超透镜变革进行时：有望彻底改变传统光学应用
2022-05-08 11:27:57   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

超透镜技术的发展显示了其在光学、成像和显示系统方面的应用前景。目前，通过在与IC芯片相同的半导体代工厂里制造生产，有望加速其应用并降低成本。

图1：Metalenz超光学芯片的扫描电子显微镜图像

美国哈佛大学（Harvard University）的Federico Capasso教授从对反射和折射的经典光学定律的“修订”开始，继而设想了超表面和超透镜，以及如何利用这些元件制造纳米级平面透镜，从而可能彻底改变多种光学应用。

据麦姆斯咨询报道，目前，第一个超透镜应用已成为现实，整个大批量生产的价值链体系即将成熟。这种平面透镜技术正在彻底改变用于传感和成像的光学器件。当然，在超透镜技术发挥其潜力之前，还需要克服一些挑战。

超透镜技术的发展

与传统电子器件相比，光子器件在小型化和数据传输速度方面具有一些优势。但一直以来，透镜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，目前的光学技术仍然主要基于一种相对起源于中世纪的工具，即玻璃透镜，除了在成型和磨削方面获得更高的精度外，研究人员还无法对其进行本质上的改进。直到最近，还没有办法大幅缩小光学相机、显微镜、望远镜和其他光学设备中使用的镜头的尺寸。

2016年，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（Harvard University’s John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences，SEAS）的研究人员展示了首个在可见光范围内有效工作的超透镜，覆盖了从红色到蓝色的整个光谱。由Capasso领导的SEAS团队将波导称为“纳米鳍”，他们设计的超透镜可以将光聚焦到一个直径约400nm的点上。与传统透镜相比，Capasso的团队使用了一种薄而扁平的结构，具有多个波导——类似微小的柱子——由二氧化钛（TiO₂）制成的约600nm长的特定图案排列而成。

Capasso的团队开发的超透镜是第一个可聚焦整个可见光光谱的透镜，其光学性能优于目前任何商用透镜。具体来说，因为超透镜是扁平（平面）、超薄的，所以不会产生色差。它们也是无色的，因为所有波长的光线几乎同时通过。

与玻璃或其他具有固定色散的传统材料相比，超透镜具有可调谐色散的额外优势（即控制光的颜色如何分散的能力）。但也许最重要的是，超透镜可以在现有的半导体代工厂大规模生产，从而实现光学系统的大规模并行晶圆集成。

在过去的六年里，超透镜的研究热度一直有增无减。例如由华盛顿大学（University of Washington）联合创办的光学初创公司Tunoptix，他们旨在利用华盛顿大学的华盛顿纳米制造设施（Washington Nanofabrication Facility）开发用于卫星成像的超透镜。

同样，在追求小型化的过程中，韩国综合纳米结构物理中心（Center for Integrated Nanostructure Physics，South Korea）的科学家与伯明翰大学（University of Birmingham）的研究人员共同合作开发了具有可调谐特性的厚度接近“信用卡”的平面透镜。这些由石墨烯和穿孔金表面制成的光学器件可以成为先进应用的光学元件，例如振幅可调透镜、激光器（如涡旋相位板）和动态全息术。

其他研究人员专注于探索超透镜设计的原理和不同类型的新型超透镜（包括无标记亚分辨率、非线性、人工智能辅助、多功能和可重构超透镜），以及如何消除聚焦像差，这是实现超透镜物镜和显微镜的必要条件。

还有研究人员找到了一种通过将超透镜和“空间板（spaceplates）”集成来减小相机尺寸的解决方案，空间板是一种光学元件，可以有效地将光传播到比板厚度长得多的距离。这种光学器件将缩小未来的成像系统，为超薄、无镜头相机和更大的传感器提供应用可能性。

目前超透镜应用

超光学元器件商业化的先驱者Metalenz是一家总部位于美国波士顿（Boston）的无晶圆厂半导体光学公司。该公司于2016年从哈佛大学Capasso实验室分拆出来。如图1、图2和图3所示，该公司的第一代产品、点阵投影仪和3D传感成像组件，大大简化了现有模块的占位面积和复杂性。此外，作为一种完全平面的光学元件，Metalenz技术为在同一个半导体代工厂内制造光学和半导体元器件铺平了道路。该公司的第二代产品将在移动设备的外形尺寸上实现全偏振传感，解锁从笔记本电脑和安卓设备的防欺骗人脸认证到自主机器视觉的所有功能。

图2：300mm晶圆（左）、单个1mm超光学元件（中）及其表面上纳米柱的放大图（右）

2022年1月，Metalenz和通快光电器件（TRUMPF Photonic Components）——为消费电子、数据通信、汽车、工业传感和加热市场提供垂直腔面发射激光器（VCSEL）和光电二极管解决方案的供应商，现场演示了智能手机应用照明功能，其目的是证明只需要两个智能元件即可创建泛光照明和结构光照明的功能：一个是具有稳定、先进线性偏振的通快VCSEL；另一个是在VCSEL上面集成的Metalenz超光学元件。

