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知識點(diǎn) | 什么是超透鏡,其工作原理是什么?

發(fā)布日期:
2024-06-07

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在復雜的成像和照明設備中,超透鏡(以及更普遍的超表面)被越來(lái)越多地視為一種切實(shí)可行的解決方案,以用于提高系統性能,同時(shí)縮小系統尺寸并減輕重量。這是因為通常單個(gè)超透鏡即可達到原本需要在設備中使用多個(gè)“傳統”光學(xué)元件才能實(shí)現的同等性能。

然而,設計能夠滿(mǎn)足系統要求并且適合大規模制造的超透鏡仍然極具挑戰。這在一定程度上是因為超透鏡的直徑范圍相當廣,當它們被部署在圖像傳感器和內窺鏡等緊湊型設備中時(shí),其直徑低至數百微米,而當它們被用于替換手機攝像頭或增強現實(shí)(AR)設備等系統中較厚的折射組件時(shí),其直徑可達數厘米(或更大)。


穩健的超透鏡設計需要多尺度、多物理場(chǎng)仿真,其能夠對這種大范圍孔徑的透鏡性能和更大光學(xué)系統內部的超透鏡性能進(jìn)行精確評估。?


知識點(diǎn) | 什么是超透鏡,其工作原理是什么?


什么是超透鏡?


超透鏡利用介電表面上的亞波長(cháng)“超原子”圖案來(lái)控制入射光。具體而言,超原子圖案會(huì )改變入射光束的相位分布,從而導致光束彎曲(重定向)。超原子是微小的納米級結構,具有不同的形狀和大小,其在透鏡上的位置是任意的,旨在控制光的相互作用。雖然超透鏡中的“透鏡”一詞意味著(zhù)這些元件能夠像傳統透鏡一樣用于聚焦光線(xiàn),但業(yè)界一直使用超透鏡這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)涵蓋相位控制所提供的廣泛功能。


為了實(shí)現這種相位控制,超透鏡需要在超原子的折射率和周?chē)牧系恼凵渎手g實(shí)現較大差異。超透鏡的材料取決于相關(guān)應用的目標波長(cháng)范圍,其中,材料吸收應當盡可能小,并且制造技術(shù)能夠滿(mǎn)足特征尺寸要求。例如,硅通常被認為可用于激光雷達傳感器等近紅外(IR)應用,而對于二氧化鈦、氮化鎵和氮化硅,則可考慮將其用于可見(jiàn)波長(cháng)范圍內的攝像頭應用。


超透鏡是如何制造的?


制造方法將決定超透鏡設計中可能使用的超原子圖案。目前的制造方法包括:

  • 電子束光刻技術(shù):利用聚焦電子束在基板上創(chuàng )建納米級圖案,在納米制造中提供了卓越的精度以及多功能性。這種方法主要用于研究應用,因為它不適用于超透鏡的大規模生產(chǎn)。

  • DUV光刻技術(shù):利用深紫外線(xiàn)(DUV)光將復雜的圖案轉印到感光材料上。這使其成為半導體制造中用于高分辨率圖案的關(guān)鍵技術(shù)。

  • 納米壓印光刻技術(shù):涉及將帶有預定義納米結構的模具壓制到基板上。這為高精度納米級圖案復制提供了一種經(jīng)濟高效且可擴展的方法。


上述所有方法都支持在曲面XY平面中靈活定義超原子圖案,但它們對Z軸方向變化的支持能力有限。因此,許多當前的超透鏡設計都是基于二元形狀,其中的超原子圖案在Z軸上是均勻的,但在XY平面上是任意的。


此外,制造方法還會(huì )影響超透鏡材料的選擇。例如,光刻制造適合使用半導體制造中常用的硅或其它材料。納米壓印光刻技術(shù)還會(huì )使用不同類(lèi)型的UV或熱固化環(huán)氧樹(shù)脂。


總而言之,超透鏡為低成本大規模制造帶來(lái)了挑戰,因為它們將用于相位控制的小特征尺寸以及用于數值孔徑/光束尺寸的大尺寸相結合。我們仍處于超透鏡制造的早期階段,因此尚不了解某些材料系統或制造流程能否提供半導體和光子集成電路(PIC)行業(yè)所實(shí)現的規模經(jīng)濟。然而,在某些應用領(lǐng)域,相對于傳統光學(xué)元件而言,使用薄型超透鏡的優(yōu)勢可能超過(guò)其成本挑戰,特別是與先進(jìn)技術(shù)(如醫療內窺鏡)的系統成本相比。


超透鏡的優(yōu)勢是什么?


超透鏡是一種扁平式輕量化產(chǎn)品選項,可替代光學(xué)系統中笨重的傳統透鏡和其它組件。單個(gè)薄型超透鏡可以在復雜系統中結合多個(gè)光學(xué)元件的功能,例如,取代傳統點(diǎn)投影儀中使用的掩模和透鏡系統。此外,超透鏡還可用于實(shí)現偏振控制和分光等額外功能。事實(shí)上,偏振正被用于結合點(diǎn)投影儀和漫射器等光源中的多種功能,從而在A(yíng)R和計算攝影等應用中實(shí)現3D傳感。


超透鏡有哪些應用?


