什麼是超穎透鏡？運作原理是什麼？

超穎透鏡（以及更廣泛的超穎表面）越來越被視為在複雜的成像，和照明裝置中提高系統性能，同時降低系統尺寸和重量的可行解決方案。這是因為使用單一超穎透鏡通常可以實現與裝置內需要多個「傳統」光學元件相同的性能。

然而，設計能滿足系統需求，且能夠大規模製造的超穎透鏡，仍然是一個重大挑戰。這部分是因為超穎透鏡的直徑範圍從數百微米（當它們被應用於影像感測器和內視鏡等小型裝置時）到厘米（甚至更大），當它們用於替代較厚的折射元件，如手機相機或擴增實境（AR）頭戴裝置的系統時。

完善的超穎透鏡設計需要多尺度、多物理的模擬，能夠準確評估透鏡在這個廣泛光孔範圍內的性能，以及超穎透鏡在更大光學系統中的表現。 

什麼是超穎透鏡？

超穎透鏡利用介電質表面上的次波長「超穎原子」(meta-atom) 圖形來操作入射光。具體而言，超穎原子圖形會修改入射光束的相位分佈，導致射束彎曲 (重新導向)。超穎原子是微小的奈米級結構，具有各種形狀和大小，其在透鏡上的位置可以是任意的，其設計可控制光的相互作用。 雖然超穎透鏡中的「透鏡」意味著這些元件被用於像傳統透鏡一樣聚焦光線，但這個術語已被產業採用，以涵蓋相位操控所提供的廣泛功能範疇。

為了實現這種相位操控，超穎透鏡需要超穎原子的折射率，與其周圍材料的折射率之間，產生很大的差異。超穎透鏡所使用的材料取決於應用的目標波長範圍，在該範圍內材料吸收最小，並且製造技術能夠滿足特定特徵尺寸的需求。例如，矽通常被用於近紅外 (IR) 應用，例如光學雷達感應器，而二氧化鈦、氮化鎵和氮化矽則是用於可見光波長範圍的相機應用。

超穎透鏡如何製造？

製造方法將決定在超穎鏡設計中可以使用的超穎原子圖形。目前的製造方法包括：

• 電子束微影，利用聚焦的電子束在基板上產生奈米圖形，在奈米製造中提供卓越的精準度和靈活性。此方法主要用於研究應用，因為不適用於大量生產的超穎透鏡。
• DUV 微影技術利用深紫外線 (DUV)光，將精細的圖形轉到光敏材料上。這使得它成為高解析度圖形製程的半導體製造關鍵技術。
• 奈米壓印微影，這會將具有預先定義奈米結構的模具壓到基板上。這提供了符合成本效益且可擴充的方法，能以高精準度複製奈米圖形。

以上所有方法都可用於表面 XY 平面的超穎原子圖形彈性定義，但在 Z 方向的變化，這些方法的能力有限。因此，許多目前的超穎透鏡設計都是以二位元形狀為基礎，在其中，超穎原子圖形在 Z 方向上是一致的，而在 XY 平面中是任意的。

製造方法也影響了超穎透鏡材料的選擇。例如，微影製造適合矽或其他已在半導體製造中常用的材料。奈米壓印微影也使用不同類型的 UV 或熱固化的環氧樹脂。

總而言之，超穎透鏡在大規模低成本製造方面面臨挑戰，因為它結合了小特徵尺寸 (相位操控) 和大占用體積 (數值孔徑/光束大小)。目前仍是超穎透鏡製造的早期階段，因此尚不清楚某些材料系統或製造流程是否能夠提供半導體和光子積體電路（PIC）產業所享有的規模經濟。然而，在某些應用領域中，使用薄超穎透鏡而優於傳統光學組件的優點可能高過其成本，尤其是與醫療內視鏡等複雜技術的系統成本相比。

超穎透鏡的優點為何？

超穎透鏡是平坦、輕型的選項，可取代體積龐大的傳統鏡片與其他光學系統組件。單一薄型超穎透鏡可以在複雜系統中結合多項光學元件的功能，例如取代傳統的點陣投影器中使用的遮罩和鏡片系統。超穎透鏡亦可用於實現極化的操控和分離等其他功能。事實上，極化正被利用來結合來源的多種功能，例如點陣投影機，和 AR 和計算攝影等應用中用於 3D 感測的擴散器。

