光學(xué)透鏡是光學(xué)與光電子學(xué)中的基本光學(xué)器件之一。光學(xué)透鏡已廣泛應(yīng)用于芯片的制造、超分辨科學(xué)以及眾多高科技產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)與制造水平一定程度上代表了光科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展水平。

光學(xué)透鏡是光學(xué)儀器的關(guān)鍵零件，從眼鏡、相機(jī)、顯微鏡到望遠(yuǎn)鏡等都有應(yīng)用。傳統(tǒng)光學(xué)透鏡是以玻璃或其他透明材料制成，例如生活中常使用的相機(jī)是由許多傳統(tǒng)透鏡組合而成。與傳統(tǒng)透鏡相比，超透鏡極大的優(yōu)點(diǎn)就是體積非常微型化，同時(shí)實(shí)現(xiàn)的功能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)透鏡，超透鏡可以小到肉眼幾乎不能看見，一片超透鏡就可以取代相機(jī)中的透鏡組。

數(shù)值孔徑是光學(xué)透鏡極重要的基本參量，衡量著光學(xué)系統(tǒng)的成像能力，一直以來，各國科學(xué)家為增加透鏡的數(shù)值孔徑爭相努力。中山大學(xué)利用 Ansys Lumerical FDTD，在有限的時(shí)間內(nèi)評估不同超構(gòu)光學(xué)透鏡方案并得到理想選擇，大幅節(jié)約了評估時(shí)間和成本。

超透鏡的厚度通常是在微納米級(jí)，采用超透鏡的產(chǎn)品，例如手機(jī)、相機(jī)的鏡頭或是監(jiān)視器鏡頭尺寸都可以很小，產(chǎn)品整體體積自然可以輕量化。另外，超透鏡除了可見光之外，還適用于傳統(tǒng)透鏡無法使用的光譜，例如紅外光、紫外光等。

此外，因?yàn)槌哥R可以采用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體元件制程技術(shù)來制造，材料也跟集成電路芯片材料相關(guān)、現(xiàn)有的半導(dǎo)體制備工藝足夠應(yīng)對，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，且不像傳統(tǒng)透鏡需要精細(xì)打磨、拋光，因此價(jià)格比目前的鏡頭更便宜。

加工得到的超構(gòu)光學(xué)透鏡在掃描電子顯微鏡下的圖像

注 1：數(shù)值孔徑是光學(xué)透鏡極重要的基本參量，是衡量光學(xué)系統(tǒng)成像能力的標(biāo)尺。對于顯微物鏡，數(shù)值孔徑越大，成像光斑越小，成像細(xì)節(jié)越清晰。

注 2：超構(gòu)表面是一種具有橫向亞波長尺度的微納光學(xué)器件，可以在不到一個(gè)光學(xué)波長的結(jié)構(gòu)層上實(shí)現(xiàn)全 2π 相位的精確控制，從而實(shí)現(xiàn)對光波相位、偏振方式、傳播方向等特性的靈活有效調(diào)控。

中山大學(xué)發(fā)現(xiàn) Ansys Lumerical FDTD 的能力與他們的研發(fā)需求高度契合：Lumerical 作為專業(yè)的模擬光學(xué)仿真軟件，有強(qiáng)大的設(shè)計(jì)環(huán)境，能夠?yàn)楣庾釉O(shè)計(jì)師提供具有創(chuàng)造性，高精確度和成本效益的設(shè)計(jì)解決方案，并能提供理想的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件和技術(shù)服務(wù)：

1. Ansys Lumerical FDTD 軟件仿真解決方案，提供可靠的納米級(jí)元素分析結(jié)果

2. Ansys Lumerical FDTD 軟件，模擬與不同情況相對應(yīng)的各種組成材料和背景材料設(shè)置

3. Ansys Lumerical FDTD 實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確模擬超構(gòu)光學(xué)透鏡

4. Ansys Lumerical FDTD 實(shí)現(xiàn)與 Ansys Zemax 軟件交互集成，可以進(jìn)行仿真數(shù)據(jù)互傳

利用 Ansys Lumerical FDTD 軟件仿真模擬得到的超構(gòu)光學(xué)透鏡的聚焦光斑強(qiáng)度分布圖，左邊為超構(gòu)透鏡位于空氣中，右邊為透鏡位于油中

實(shí)驗(yàn)測試與仿真模擬得到的超構(gòu)光學(xué)透鏡聚焦光斑強(qiáng)度對比，左邊為超構(gòu)透鏡位于空氣中，右邊為透鏡位于油中?？梢钥闯?Ansys Lumerical FDTD 的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果很接近，證明了軟件的可靠性。

利用 Ansys Lumerical FDTD，中山大學(xué)在有限的時(shí)間內(nèi)評估了不同的超構(gòu)光學(xué)透鏡方案，并獲得了選擇理想方案的可靠數(shù)據(jù)。仿真是此項(xiàng)研發(fā)中的重要工具，為中山大學(xué)節(jié)約了大量方案選擇時(shí)間，減少材料消耗，減少試驗(yàn)次數(shù)，節(jié)省人力，降低風(fēng)險(xiǎn)。

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