未来主义光学元件：超透镜

随着科学家和企业家们不断探索新的应用方法和用例，业界对超透镜光学元件的关注持续增长。我们在2019年的一篇博客文章中首次探讨了超透镜。自那时起，超材料和超透镜领域的发展非常快速而迅猛。

欧洲光电行业联盟（简称“EPIC”）刚刚举行了一场关于超材料和超透镜的技术大会。据报告，新的研究突破包括：

• 麻省理工学院（MIT）的科学家们开发出了一种超透镜，可将入射UVA光线转换为集中输出的真空紫外线（VUV）辐射，这有可能可以降低半导体制造的复杂性。 了解更多...
• 哈佛大学开发的超透镜设计利用数百万个孔洞（代替标准立柱）将光线聚焦到单个点上。了解更多...

来自NIL Technologies公司的多元光学元件（MOE）透镜，绝对效率达到94%。（图片 © NILT）

最近，在美国旧金山市举行的SPIE（国际光学工程学会）西部光电展上也展出了多款新型超透镜产品和组件。

• 例如，NIL Technologies公司展示了一款新型超透镜相机模块。
• Synopsis公司在大会上介绍了他们的超透镜/超表面全自动化逆向设计解决方案。
• 与会者还可以出席相关演讲，了解来自麻省理工学院（MIT）的一款新型鱼眼超透镜立体相机和香港城市大学开发的一种智能传感超透镜阵列。

国际光学工程学会（SPIE）在最近的一篇文章中深入探讨了企业界在超透镜领域的最新发展成果：

 

更多有关超表面和超透镜的背景知识，请查看瑞淀最初于2019年11月11日发布的这篇博客文章：

走向超构世界：超透镜将如何重塑光学未来

超材料概念已经出现了一段时间，但在过去的两年里，业界在科研和制造方面取得的突破激增，可能很快就会迎来一个基于超透镜的全新光学技术和功能时代。“超材料”一词来源于希腊语“Meta”，意为“超越”，即超材料在某种意义上超越了普通材料，这是因为材料的自然特性已被改变。

超透镜是一种微小的光学元件，它比一张纸还要薄。与传统透镜一样，其能够操纵电磁波（光）。由于具有尺寸小、易于大规模制造、成本效益高等优点，并且有可能彻底改变多种光学应用，该技术吸引了来自众多行业开发人员的关注。

超材料和超透镜及其工作原理简介。

尺寸缩小技术

随着计算机芯片及其他电子组件的尺寸变得越来越小，现代技术发展史一直朝着小型化稳步迈进。举例来说，1969年，美国国家航空航天局（NASA）用于登月计划的所有计算能力远远小于如今我们可以装入口袋的普通手机的计算能力。

然而，在超材料出现之前，业界一直没有办法显著缩小相机、显微镜、望远镜及其他光学设备中所使用透镜的尺寸。透镜尺寸一直受到玻璃（最近几十年还包括塑料）材料特性（折射率和色散）的限制。从本质上讲，我们仍然在使用中世纪的工具（玻璃透镜）和19世纪的光学技术，除了在成型和研磨方面实现更高精度外，我们一直无法对这些工具和技术作出显著改进。¹

超透镜结构

传统透镜的工作原理是使光波弯曲。不同厚度或可变厚度的透镜通常以不同的方式使光波弯曲。当波阵面穿过透镜时，位于透镜不同部分的光波将以不同的角度被折射。通常将多个单独的透镜堆叠在一起（称为复合透镜）使用，以特定的方式引导和控制光线。

标准球面凸（聚光）透镜使光波弯曲，以在焦点位置会聚。（图片：Mini Physics）

相比传统透镜，超透镜概念采用薄而平坦的单一结构及多个波导（类似于微小立柱），这些波导以特定的模式排列。这些立柱被比作天线，是由二氧化钛（TiO2）制成的纳米元件，长度约为600纳米（nm），比并排排列的10个氢原子长度还要短。

由于超透镜是平坦（平面）而且超薄的，它们不会产生色差（“消色差”），这是因为所有波长的光线几乎同时穿过超透镜。超透镜的优点还包括可调谐色散特性，即能够操纵光线颜色如何分散，这与玻璃或其他具有固定色散特性的传统材料不同。此外，超表面可以在现有的CMOS半导体铸造厂大规模生产，实现光学系统晶圆级大规模并行集成。²

使用电子显微镜采集的两种潜在超透镜图形示例。（图片来源：《科学》杂志视频）

超透镜技术的突破

2016年，来自哈佛大学John A. Paulsen工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员们展示了首款平面透镜，其能够在可见光范围内高效工作，覆盖从红光到蓝光的整个光谱。这是超透镜发展的一个重要里程碑。由Federico Capasso领导的SEAS团队将这种波导称为“纳米鳍”，他们设计的超透镜将光线聚焦到直径约400纳米的单个点上，这是全球首款能够聚焦整个可见光光谱的透镜，并且提供比市场上现有任何商业透镜更佳的光学性能。