在任何需要減小系統中光學(xué)元件的尺寸和重量的情況下,超透鏡都有用武之地。其中包括用于自動(dòng)駕駛汽車(chē)和面部識別系統中的3D傳感的激光雷達;內窺鏡和顯微鏡等醫療設備;紅外和機器視覺(jué)攝像頭等監控系統;手機攝像頭、CMOS圖像傳感器及AR/VR設備等顯示和成像系統;以及全息圖。


超透鏡技術(shù)的未來(lái)發(fā)展


在芯片制造行業(yè)中,設計人員在特定制造流程中創(chuàng )建集成電路所用的一系列基本工具、庫和數據被整合在一起,形成了我們所說(shuō)的工藝設計套件(PDK)。隨著(zhù)超透鏡制造技術(shù)日趨成熟,我們有望看到PDK的興起,就像我們在半導體和PIC行業(yè)中見(jiàn)證的那樣。PDK支持超透鏡設計人員使用代工廠(chǎng)提供的經(jīng)過(guò)驗證的專(zhuān)有超原子結構,使他們能夠專(zhuān)注于具體應用,而不是亞波長(cháng)設計。因此,代工廠(chǎng)在超透鏡生態(tài)系統中發(fā)揮著(zhù)重要作用,該生態(tài)系統也包括超透鏡制造公司和無(wú)晶圓廠(chǎng)設計公司。隨著(zhù)設計人員開(kāi)始尋找可隨時(shí)用于復雜超透鏡設計的超原子庫,這一生態(tài)系統內部的合作伙伴關(guān)系將變得至關(guān)重要。


通過(guò)這種方式,PDK代表了超透鏡設計的“黑盒”構建塊。然而,它們需要搭配設計和仿真工具一起使用,通過(guò)良率分析和公差分析來(lái)探索可制造性。每次制造運行在資金和時(shí)間方面都成本高昂,因此,這類(lèi)分析對于通過(guò)開(kāi)發(fā)足夠穩健的設計來(lái)減少運行次數至關(guān)重要。


仿真在超透鏡設計中的作用


超透鏡是復雜的光學(xué)元件,如果不借助仿真則無(wú)法評估它對系統性能的影響。通過(guò)支持設計優(yōu)化、公差分析和良率分析,仿真可助力實(shí)現快速的設計決策。但是,對包含納米級超原子的厘米級超透鏡進(jìn)行高效仿真,以及隨后對光學(xué)系統中數十、數百或數千厘米大小的超透鏡進(jìn)行仿真并非易事。仿真工具不僅需要快速、準確、穩健,而且需要具備多尺度和多物理場(chǎng)特性。


在超透鏡中,超原子的大小和形狀隨位置的變化而均勻變化,從而將入射光聚焦到透鏡上。這種均勻的變化使我們可以使用嚴格的耦合波分析(RCWA)等高效算法來(lái)仿真超透鏡。超透鏡的RCWA建模結果隨后可以直接在工具內部使用,以通過(guò)傅里葉傳播或幾何光線(xiàn)追跡來(lái)仿真整個(gè)光學(xué)系統。


將超透鏡模型集成到整個(gè)系統仿真對設計流程至關(guān)重要。只有這樣,設計人員才能了解超透鏡在系統內的工作原理,以及該組件能否使系統在所需的尺寸和重量范圍內實(shí)現所需性能。隨著(zhù)超透鏡被集成到完整系統中,另外還有一點(diǎn)也變得越來(lái)越重要,即需要模擬機械應力和熱載荷對超透鏡以及整個(gè)光學(xué)系統性能的影響。


超透鏡增強型光學(xué)系統的設計工作流程遵循多個(gè)步驟,而Ansys光學(xué)工具之間簡(jiǎn)化的數據交換接口能夠為這些步驟提供支持。閱讀小規模和大規模超透鏡工作流程細節,以了解更多信息。需要注意的是,對于大規模超透鏡,系統可能包含數百億個(gè)超原子,因此工作流程的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節是將超透鏡結構高效導出為用于制造的GDS格式。


超透鏡代表著(zhù)先進(jìn)的創(chuàng )新技術(shù),有望改變廣泛應用和行業(yè)中的光學(xué)設計。它們的設計和制造既復雜又具有挑戰性。更具挑戰性的是,了解超透鏡在其所要支持的光學(xué)系統內部將如何表現。隨著(zhù)制造方法的演進(jìn)發(fā)展,仿真需要齊頭并進(jìn)。因此,對于當前和未來(lái)的超透鏡設計而言,穩健的多尺度、多物理場(chǎng)仿真架構至關(guān)重要。


仿真是一種超能力,它將助力我們在未來(lái)幾年內充分發(fā)揮這一先進(jìn)技術(shù)的優(yōu)勢。


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