模擬解鎖未來技術　超穎透鏡輕巧打造光學系統(1)

在複雜的成像和照明設備中，如何在縮小系統體積和重量的同時維持相同光學特性，是設計者的難題。隨著製程能力發展，超穎透鏡(Metalens)，或是超穎表面(Metasurface)，逐漸成為解決方案，單個超穎透鏡就可以達到和多個傳統光學元件相同的效能。

然而，設計出能滿足系統要求且能大規模生產的超穎透鏡仍是重大挑戰，部分原因是超穎透鏡的直徑變化在不同應用中差異甚大。舉例來說，在影像感測器和內視鏡等小型裝置中，超穎透鏡的直徑範圍約為數百微米(μm)；若是替換手機相機或AR頭戴式裝置中較厚的折射元件，則直徑範圍可達數公分或甚至更大。

實現穩健的超穎透鏡設計需要多尺度、多物理場的模擬，以準確評估不同孔徑大小鏡片的效能，以及超穎透鏡在更大光學系統內的表現。

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)」圖案來操控入射光。具體來說，超穎原子圖案改變了入射光束的相位分布，使光束發生偏折(重新導向)。超穎原子是微小的奈米級結構，具有不同的形狀和大小，設計者在鏡片上排布超穎原子，就能控制光束。儘管超穎透鏡中的「鏡片」暗示著這些元件像傳統鏡片一樣，被用於聚焦光線，但這個術語已經被業界採用，用來涵蓋相位操控(Phase Manipulation)所帶來的各種功能。

為了實現此類相位操控，超穎透鏡需要讓超穎原子的折射率與周圍材料折射率具有一定差異。超穎透鏡所使用的材料取決於應用的目標波長範圍，在這個範圍內，材料吸收最小，並且製造技術能夠滿足特定的要求限制。例如，光達感測器等近紅外(IR)應用常考慮使用矽(Si)作為材料；可見波長範圍內的相機應用則考慮選用二氧化鈦(TiO2)、氮化鎵(GaN)和氮化矽(Si3N4)作為材料。

如何生產超穎透鏡？

超穎透鏡的製造方法將決定超穎透鏡設計中能滿足製程限制的超穎原子圖案。目前的製造方法包括：

．電子束微影(E-beam Lithography)，利用聚焦的電子束在基板上創建奈米級圖案，在奈米製造中提供卓越的精度和靈活性。此方法主要用於研究應用，不適用於超穎透鏡的大規模生產。

．深紫外光微影(DUV Lithography)，利用深紫外光(DUV)將精細圖案轉移到感光材料上，為半導體製程中，高解析度圖案製作的關鍵技術。

．奈米壓印微影(Nanoimprint Lithography)，將具有事先定義奈米結構的模具壓到基板上。此做法以高精度複製奈米級圖案，同時也可提升產量，符合經濟效益。

上述所有方法都能靈活定義超穎表面XY平面上的超穎原子圖案，但它們都無法應付Z方向變化。因此，目前許多超穎透鏡基於二進制形狀(Binary Shape)設計，超穎原子圖案在Z方向上一致(Uniform)，在XY平面上則為任意(Arbitrary)。

製造方法將影響超穎透鏡材料的選擇。舉例來說，微影製造適合矽和其他在半導體製程中已經頻繁使用的材料；奈米壓印微影技術也使用不同類型的UV或熱固化環氧樹脂。

總結來說，超穎透鏡在大規模低成本製造方面存在挑戰，因為它們結合了小尺寸單元(用於相位操控)和大面積透鏡尺寸(用於數值孔徑/光束大小)。目前仍處於超穎透鏡製造的早期階段，因此還不清楚一些材料系統或製造方式是否能夠發展成規模經濟，跟半導體和光子積體電路(PIC)產業一樣。不過，在某些應用領域中，使用薄型超穎透鏡相對於傳統光學的優勢可能會超過其成本，特別是在與複雜技術(如醫學內視鏡)的系統成本進行比較時。

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