简述什么是超透镜及其工作原理

超透镜（超表面）越来越被视为提高系统性能、同时减小复杂成像和照明设备中的系统尺寸和重量的可行解决方案。这是因为通常可以使用单个元透镜来实现相同的性能，否则需要在设备内使用多个“传统”光学组件。

然而，设计能够满足系统要求并大规模制造的超镜头仍然是一个重大挑战。部分原因是超透镜的直径范围可以从数百微米（当它们部署在图像传感器和内窥镜等紧凑型设备中时）到厘米（或更大）（当它们被用于替换系统中较厚的折射组件时，例如手机摄像头或增强现实 (AR) 耳机。实用稳定的超透镜设计需要多尺度、多物理场仿真，以准确评估大孔径范围内的透镜性能以及大型光学系统内部超透镜的性能。

什么是超透镜？

超透镜在电介质表面上采用亚波长“元原子”图案来调控入射光。具体来说，超原子图案改变了入射光束的相位分布，导致光束弯曲（重定向）。元原子是微小的纳米级结构，具有不同的形状和尺寸，其在透镜上的位置可以是任意的，旨在控制光的相互作用。虽然超透镜中的“透镜”意味着这些组件像传统透镜一样用于聚焦光，但该术语已被业界采用，以涵盖相位操作提供的广泛功能。为了实现这种相位调控，超透镜需要元原子的折射率与周围材料的折射率之间存在很大差异。用于超透镜的材料取决于感兴趣的应用的目标波长范围，其中材料吸收最小并且制造技术可以满足特征尺寸要求。例如，硅通常被考虑用于激光雷达传感器等近红外 (IR) 应用，而二氧化钛、氮化镓和氮化硅则被考虑用于可见波长范围内的相机应用。

超透镜是如何制造的？

制造方法将决定可用于超透镜设计的可能元原子图案。目前的制造方法包括：

• 电子束光刻技术采用聚焦电子束在基板上创建纳米级图案，在纳米加工领域提供卓越的精度和多功能性。该方法主要用于研究应用，因为它不适合超镜头的大规模生产。
• DUV 光刻，利用深紫外 (DUV) 光将复杂的图案转移到感光材料上。这使其成为半导体制造中高分辨率图案化的关键技术。
• 纳米压印光刻，涉及将具有预定纳米结构的模具压到基板上。这为高精度复制纳米级图案提供了一种经济有效且可扩展的方法。

所有上述方法都支持表面 XY 平面中元原子图案的灵活定义，但它们支持 Z 方向变化的能力有限。因此，当前许多超透镜设计都是基于二元形状，其中元原子图案在 Z 轴上是均匀的，但在 XY 平面上是任意的。制造方法也会影响超镜头材料的选择。例如，光刻制造适合使用硅或已经在半导体制造中频繁使用的其他材料。纳米压印光刻还使用不同类型的紫外线或热固化环氧树脂。总而言之，超透镜对低成本大规模制造提出了挑战，因为它们结合了小特征尺寸（用于相位调控）和大占地面积（用于数值孔径/光束尺寸）。我们仍处于超透镜制造的早期阶段，因此尚不清楚某些材料系统或制造工艺是否能够提供半导体和光子集成电路（PIC）行业所享有的规模经济。然而，在某些应用领域，使用薄超透镜相对于传统光学器件的好处可能超过其成本，特别是与医疗内窥镜等复杂技术的系统成本相比。

超透镜有什么好处？

超透镜是一种扁平、轻质的选择，可以取代笨重的传统透镜和光学系统中的其他组件。单个薄超透镜可以将多个光学组件的功能结合到一个复杂的系统中，例如，取代传统点投影仪中使用的掩模和透镜系统。超透镜还可用于实现偏振操纵和分裂等附加功能。事实上，偏振被用来结合点投影仪和漫射器等源的功能，以在 AR 和计算摄影等应用中实现 3D 传感。

超透镜有哪些应用？

超透镜可用于任何需要减小系统中光学器件的尺寸和重量的情况。其中包括用于自动驾驶车辆 3D 传感的激光雷达和面部识别系统；医疗设备，例如内窥镜和显微镜；监控系统，例如红外和机器视觉摄像机；显示和成像系统，例如手机摄像头、CMOS 图像传感器和 AR/VR 耳机；激光全息等。

超透镜技术的未来

在芯片制造行业，设计人员在特定制造工艺中用于创建集成电路的基本工具、库和数据的集合被整合到通常称为工艺设计套件 (PDK) 中。随着超透镜制造的不断成熟，我们预计 PDK 将会出现，就像我们在半导体和 PIC 行业中看到的那样。PDK 允许超透镜设计人员使用代工厂提供的专有且经过验证的元原子结构，使设计人员能够将注意力集中在应用上，而不是亚波长设计上。因此，代工厂在超透镜生态系统中发挥着重要作用，其中还包括超透镜制造公司和无晶圆厂设计公司。这个生态系统内的合作伙伴关系将非常重要，因为设计师开始寻找元原子库，以便他们可以轻松地使用它们来设计复杂的超透镜。

通过这种方式，PDK 代表了超透镜设计的“黑匣子”构建块。然而，它们需要配备设计和仿真工具，通过良率分析和公差探索可制造性。由于每次制造运行在金钱和时间方面都成本高昂，因此这些类型的分析对于通过开发足够稳健的设计来减少运行次数至关重要。

仿真在超透镜设计中的作用

超透镜是复杂的光学组件，如果不进行仿真就无法评估其对系统性能的影响。仿真通过支持设计优化、公差和良率分析来实现快速设计决策。但是，有效模拟包含纳米级元原子的厘米级超透镜，以及随后在尺寸可能为数十、数百或数千厘米的光学系统内模拟该超透镜，绝非易事。仿真工具需要快速、准确和稳健，并且本质上是多尺度和多物理场。

在超透镜中，元原子的尺寸和形状随着聚焦入射到透镜上的光的位置而平滑变化。这种平滑的变化允许使用严格耦合波分析 (RCWA) 等高效算法来模拟超镜头。然后，超透镜 RCWA 建模的结果可以直接在工具内部使用，使用傅里叶传播或几何光线追踪来模拟整个光学系统。

将元透镜模型集成到完整的系统仿真中对于设计过程至关重要。只有这样做，设计人员才能了解超透镜如何在系统内部发挥作用，以及该组件是否能让系统在所需的尺寸和重量内实现所需的性能。随着超透镜集成到整个系统中，模拟机械应力和热载荷对超透镜和整个光学系统性能的影响也变得越来越重要。

超透镜增强光学系统的设计工作流程遵循几个步骤，这些步骤由Ansys Optics工具之间的简化数据交换接口支持。阅读小规模和大规模超透镜的工作流程的详细信息以了解更多信息。请注意，对于大规模超透镜，系统可能包含数百亿个元原子，因此工作流程的关键部分是将超透镜结构有效导出为 GDS 格式以进行制造。

超透镜代表了先进的创新技术，有潜力改变各种应用和行业的光学设计。它们的设计和制造既复杂又具有挑战性。更具挑战性的是了解超镜头在其所支持的光学系统内部的表现。随着制造方法的发展，仿真需要跟上步伐。因此，强大的多尺度和多物理场仿真架构对于当前和未来超透镜的设计至关重要。