图3：300mm晶圆上有多达5000个超光学元件

该演示成功证实，未来只需一半甚至更少的光学元件即可支持智能手机摄像头的3D场景照明。这些优势，再加上元件之间空间的缩小，意味着智能手机制造商可以获得技术竞争优势。正如TRUMPF Photonic Components首席执行官Berthold Schmidt所指出的，随着偏振VCSEL的开发，它们不仅可以满足智能手机对3D照明应用的需求，而且能满足有机发光二极管（OLED）屏幕以及虚拟现实和增强现实（VR和AR）应用对3D照明的需求。他们的下一代先进偏振VCSEL计划于2023年上市。

晶圆级衍射光学元件供应商高意（II-VI）基于专有平台开发了一种集成VCSEL和高效多功能超透镜的系统，从而使超紧凑型光学传感器能够应用于更广泛的领域，如消费电子、汽车、生命科学和工业控制。这些新型超透镜在一个表面上实现了多种光学功能，在很宽的波长范围内具有极高的效率。在一种实施方式中，这种超透镜将VCSEL发出的光准直并分割成高度均匀的网格，该网格可以使数千个红外光束投射到场景上。光学传感器参考这些网格来精准地构建3D场景，超透镜和VCSEL集成的系统为消费电子产品和汽车应用提供了差异化的超紧凑型3D传感摄像头。

另一家开创性的超透镜公司是丹麦光学解决方案公司NIL Technology（NILT）。近二十年来，该公司一直在利用先进的纳米压印光刻技术实现超透镜的规模化量产。与折射透镜相比，NILT目前能够通过超光学元件和衍射光学元件的集成来构建更薄、更平、更轻的解决方案。因此，光学应用的尺寸和复杂性可以显著降低。通过各种技术的集成，可以提高光学应用的成像质量和功能。

NILT在2021年展示的超光学元件（MOE）的绝对效率高达94%，创历史新高。如今，他们正与主要原始设备制造商合作，在3D传感、消费电子和AR/VR/混合现实（MR）应用领域开发众多超光学元件解决方案。

Heidelberg Instruments/Multiphoton Optics基于Multiphoton Optics的MPO 100激光直接写入系统，开发了一种利用双光子聚合（two-photon polymerization，TPP）技术制造超透镜的开创性方法。MPO 100激光直接写入系统可在单个工艺步骤中生成直径小于100nm的超原子（meta-atoms）。由于其非线性吸收，TPP提供了低于衍射极限的特征尺寸，并能够改变超原子的直径和高度，从而为基于聚合物的超透镜的设计提供了更大的自由空间。此外，光学聚合物的使用意味着这些应用可以用作复制技术的功能结构或母版。图4显示了在630nm工作波长下焦距为100µm的TPP制造的超透镜。

图4：Multiphoton Optics通过双光子聚合制造的基于聚合物的超透镜。1个超原子的直径为100~450nm，高度为300~1000nm。在630nm工作波长下，超透镜的焦距为100µm。

未来的挑战

成本是超透镜制造的一个主要挑战，因为在厘米级芯片上精确对准纳米级元件的难度很高。此外，超透镜还面临着技术挑战，因为它不能像传统透镜那样高效地传输光，这是全彩色成像等应用的一个重要缺陷。超透镜也很小，无法捕捉大量光线，这意味着，至少在目前，它们不适合生成高质量图像。

为超透镜开发数值建模软件的比利时初创公司PlanOpSim的创始人Lieven Penninck表示，为了使超透镜充分发挥作用，需要一个新的供应链和生态系统将制造商、材料供应商、设计公司和集成商聚集在一起，以便更清楚地了解如何将超透镜的潜力转化为终端的切实改进。

为此，PlanOpSim开发了一个集成软件系统，涵盖了从纳米级超原子到数百万个超原子元件的超表面设计过程，并连接到广泛使用的射线追踪工具以进行系统优化。他们的多尺度模拟方法使用完整的麦克斯韦解来处理超原子的亚波长结构，并在元件和系统规模上应用适当的近似值，其中全波解过程非常耗时且占用内存。

另一家为不同阶段的超透镜设计提供软件工具的公司是Ansys Lumerical。通过该公司的FDTD或RCWA软件可以模拟超透镜的每个晶胞，以确定理想的设计参数（例如层厚），并为不同的相位、传输和偏振响应创建一个晶胞库。通过最近更新的Zemax OpticStudio软件，复杂系统中透镜的目标相位分布可以针对给定的应用进行优化，这允许用户从可用的晶胞设计超透镜以实现所需的相位响应，甚至可以将设计保存到全球分销服务系统（global distribution service，GDS）。利用Lumerical FDTD模拟整个透镜，以验证其是否按设计工作，并了解可能发生的任何不希望的散射。最后，通过透镜传播后的整个电磁场可以从FDTD导入到OpticStudio进行后续优化。

尽管还存在一些挑战，但迄今为止，超透镜技术所取得的进展表明，它在光学、成像和显示系统的持续发展方面具有很大的前景。新型超透镜可以在与IC芯片相同的半导体代工厂内生产，并且随着大规模生产的出现，有可能以更低的单位成本进行产能扩张。这些优势，连同卓越的性能、更小的尺寸和重量，以及比传统透镜更强的功能和更高的效率，使超透镜成为光学行业潜在的“游戏规则改变者”，并有机会彻底改变我们“看”世界的方式。

延伸阅读：

《超材料和超表面技术及市场-2021版》

《新兴图像传感器技术、应用及市场-2021版》