微纳制造十大应用 | 超透镜：革新光学技术的明日之星

超表面作为超透镜的关键组成部分，实质上是一种微纳结构的二维平面。通过精准地调整这些微纳结构（如结构的形状、旋转方向、高度等），科学家能够对入射光的各种属性进行高度特定的调控。这意味着，与传统的多透镜组系统相比，超透镜能够在一个极薄的层面上完成复杂的光学操作。

相对于传统透镜，超透镜有三大优点：轻薄、便宜、高效。

1. 尺寸与重量

相较于传统透镜的厚度通常在毫米至分米之间，超透镜的厚度仅为百纳米至微米级，相当于人的头发丝的五十分之一。因其体积小、重量轻，使得超透镜在高度紧凑的光学系统中具有无可比拟的优势。

2. 成本效益

传统透镜的生产通常涉及复杂的研磨和抛光过程，而超透镜则通过半导体芯片工艺进行大批量生产，大大降低了生产成本。据统计，大批量生产的超透镜成本仅为传统透镜的25%。

3. 灵活性与集成性

由于其二维平面结构，超透镜更容易与其他电子和光学组件集成，这一特点为各种高精度、小型化的光学应用打开了新的可能。

超透镜的应用

如今，超透镜正在多个领域展示出其强大的应用潜力，主要可落地在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面。作为一项颠覆性的技术，超透镜不仅有可能改变我们与世界互动的方式，更有潜力引领整个光学产业进入一个全新的时代。

VR/AR行业可能“首当其冲”。根据天风国际分析师郭明錤在今年四月份的推文表示，“供应链预计将在2024年量产Apple的Metalens，预计用于取代iPad的Face ID Tx的塑料镜头”。也就是说，苹果公司正在开发超透镜技术（Metalens），以取代设备中的塑料镜片，而该技术将最先适用于Face ID上，然后是相机镜头，最终是AR眼镜。

尽管苹果当前推出的产品是以空间计算技术（OST）为主的Vision Pro，但苹果AR眼镜向来被认为可能是苹果公司未来最具潜力和影响力的产品之一，也是苹果公司进入下一个十年的重要布局。

但制造一款符合市场需求的AR眼镜并非易事，因其需满足一系列复杂标准，包括但不限于轻量级、舒适度、外观设计、持久性、安全性及智能交互。其中，光学技术的瓶颈尤为明显。

透镜作为AR眼镜的关键组件，负责将显示图像高效聚焦至用户视网膜，以实现清晰、真实的视觉体验。目前市面上大多数AR眼镜仍依赖体积庞大、重量较重的曲面透镜，这不仅对产品的便携性造成限制，还可能导致色差、视场畸变和视疲劳等问题。

这也是为什么苹果会选择研发超透镜技术，因为该技术不仅可以解决XR产品的光学问题，还能解决各类电子数码产品，如手机，相机等产品的光学镜头凸出问题，优化光学。

自动驾驶领域也在超透镜的研发中加快了步伐。

据了解，LG和三星正在研发超透镜，计划将其用于汽车自动驾驶的超薄摄像头。LG集团旗下负责摄像头开发的子公司LG Innotek， 表示正在开发一种厚度仅有普通玻璃或塑料透镜万分之一的超透镜。LG Innotek首席技术官（CTO）Kang Min-seok也在采访中表示：“我们希望利用超构透镜代替折射透镜来实现超薄摄像头。汽车是我们首个应用目标，后续还将用于各种移动产品和相机。”

超透镜的制造工艺

商业化进展

关于平面超透镜的研究始于十年前，哈佛大学Federico Capasso教授团队从2011年起开始引领超透镜的科研发展方向并进行产业化尝试，于2012年发表了基于纳米单元结构的超构表面透镜设计，并于2016年发表了在可见光谱范围内工作的超透镜，还成功登上了《Science》的封面。

据了解，他们设计的这款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教授团队使用了一种特殊的结构，具有多个波导（引导电磁波的结构）——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，将这种波导称为“纳米鳍”。

2016年，基于Capasso教授的研究，成立了从哈佛大学分离出来的创业公司Metalenz Inc. 该公司在2021年与意法半导体正式签署合作协议，共同开发光学超构表面技术的制造工艺。得益于意法半导体的先进制造能力和市场地位，Metalenz的超透镜产品实现量产，超构表面技术得以快速商业化。

主要参与者

被誉为光学光电子领域革命性技术，超构表面技术一经公布就引起业界的广泛关注和研究。除了Metalenz Inc.也有一些创业公司投身该技术的商业化进程。其中包括成立于2017年，由威斯康星大学孵化的Tunoptix, Inc. 将超透镜与微机电(MEMS) 设备集成在一起，创造出具有自动对焦和变焦功能的小型可调镜头。

位于丹麦的NIL Technology（NILT）是一家纳米压印技术解决方案商，近年来转型为光学解决方案公司，一站式提供从设计到量产的超透镜解决方案。NILT超光学元件（MOE）生产的整个过程，从设计、原型制作、组装到批量生产，都是在内部完成的。大规模生产由纳米压印完成，与半导体工艺不同，纳米压印对尺寸、形状和位置等元原子几何形状没有任何限制。据称，NILT的超光学元件具有创纪录的94%的绝对效率。

加拿大公司Metamaterials Inc.——一家高性能功能材料和纳米复合材料的开发商，早期主要做防伪材料，近年来主攻超构表面材料及其在AR领域应用。

越来越多的创业公司加入其中，不少大公司也对此表现出浓厚的兴趣，其中包括洛克希德马丁（Lockheed Martin）、英特尔、3M、爱特蒙特光学（Edmund Optics）、空中客车（Airbus）、应用材料（Applied Materials）和TDK等。

• 台积电子公司，图像传感器厂商采钰科技(VisEra)称，目前公司微光学元件部门130多名研发工程师中，就有50位专门投入在超构表面技术的研发。

• Canon在2023年10月份举办的“Canon Expo 2023”上展示了基于超透镜芯片的镜头模组，以及制造超透镜芯片的纳米压印光刻设备。

据报道，国内超构表面光器件初创公司苏州山河光电科技有限公司、深圳迈塔兰斯科技有限公司在今年都获得千万元级投资。值得注意的是，山河光电此轮融资由国内光学龙头——舜宇光学科技(02382)旗下舜宇产业基金领投。

小结

超透镜技术在轻便性、成本效益和高效性方面表现出显著优势，理论上有能力取代目前市场上绝大多数光学透镜系统。

然而，由于当前制造工艺的局限性以及在解决可见光及更高频率光的色散方面基础理论的不足，超透镜技术主要还是局限于红外光范畴的应用，例如在光谱仪和ToF（Time-of-Flight）模组中。

随着“大厂”对超透镜的规模化应用，超透镜工艺将更加稳定且成本可控，预计在未来2-3年内，超透镜将首先在消费电子产品中得到广泛应用。并且也有机会拓展更多创新功能，比如利用超透镜获取偏振信息，可用于目标材料属性的识别，未来有望应用于扫地机器人等的精细避障等场景。