規模制造提出了挑戰，因為它們結合了小特征尺寸（用于相位調控）和大占地面積（用于數值孔徑/光束尺寸）。我們仍處于超透鏡制造的早期階段，因此尚不清楚某些材料系統或制造工藝是否能夠提供半導體和光子集成電路（PIC）行業所享有的規模經濟。然而，在某些應用領域，使用薄超透鏡相對于傳統光學器件的好處可能超過其成本，特別是與醫療內窺鏡等復雜技術的系統成本相比。

超透鏡有什么好處？

超透鏡是一種扁平、輕質的選擇，可以取代笨重的傳統透鏡和光學系統中的其他組件。單個薄超透鏡可以將多個光學組件的功能結合到一個復雜的系統中，例如，取代傳統點投影儀中使用的掩模和透鏡系統。超透鏡還可用于實現偏振操縱和分裂等附加功能。事實上，偏振被用來結合點投影儀和漫射器等源的功能，以在 AR 和計算攝影等應用中實現 3D 傳感。

超透鏡有哪些應用？

超透鏡可用于任何需要減小系統中光學器件的尺寸和重量的情況。其中包括用于自動駕駛車輛 3D 傳感的激光雷達和面部識別系統；醫療設備，例如內窺鏡和顯微鏡；監控系統，例如紅外和機器視覺攝像機；顯示和成像系統，例如手機攝像頭、CMOS 圖像傳感器和 AR/VR 耳機；激光全息等。

超透鏡技術的未來

在芯片制造行業，設計人員在特定制造工藝中用于創建集成電路的基本工具、庫和數據的集合被整合到通常稱為工藝設計套件 (PDK) 中。隨著超透鏡制造的不斷成熟，我們預計 PDK 將會出現，就像我們在半導體和 PIC 行業中看到的那樣。PDK 允許超透鏡設計人員使用代工廠提供的專有且經過驗證的元原子結構，使設計人員能夠將注意力集中在應用上，而不是亞波長設計上。因此，代工廠在超透鏡生態系統中發揮著重要作用，其中還包括超透鏡制造公司和無晶圓廠設計公司。這個生態系統內的合作伙伴關系將非常重要，因為設計師開始尋找元原子庫，以便他們可以輕松地使用它們來設計復雜的超透鏡。

通過這種方式，PDK 代表了超透鏡設計的“黑匣子”構建塊。然而，它們需要配備設計和仿真工具，通過良率分析和公差探索可制造性。由于每次制造運行在金錢和時間方面都成本高昂，因此這些類型的分析對于通過開發足夠穩健的設計來減少運行次數至關重要。

仿真在超透鏡設計中的作用

超透鏡是復雜的光學組件，如果不進行仿真就無法評估其對系統性能的影響。仿真通過支持設計優化、公差和良率分析來實現快速設計決策。但是，有效模擬包含納米級元原子的厘米級超透鏡，以及隨后在尺寸可能為數十、數百或數千厘米的光學系統內模擬該超透鏡，絕非易事。仿真工具需要快速、準確和穩健，并且本質上是多尺度和多物理場。

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格耦合波分析 (RCWA) 等高效算法來模擬超鏡頭。然后，超透鏡 RCWA 建模的結果可以直接在工具內部使用，使用傅里葉傳播或幾何光線追蹤來模擬整個光學系統。

將元透鏡模型集成到完整的系統仿真中對于設計過程至關重要。只有這樣做，設計人員才能了解超透鏡如何在系統內部發揮作用，以及該組件是否能讓系統在所需的尺寸和重量內實現所需的性能。隨著超透鏡集成到整個系統中，模擬機械應力和熱載荷對超透鏡和整個光學系統性能的影響也變得越來越重要。

超透鏡增強光學系統的設計工作流程遵循幾個步驟，這些步驟由Ansys Optics工具之間的簡化數據交換接口支持。閱讀小規模和大規模超透鏡的工作流程的詳細信息以了解更多信息。請注意，對于大規模超透鏡，系統可能包含數百億個元原子，因此工作流程的關鍵部分是將超透鏡結構有效導出為 GDS 格式以進行制造。

超透鏡代表了先進的創新技術，有潛力改變各種應用和行業的光學設計。它們的設計和制造既復雜又具有挑戰性。更具挑戰性的是了解超鏡頭在其所支持的光學系統內部的表現。隨著制造方法的發展，仿真需要跟上步伐。因此，強大的多尺度和多物理場仿真架構對于當前和未來超透鏡的設計至關重要。