文章來(lái)源：ACT激光世界 原文作者：LFWC雜志

從對(duì)經(jīng)典的反射和折射光學(xué)定律的修訂開始，人們就設(shè)想了超表面和超透鏡，以及如何利用這些器件創(chuàng)建納米級(jí)的平面透鏡，從而有可能徹底改變很多光學(xué)應(yīng)用。

現(xiàn)在，第一款超透鏡的應(yīng)用已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，整個(gè)大批量生產(chǎn)的價(jià)值鏈也即將實(shí)現(xiàn)。這種平面透鏡技術(shù)正在徹底改變用于傳感和成像的光學(xué)器件。當(dāng)然，在超透鏡技術(shù)發(fā)揮其潛力之前，還有一些挑戰(zhàn)需要克服。

超透鏡技術(shù)的發(fā)展

與傳統(tǒng)電子器件相比，光子器件在小型化和數(shù)據(jù)傳輸速度方面具有一些優(yōu)勢(shì)。但是直到最近，透鏡的尺寸一直受到玻璃或塑料的材料屬性（折射率和色散）的限制。因此，目前的光學(xué)技術(shù)仍然主要基于一種相對(duì)老式的工具，即玻璃透鏡，研究人員除了在成型和磨削方面努力以獲得更高的精度外，尚無(wú)法在其他方面對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。直到最近，人們還沒(méi)辦法大幅縮小用于相機(jī)、顯微鏡、望遠(yuǎn)鏡和其他光學(xué)設(shè)備中的鏡頭的尺寸。

2016年，哈佛大學(xué)約翰·A·保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）的研究人員，展示了第一款能在可見光范圍內(nèi)高效工作的超透鏡，覆蓋了從紅光到藍(lán)光的整個(gè)彩色波段。由Capasso領(lǐng)導(dǎo)的SEAS團(tuán)隊(duì)將波導(dǎo)管稱為“納米鰭”（nanofins），他們?cè)O(shè)計(jì)的超透鏡可以將光聚焦到一個(gè)直徑約400nm的點(diǎn)上。與傳統(tǒng)的透鏡相比，SEAS團(tuán)隊(duì)使用了一種單薄、扁平的結(jié)構(gòu)，多個(gè)波導(dǎo)（像細(xì)柱）以特定圖案排列。

他們的超透鏡是第一款聚焦整個(gè)可見光波段的透鏡，其光學(xué)性能優(yōu)于目前任何商用透鏡。具體來(lái)說(shuō)，因?yàn)槌哥R是超薄的平面，所以它們不會(huì)產(chǎn)生像差。它們也是消色差的，因?yàn)樗胁ㄩL(zhǎng)的光幾乎同時(shí)通過(guò)。

與玻璃或其他具有固定色散的傳統(tǒng)材料相比，超透鏡具有可調(diào)諧色散的額外優(yōu)勢(shì)（即操縱光的顏色如何分散的能力）。但最重要的是，超透鏡可以在現(xiàn)有的CMOS半導(dǎo)體晶圓廠中大規(guī)模生產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的大規(guī)模晶圓級(jí)集成。

在過(guò)去的六年里，業(yè)界對(duì)超透鏡的研究一直沒(méi)有放緩。

為了實(shí)現(xiàn)微型化，科學(xué)家開發(fā)了具有可調(diào)功能的只有信用卡那么厚的平面透鏡。這些由石墨烯和一個(gè)被穿孔的金表面制成的光學(xué)器件，可以作為面向先進(jìn)應(yīng)用的光學(xué)元件，這些應(yīng)用包括振幅可調(diào)透鏡、動(dòng)態(tài)全息等。[1]

其他研究人員專注于超透鏡設(shè)計(jì)原理和不同類型的新型超透鏡（包括無(wú)標(biāo)簽亞分辨率、非線性、人工智能輔助、多功能和可重構(gòu)等），以及如何消除聚焦像差，這是實(shí)現(xiàn)超透鏡物鏡和顯微鏡的必要條件。[2]

研究人員找到了一種能減小相機(jī)尺寸的解決方案：將超透鏡和“空間板”（spaceplates）結(jié)合起來(lái)?？臻g板是一種光學(xué)器件，可以有效地將光傳播到比其厚度長(zhǎng)得多的距離。這種光學(xué)器件將縮小未來(lái)的成像系統(tǒng)，為超薄、無(wú)鏡頭相機(jī)和更大的傳感器提供可能性。

