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知识点 | 什么是超透镜,其工作原理是什么?

发布日期:
2024-06-07

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在复杂的成像和照明设备中,超透镜(以及更普遍的超表面)被越来越多地视为一种切实可行的解决方案,以用于提高系统性能,同时缩小系统尺寸并减轻重量。这是因为通常单个超透镜即可达到原本需要在设备中使用多个“传统”光学元件才能实现的同等性能。

然而,设计能够满足系统要求并且适合大规模制造的超透镜仍然极具挑战。这在一定程度上是因为超透镜的直径范围相当广,当它们被部署在图像传感器和内窥镜等紧凑型设备中时,其直径低至数百微米,而当它们被用于替换手机摄像头或增强现实(AR)设备等系统中较厚的折射组件时,其直径可达数厘米(或更大)。


稳健的超透镜设计需要多尺度、多物理场仿真,其能够对这种大范围孔径的透镜性能和更大光学系统内部的超透镜性能进行精确评估。 


知识点 | 什么是超透镜,其工作原理是什么?


什么是超透镜?


超透镜利用介电表面上的亚波长“超原子”图案来控制入射光。具体而言,超原子图案会改变入射光束的相位分布,从而导致光束弯曲(重定向)。超原子是微小的纳米级结构,具有不同的形状和大小,其在透镜上的位置是任意的,旨在控制光的相互作用。虽然超透镜中的“透镜”一词意味着这些元件能够像传统透镜一样用于聚焦光线,但业界一直使用超透镜这个术语来涵盖相位控制所提供的广泛功能。


为了实现这种相位控制,超透镜需要在超原子的折射率和周围材料的折射率之间实现较大差异。超透镜的材料取决于相关应用的目标波长范围,其中,材料吸收应当尽可能小,并且制造技术能够满足特征尺寸要求。例如,硅通常被认为可用于激光雷达传感器等近红外(IR)应用,而对于二氧化钛、氮化镓和氮化硅,则可考虑将其用于可见波长范围内的摄像头应用。


超透镜是如何制造的?


制造方法将决定超透镜设计中可能使用的超原子图案。目前的制造方法包括:

  • 电子束光刻技术:利用聚焦电子束在基板上创建纳米级图案,在纳米制造中提供了卓越的精度以及多功能性。这种方法主要用于研究应用,因为它不适用于超透镜的大规模生产。

  • DUV光刻技术:利用深紫外线(DUV)光将复杂的图案转印到感光材料上。这使其成为半导体制造中用于高分辨率图案的关键技术。

  • 纳米压印光刻技术:涉及将带有预定义纳米结构的模具压制到基板上。这为高精度纳米级图案复制提供了一种经济高效且可扩展的方法。


上述所有方法都支持在曲面XY平面中灵活定义超原子图案,但它们对Z轴方向变化的支持能力有限。因此,许多当前的超透镜设计都是基于二元形状,其中的超原子图案在Z轴上是均匀的,但在XY平面上是任意的。


此外,制造方法还会影响超透镜材料的选择。例如,光刻制造适合使用半导体制造中常用的硅或其它材料。纳米压印光刻技术还会使用不同类型的UV或热固化环氧树脂。


总而言之,超透镜为低成本大规模制造带来了挑战,因为它们将用于相位控制的小特征尺寸以及用于数值孔径/光束尺寸的大尺寸相结合。我们仍处于超透镜制造的早期阶段,因此尚不了解某些材料系统或制造流程能否提供半导体和光子集成电路(PIC)行业所实现的规模经济。然而,在某些应用领域,相对于传统光学元件而言,使用薄型超透镜的优势可能超过其成本挑战,特别是与先进技术(如医疗内窥镜)的系统成本相比。


超透镜的优势是什么?


超透镜是一种扁平式轻量化产品选项,可替代光学系统中笨重的传统透镜和其它组件。单个薄型超透镜可以在复杂系统中结合多个光学元件的功能,例如,取代传统点投影仪中使用的掩模和透镜系统。此外,超透镜还可用于实现偏振控制和分光等额外功能。事实上,偏振正被用于结合点投影仪和漫射器等光源中的多种功能,从而在AR和计算摄影等应用中实现3D传感。


超透镜有哪些应用?


在任何需要减小系统中光学元件的尺寸和重量的情况下,超透镜都有用武之地。其中包括用于自动驾驶汽车和面部识别系统中的3D传感的激光雷达;内窥镜和显微镜等医疗设备;红外和机器视觉摄像头等监控系统;手机摄像头、CMOS图像传感器及AR/VR设备等显示和成像系统;以及全息图。


超透镜技术的未来发展


在芯片制造行业中,设计人员在特定制造流程中创建集成电路所用的一系列基本工具、库和数据被整合在一起,形成了我们所说的工艺设计套件(PDK)。随着超透镜制造技术日趋成熟,我们有望看到PDK的兴起,就像我们在半导体和PIC行业中见证的那样。PDK支持超透镜设计人员使用代工厂提供的经过验证的专有超原子结构,使他们能够专注于具体应用,而不是亚波长设计。因此,代工厂在超透镜生态系统中发挥着重要作用,该生态系统也包括超透镜制造公司和无晶圆厂设计公司。随着设计人员开始寻找可随时用于复杂超透镜设计的超原子库,这一生态系统内部的合作伙伴关系将变得至关重要。


通过这种方式,PDK代表了超透镜设计的“黑盒”构建块。然而,它们需要搭配设计和仿真工具一起使用,通过良率分析和公差分析来探索可制造性。每次制造运行在资金和时间方面都成本高昂,因此,这类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元件,如果不借助仿真则无法评估它对系统性能的影响。通过支持设计优化、公差分析和良率分析,仿真可助力实现快速的设计决策。但是,对包含纳米级超原子的厘米级超透镜进行高效仿真,以及随后对光学系统中数十、数百或数千厘米大小的超透镜进行仿真并非易事。仿真工具不仅需要快速、准确、稳健,而且需要具备多尺度和多物理场特性。


在超透镜中,超原子的大小和形状随位置的变化而均匀变化,从而将入射光聚焦到透镜上。这种均匀的变化使我们可以使用严格的耦合波分析(RCWA)等高效算法来仿真超透镜。超透镜的RCWA建模结果随后可以直接在工具内部使用,以通过傅里叶传播或几何光线追迹来仿真整个光学系统。


将超透镜模型集成到整个系统仿真对设计流程至关重要。只有这样,设计人员才能了解超透镜在系统内的工作原理,以及该组件能否使系统在所需的尺寸和重量范围内实现所需性能。随着超透镜被集成到完整系统中,另外还有一点也变得越来越重要,即需要模拟机械应力和热载荷对超透镜以及整个光学系统性能的影响。


超透镜增强型光学系统的设计工作流程遵循多个步骤,而Ansys光学工具之间简化的数据交换接口能够为这些步骤提供支持。阅读小规模和大规模超透镜工作流程细节,以了解更多信息。需要注意的是,对于大规模超透镜,系统可能包含数百亿个超原子,因此工作流程的一个关键环节是将超透镜结构高效导出为用于制造的GDS格式。


超透镜代表着先进的创新技术,有望改变广泛应用和行业中的光学设计。它们的设计和制造既复杂又具有挑战性。更具挑战性的是,了解超透镜在其所要支持的光学系统内部将如何表现。随着制造方法的演进发展,仿真需要齐头并进。因此,对于当前和未来的超透镜设计而言,稳健的多尺度、多物理场仿真架构至关重要。


仿真是一种超能力,它将助力我们在未来几年内充分发挥这一先进技术的优势。


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