继这一重大发展之后，2018年，来自华盛顿大学和台湾国立清华大学的一个团队宣布开发出首款具有纳米结构的二维超透镜，其大小与穿过该超透镜的光波长相同。

由华盛顿大学/台湾研究人员们开发的四款超薄超透镜在显微镜下可见。（图片：Nano Letters）

不久之后，哥伦比亚大学的一个工程设计团队开发出了首款平面透镜，其能够将较大范围内任何偏振的颜色正确聚焦到同一焦点上，无需任何额外元件。该平面透镜只有一微米厚，利用“超原子”将波长在1.2至1.7微米之间（在不可见的近红外光范围内）的光线聚焦到同一焦点位置。

“使用单个超透镜在近红外光范围内进行宽频成像，显示该透镜具有校正色差的能力，以及使用类似于集成电路行业的平面制造技术制造超透镜。”³

自那时起，超透镜领域快速而迅猛地发展，我们几乎可以称2019年为“超透镜年”。

• 2019年1月，来自哈佛大学的SEAS团队宣布开发出一种新型“偏振不敏感超透镜，由不对称纳米鳍组成，能够以消除色差的方式聚焦整个可见光谱范围的光线”。⁴以前的超透镜仅可聚焦圆形非偏振光，导致损失了一半与偏振方向不匹配的入射光。
• 2019年5月，来自麻省理工大学 (MIT) 的数学家们发表了有关开发一种新型计算技术方面的工作成果，该计算技术可以快速确定超透镜纳米元件的最佳组成和排列。这将使制造商们能够设计出超透镜图形，以满足特定的目标，例如控制光线颜色或创建不同形状的光束。
• 2019年7月，来自密歇根大学的研究人员们宣布开发出了一项新技术，该技术使用一组超透镜将光线聚焦成特定的图案，而不是单个点。这种方法适用于任何射束成形的应用，如激光切割、热处理和选择性结晶。
• 同样在2019年7月，来自沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员们开发出了一种扭转超透镜堆叠薄膜的方法，以进一步控制光线特性。举例来说，他们开发出了一种具有可控焦距和强度比的双焦超透镜。

此外，与超透镜相关的最新发展还包括晶圆级元件的兴起。微光学组件的晶圆级制造和集成使微结构技术应用于相机模块制造成为可能。从本质上讲，相机镜头可以使用半导体工艺制造，将单个微透镜刻印在晶圆上。虽然晶圆级相机模块在对位形状和厚度/均匀性方面必须满足严格的公差范围，但可以实现更高效的大批量制造。

超透镜的应用

现今，超透镜技术必将给相机、显示器及其他光学设备领域带来变革。一些令人兴奋的潜在应用包括：

• 芯片制造– 芯片制造商可以运用密歇根大学开发的光线图形创建方法，利用光线在硅片表面雕刻特定的图形。通过使用超透镜，将有可能更高效地生产较为复杂的图形，并确保较低的缺陷率。
• AR/VR/MR – XR系统开发人员们目前正在继续努力应对将笨重的硬件系统整合到头戴式设备的挑战。超透镜为此领域提供的前景：将微小光学元件整合到头戴设备和智能眼镜中从而真正实现小型、高性能且轻巧的愿想。
• 医疗 – 超透镜具备的增强光学性能，可以实现比以往更精确的诊断影像、生产出更高分辨率的影像工具（如内窥镜）和全新的显微镜，使放射科医生、内科医生和实验室技术人员能够看到以前不可见的更多细节。

来自哈佛大学医学院的一个团队一直致力于开发“光学相干断层扫描（OCT）”技术和纳米光学内窥镜，以实现超高分辨率的诊断影像能力。（图片来源）

然而，目前仍有一些挑战需要克服：“由于难以将纳米级元件精确放置在厘米级芯片上，因此制造成本仍然很高……到目前为止，超透镜还无法像传统透镜一样高效传输光线——而这对于全彩色成像及其他类似应用而言是一项重要功能。此外，由于尺寸太小，超透镜无法捕捉大量光线，这意味着，至少就目前而言，超透镜不适用于拍摄高质量照片。”⁵

尽管如此，超透镜技术仍然给光学、成像和显示器系统的持续发展带来了广阔的前景。瑞淀在亮度和色度精密测量领域拥有30多年的丰富经验，并且一直致力于为全尺寸和纳米级光学和显示器系统开发测量解决方案，我们非常期待看到超透镜领域的未来发展。

引用文献

1. Capasso, F., “Flat optics: from high-performance metalenses to structured light”, keynote presentation from SPIE Photonics West, 2018, Mary 9, 2018.
2. Devlin, R., “Optical Metasurfaces: From Fundamental Science to Application”, Drexel University College of Engineering, February 13, 2019.
3. Chen, W., et al., “A broadband achromatic polarization-insensitive metalens consisting of anisotropic nanostructures”, Nature Communications 10, Article #355, January 21, 2019.
4. Evarts, H., “Revolutionary Ultra-thin “Meta-lens” Enables Full-color Imaging”, Columbia Engineering, October 3, 2018.
5. Moscatelli, A., “Tiny Lenses Will Enable Design of Miniature Optical Devices”, Scientific American, July 1, 2019.