模擬解鎖未來技術　超穎透鏡輕巧打造光學系統

超穎透鏡帶來哪些好處？

(承前文)超穎透鏡是扁平且輕量的選項，可以替代光學系統中龐大的傳統鏡片和其他元件。一片薄型超穎透鏡可以在複雜系統中結合多個光學元件的功能，例如取代傳統點陣投影機(Dot Projector)所使用的遮罩和鏡片系統。超穎透鏡還可以實現額外功能，如偏振操控(Polarization Manipulation)和分光(Splitting)。實際上，在AR和運算攝影等應用的3D感測中，得力於光源偏振特性，超穎表面能夠結合點陣投影和擴散器功能。

超穎透鏡的應用有哪些？

超穎透鏡可以應用於任何需要縮小系統光學元件尺寸和減輕重量的案例。這些應用包括：自動駕駛汽車和人臉識別系統中進行3D感測的光達、醫療設備(如內視鏡和顯微鏡)、監控系統(如紅外線攝影機和機器視覺攝影機)、顯示和成像系統(如手機相機、CMOS影像感測器和AR/VR頭戴式裝置)；以及全像術(Holography)。

超穎透鏡的未來技術

在晶片製造產業中，設計人員使用一組基本工具，包含資料庫和數據，在特定製造過程中創建積體電路，這組工具被統稱為流程設計套件(Process Design Kit, PDK)。隨著超穎透鏡的製造技術持續成熟，可以期待看到類似於半導體和光子積體電路產業的PDK出現。PDK讓超穎透鏡設計人員能夠使用晶圓廠提供的專有和經過驗證的超穎原子結構，設計人員的注意力可以集中在應用身上，而不是次波長設計。因此，晶圓廠在超穎透鏡生態系中發揮著重要作用，該生態系也包括超穎透鏡製造公司和無晶圓廠設計公司。當設計人員開始尋找可以立即使用來設計其複雜超穎透鏡的超穎原子庫時，在生態系中建立合作夥伴關係將至關重要。

透過這種方式，PDK代表著超穎透鏡設計的「黑盒」基本模組。不過，PDK仍需要和設計及模擬工具搭配使用，這些工具透過產量分析和公差分析來判斷可製造性(Manufacturability)。由於每次進行生產製造都將耗費大量時間與金錢，預先進行上述分析來開發有效穩健的設計，藉此減少運行次數，十分重要。

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，對系統效能的影響無法在沒有模擬的情況下進行評估。模擬可以支援設計優化、公差分析和產量分析，快速找出設計方向。然而，若要模擬包含奈米級超穎原子的公分級超穎透鏡，並接著模擬將該超穎透鏡放到可能具有數十、數百或數千公分尺寸光學系統中的情況，絕非易事。模擬工具需要快速、準確、穩健，並具有多尺度和多物理場的性質。

超穎透鏡中，超穎原子的大小和形狀會隨著位置平滑變化，以聚焦照射到鏡片上的光。這種平滑變化使得超穎透鏡能夠使用高效的演算法進行模擬，比如嚴格耦合波分析(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)。RCWA模擬超穎透鏡的結果可以直接在用於模擬完整光學系統的工具中使用，使用傅立葉傳播(Fourier Propagation)或幾何光線追蹤。

將超穎透鏡模型整合到完整系統模擬中，對設計過程至關重要。唯有如此，設計人員才能了解超穎透鏡在系統內的運作方式，以及該元件是否能夠使系統在限定大小和重量範圍內實現所需的性能。隨著超穎透鏡被整合到完整系統中，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也變得越來越重要。

相關模擬方案能夠協助超穎透鏡設計，例如，超穎透鏡光學系統的設計工作流程遵循一系列步驟，這些步驟便可透過Ansys光學工具之間的簡化數據交換介面支援。對於大尺寸超穎透鏡，系統可能包含數百億個超穎原子，因此，大尺寸超穎透鏡設計工作流程的一個關鍵是將超穎透鏡結構有效地導出為GDS格式進行製造。

超穎透鏡是一項先進而創新的技術，有潛力在廣泛的應用和產業中改變光學設計。超穎透鏡的設計和製造複雜且具有挑戰，更具挑戰性的是理解超穎透鏡在其所應用的光學系統內的行為。隨著製造方法的演進，模擬需要跟上步伐。因此，穩健的多尺度和多物理場的模擬架構對當前和未來超穎透鏡的設計至關重要。模擬將解鎖我們探索未來先進技術的能力。

(本文作者為Ansys資深計畫總監)

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