當(dāng)前的超透鏡應(yīng)用

點(diǎn)模式投影儀和用于3D傳感的成像器件，大大簡(jiǎn)化了現(xiàn)有模塊的占地面積和復(fù)雜性。作為一種完全平面的光學(xué)元件，為光學(xué)器件在半導(dǎo)體晶圓制造鋪平了道路。

2022年1月，研發(fā)人員證明，創(chuàng)建泛光照明和結(jié)構(gòu)光照明功能只需要兩個(gè)智能元器件：一個(gè)是VCSEL，具有穩(wěn)定和先進(jìn)的線性偏振；另一個(gè)是超透鏡，位于VCSEL的頂部。

該演示成功地證實(shí)，未來(lái)，支持智能手機(jī)攝像頭明亮的3D場(chǎng)景照明，只需要一半甚至更少的光學(xué)元件。這些優(yōu)勢(shì)，再加上元件之間空間的縮小，意味著智能手機(jī)制造商可以獲得新的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。隨著偏振VCSEL的發(fā)展，它們將能滿足智能手機(jī)、OLED屏以及虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR和AR）應(yīng)用對(duì)3D照明的嚴(yán)苛需求。

在一項(xiàng)應(yīng)用中，II-VI的新型超透鏡將VCSEL發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直和分光，投射到一個(gè)高度均勻的網(wǎng)格上，該網(wǎng)格由數(shù)千束個(gè)投影到場(chǎng)景上的紅外光束組成。光學(xué)傳感器參考這些網(wǎng)格來(lái)精確地構(gòu)建3D場(chǎng)景；超透鏡和VCSEL系統(tǒng)的結(jié)合，為消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車應(yīng)用提供了差異化的超小型3D傳感攝像頭。

與折射透鏡相比，現(xiàn)在能夠結(jié)合元光學(xué)和衍射光學(xué)來(lái)構(gòu)建更薄、更平、更輕的解決方案。因此，光學(xué)應(yīng)用的尺寸和復(fù)雜性可以大大降低。通過(guò)結(jié)合各種技術(shù)，可以提高光學(xué)應(yīng)用的成像質(zhì)量和功能。

科學(xué)家利用雙光子聚合（TPP）技術(shù)，為超透鏡制造開發(fā)了一種開創(chuàng)性方法。該系統(tǒng)可在單個(gè)工藝步驟中，添加生成直徑小于100nm的超原子（meta-atoms）。由于其非線性吸收，TPP提供了低于衍射極限的特征尺寸，并允許改變超原子的直徑和高度，從而為基于聚合物的超透鏡提供額外的設(shè)計(jì)自由度。圖4顯示了利用TPP技術(shù)制造的超透鏡，在630nm工作波長(zhǎng)下的焦距為100μm。

利用雙光子聚合制造的聚合物超透鏡。單個(gè)超原子的直徑在100~450nm之間，高度在300~1000nm之間。在630nm下工作時(shí)，超透鏡的焦距為100μm。

未來(lái)的挑戰(zhàn)

成本是超透鏡制造的一個(gè)主要挑戰(zhàn)，因?yàn)樵诶迕准?jí)芯片上精確對(duì)準(zhǔn)納米級(jí)元件的難度極高，需要高昂的費(fèi)用。此外，超透鏡制造還面臨著技術(shù)挑戰(zhàn)，因?yàn)樗荒芟駛鹘y(tǒng)透鏡那樣高效地傳輸光線，對(duì)于全彩色成像等應(yīng)用而言，這是一個(gè)重要缺陷。而且，超透鏡太小，所以無(wú)法捕捉大量光線，這意味著至少到目前為止，它們不適合產(chǎn)生高質(zhì)量的照片。

盡管仍存在一些挑戰(zhàn)，但迄今為止，超透鏡技術(shù)所取得的進(jìn)展表明，它在光學(xué)、成像和顯示系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展方面具有巨大的前景。新的超透鏡可以在與計(jì)算機(jī)芯片相同的制造廠中制造，隨著大規(guī)模生產(chǎn)的出現(xiàn)，成本也將大幅降低。這些優(yōu)勢(shì)，再加上其優(yōu)越的性能、更小的尺寸和重量，以及比傳統(tǒng)透鏡更強(qiáng)大的功能和效率，使超透鏡成為光學(xué)行業(yè)潛在的顛覆性產(chǎn)品，并有機(jī)會(huì)徹底改變我們看世界的方式。

審核編輯：湯梓紅