国际光日II：传统玻璃透镜技术的革命性进展——超透镜
光纤在线编辑部 2022-05-17 14:23:27 文章来源：综合整理 版权所有,未经许可严禁转载.
导读：超透镜（metalanses），是一种全新的革命性平面透镜技术，用于传感，消费，汽车，AR/MR显示等领域。超透镜是一种平面透镜技术，使用超表面来实现光的聚焦。该技术凭借轻薄性和更好的性能，在2016年被科学杂志评为当年十大科技突破，2019年被世界经济论坛将超透镜列为当年的十大新兴技术之一
5/17/2022，光纤在线讯，Laser Focus World 5月3日的文章“超透镜的革命正在进行时”。根据丹麦NIL科技公司的定义，Meta光学，或者超透镜（metalanses），是一种全新的革命性平面透镜技术，用于传感，消费，汽车，AR/MR显示等领域。超透镜是一种平面透镜技术，使用超表面来实现光的聚焦。该技术凭借轻薄性和更好的性能，在2016年被科学杂志评为当年十大科技突破，2019年被世界经济论坛将超透镜列为当年的十大新兴技术之一。知乎上有文章定义说：“超透镜是利用人造亚波长单元结构在传统介质上进行波前调控的光学器件。”中科院物构所鲜辉博士的定义是“研究团队利用相位不连续性径向分布的超薄亚波长间隔V型纳米天线组成的超构表面的将光进行散射，从而可以分别产生电信波长下的球形波阵面和无衍射贝塞尔光束。然后研究团队利用精确控制每个单元结构来控制光的相位，从而使光汇聚到一点，即超构表面透镜。超构透镜的特性取决于如何合理设计纳米单元的排列组合。”
图丨哈佛大学教授 Federico Capasso（中）
超透镜技术的发明者是美国哈佛大学（Harvard University）的Federico Capasso教授。2016年，Capasso教授团队的研究人员展示了首个在可见光范围内有效工作的超透镜。他们设计的超透镜可以将光聚焦到一个直径约400nm的点上。与传统透镜相比，Capasso的团队使用了一种薄而扁平的结构，具有多个波导——类似微小的柱子——由二氧化钛（TiO2）制成的约600nm长的特定图案排列而成，并将这种波导称为“纳米鳍”。
该超透镜的光学性能号称优于目前任何商用透镜。具体来说，因为超透镜是扁平（平面）、超薄的，所以不会产生色差。它们也是无色的，因为所有波长的光线几乎同时通过。而且最重要的是，超透镜可以在现有的半导体代工厂大规模生产。
自那时以来，世界各地涌现出一系列超透镜技术领域的公司，比如上述丹麦的NIL，还有美国波士顿的MetalenZ, 华盛顿的Tunoptix，还有中国深圳的MetalanX等。超透镜的应用从普通相机到卫星通信无所不在。而商用化方面，NIL已经率先宣布量产。NILT在2021年展示的超光学元件（MOE）的绝对效率高达94%，创历史新高。2022年1月，Metalenz和通快（TRUMPF）联合现场演示了基于超透镜的智能手机应用照明功能，只需要两个智能元件即可创建泛光照明和结构光照明的功能：一个是具有稳定、先进线性偏振的通快VCSEL；另一个是在VCSEL上面集成的Metalenz超光学元件。II-VI公司也在基于同样的方式将超透镜用于3D场景构建，为消费电子产品和汽车应用提供了差异化的超紧凑型3D传感摄像头。
在超透镜的制造方面，Heidelberg Instruments/Multiphoton Optics基于Multiphoton Optics的MPO 100激光直接写入系统，开发了一种利用双光子聚合（two-photon polymerization，TPP）技术制造超透镜的开创性方法。
图丨 Capasso实验室制造的扫描电子显微镜下的超透镜
当然，现在超透镜技术还远不成熟。Laser Focous World的文章从成本，技术，软件模拟等多个领域分析该技术存在的问题。中科院物构所鲜辉博士的文章中提到和液晶技术的结合使其变得可重构正是该领域一个重要方向之一。对此，台湾和莲光电的蔡君伟博士在评价超透镜技术时告诉编辑：“他们的基于LCOS液晶空间相位调制器的透镜技术同上述超透镜在计算原来是相同的，但实际产品特性并不相同。Laser Focus World文章提到的晶圆级衍射光学元件或超透鏡，它就是如同一個透鏡的功能，但可以將尺寸縮小到一個厘米等級的規格，缺點是透鏡參數是無法改變的，如焦距5cm的透鏡或是10cm的透鏡，其超透鏡結構就是兩個完全不同的元件，相較於傳統光學透鏡而言，它的尺寸是非常小的；然而，我們的空間光調制器(Spatial Light Modulator, SLM)，基本上它雖然也是採用相同的衍射光学的計算方式，進而達到相同的透鏡效果，但不同的是，我們透鏡的參數可以動態進行調整，在相同的微型面板的尺寸下(~0.55")結構下，僅需載入不同的相位圖案，我們則可任意切換5cm或10cm的透鏡功能，甚至其他光學配件的功能，如光柵、透鏡陣列、全息顯示、螺旋相位板等。”