超穎透鏡有哪些應用？

超穎透鏡可應用於任何需要縮小系統光學元件大小和重量的情況。這包括用於自動駕駛車輛和人臉辨識系統中 3D 感測的光學雷達；醫療裝置，如內視鏡和顯微鏡；監視系統，如紅外線和機器視覺攝影機；顯示和成像系統，如手機相機、CMOS 感光元件和 AR/VR 頭戴設備；以及全像攝影。

超穎透鏡技術的未來

在晶片製造產業中，設計師用來在特定製造程序中建立積體電路的重要工具，程式庫和資料的集合，常被稱為製程設計資料庫 (PDK)。隨著超穎透鏡持續發展成熟，我們可以看到 PDK 陸續出現，正如我們在半導體和 PIC 產業所看到的一樣。PDK 讓超穎透鏡設計師能採用晶圓代工廠提供的專屬並經驗證過的超穎原子結構合作，讓設計師專注於應用，而非波長設計。因此，晶圓代工廠在超穎透鏡生態系統中扮演重要角色，這個生態系統中也包括超穎導體製造公司和無廠設計公司。這個生態系統中的夥伴關係非常重要，因為設計師開始尋找能立即用來設計複雜超穎透鏡的超穎原子資料庫。

透過這種方式，PDK 代表超穎透鏡設計的「黑盒子」結構單元。然而這還需要搭配透過產品良率分析和公差評估，來探索可製造性的設計和模擬工具。由於每次製造作業在金錢和時間上都需要高昂的成本，因此這些類型的分析對於開發足夠完善的設計來減少製造次數而言至關重要。

模擬在超穎透鏡設計中的角色

超穎透鏡是複雜的光學元件，無法在沒有模擬的情況下評估對系統性能的影響。模擬有助於設計最佳化，公差評估以及良率分析，讓設計決策更快速。但是，要高效模擬包含納米級超穎原子的公分級超穎透鏡 (以及之後在可能有數十、數百或數千公分大小的光學系統內模擬該超穎透鏡) 並非易事。模擬工具需要具備快速、準確、完善、多重規模和多物理等特性。

超穎透鏡內，超穎原子的大小與形狀隨著位置平滑變化，以集中作用於透鏡的入射光。因為這種平滑的變化，而可以使用高效的演算法 (如嚴密耦合波分析，RCWA) 等來對超穎透鏡進行模擬。之後，RCWA 模型的結果可以直接用於模擬完整光學系統的工具中，使用傅立葉傳播或幾何光線追踪。

將超穎透鏡整合至完整系統模擬，對設計過程來說有關鍵的重要性。惟有這樣做，設計師才能瞭解超穎透鏡在系統內部的運作，以及這個元件是否能讓系統在所期望的大小和重量之內達到所需的性能。隨著超穎透鏡整合到完整系統中，模擬機械應力和熱負載對超穎透鏡和完整光學系統性能的影響變得越來越重要。

由超穎透鏡所強化的光學系統，設計工作流程會遵循一些步驟，這些步驟在 Ansys Optics 工具之間的簡化資料交換介面得到支持。閱讀有關小規模和大規模超穎透鏡的詳細工作流程，以進一步瞭解。需注意的是，對於大規模的超穎透鏡，系統可能包含數百億的超穎原子，因此工作流程的一個關鍵部分是將超穎透鏡結構，有效率匯出為 GDS 格式以進行製造。

超穎透鏡這樣的先進創新技術，有潛力改變各種應用和產業的光學設計。它的設計和製造都很複雜且具有挑戰性。更具挑戰性的，是理解超穎透鏡在其發揮作用的光學系統中會有什麼樣的行為。隨著製造方法的發展，模擬必須跟上腳步。因此，完善的多重規模與多物理模擬架構，對目前與未來的超穎透鏡設計而言極為重要。

模擬是一種強大的能力，讓我們得以在未來數年充分運用這項先進技術。