南京东南大学张彤教授告诉编辑，15年前他去哈佛交流，见到的第一个人就是Capasso教授。这或许是一种昭示，无论如何，这是一种革命性的光学技术，用半导体的方式生产光器件，必将是光学技术发展的方向。
编者发现，在深圳宝安就有一家从事超透镜的公司MetalenX。公司由新加坡国立大学和香港理工大学博士团队组成，公司独创单层超透镜设计理论及加工工艺，并率先在国内实现了批量化生产。该公司在由深圳市人力资源和社会保障局、深圳市教育局、中国共产主义青年团深圳市委员会联合主办的2021深圳“逐梦杯”大学生创新创业大赛决赛脱颖而出。
了解更多超透镜技术，可以上B站观看香港理工蔡定平教授的报告
https://www.bilibili.com/video/BV1A5411a7tf/
图丨哈佛大学教授 Federico Capasso（中）
超透镜技术的发明者是美国哈佛大学（Harvard University）的Federico Capasso教授。2016年，Capasso教授团队的研究人员展示了首个在可见光范围内有效工作的超透镜。他们设计的超透镜可以将光聚焦到一个直径约400nm的点上。与传统透镜相比，Capasso的团队使用了一种薄而扁平的结构，具有多个波导——类似微小的柱子——由二氧化钛（TiO2）制成的约600nm长的特定图案排列而成，并将这种波导称为“纳米鳍”。
该超透镜的光学性能号称优于目前任何商用透镜。具体来说，因为超透镜是扁平（平面）、超薄的，所以不会产生色差。它们也是无色的，因为所有波长的光线几乎同时通过。而且最重要的是，超透镜可以在现有的半导体代工厂大规模生产。
自那时以来，世界各地涌现出一系列超透镜技术领域的公司，比如上述丹麦的NIL，还有美国波士顿的MetalenZ, 华盛顿的Tunoptix，还有中国深圳的MetalanX等。超透镜的应用从普通相机到卫星通信无所不在。而商用化方面，NIL已经率先宣布量产。NILT在2021年展示的超光学元件（MOE）的绝对效率高达94%，创历史新高。2022年1月，Metalenz和通快（TRUMPF）联合现场演示了基于超透镜的智能手机应用照明功能，只需要两个智能元件即可创建泛光照明和结构光照明的功能：一个是具有稳定、先进线性偏振的通快VCSEL；另一个是在VCSEL上面集成的Metalenz超光学元件。II-VI公司也在基于同样的方式将超透镜用于3D场景构建，为消费电子产品和汽车应用提供了差异化的超紧凑型3D传感摄像头。
在超透镜的制造方面，Heidelberg Instruments/Multiphoton Optics基于Multiphoton Optics的MPO 100激光直接写入系统，开发了一种利用双光子聚合（two-photon polymerization，TPP）技术制造超透镜的开创性方法。
图丨 Capasso实验室制造的扫描电子显微镜下的超透镜
当然，现在超透镜技术还远不成熟。Laser Focous World的文章从成本，技术，软件模拟等多个领域分析该技术存在的问题。中科院物构所鲜辉博士的文章中提到和液晶技术的结合使其变得可重构正是该领域一个重要方向之一。对此，台湾和莲光电的蔡君伟博士在评价超透镜技术时告诉编辑：“他们的基于LCOS液晶空间相位调制器的透镜技术同上述超透镜在计算原来是相同的，但实际产品特性并不相同。Laser Focus World文章提到的晶圆级衍射光学元件或超透鏡，它就是如同一個透鏡的功能，但可以將尺寸縮小到一個厘米等級的規格，缺點是透鏡參數是無法改變的，如焦距5cm的透鏡或是10cm的透鏡，其超透鏡結構就是兩個完全不同的元件，相較於傳統光學透鏡而言，它的尺寸是非常小的；然而，我們的空間光調制器(Spatial Light Modulator, SLM)，基本上它雖然也是採用相同的衍射光学的計算方式，進而達到相同的透鏡效果，但不同的是，我們透鏡的參數可以動態進行調整，在相同的微型面板的尺寸下(~0.55")結構下，僅需載入不同的相位圖案，我們則可任意切換5cm或10cm的透鏡功能，甚至其他光學配件的功能，如光柵、透鏡陣列、全息顯示、螺旋相位板等。”
南京东南大学张彤教授告诉编辑，15年前他去哈佛交流，见到的第一个人就是Capasso教授。这或许是一种昭示，无论如何，这是一种革命性的光学技术，用半导体的方式生产光器件，必将是光学技术发展的方向。
编者发现，在深圳宝安就有一家从事超透镜的公司MetalenX。公司由新加坡国立大学和香港理工大学博士团队组成，公司独创单层超透镜设计理论及加工工艺，并率先在国内实现了批量化生产。该公司在由深圳市人力资源和社会保障局、深圳市教育局、中国共产主义青年团深圳市委员会联合主办的2021深圳“逐梦杯”大学生创新创业大赛决赛脱颖而出。
了解更多超透镜技术，可以上B站观看香港理工蔡定平教授的报告
https://www.bilibili.com/video/BV1A5411a7tf/
光纤在线公众号
更多猛料！欢迎扫描左方二维码关注光纤在线官方微信