然而，設計能夠滿足系統(tǒng)要求并且適合大規(guī)模制造的超透鏡仍然極具挑戰(zhàn)。這在一定程度上是因為超透鏡的直徑范圍相當廣，當它們被部署在圖像傳感器和內(nèi)窺鏡等緊湊型設備中時，其直徑低至數(shù)百微米，而當它們被用于替換手機攝像頭或增強現(xiàn)實（AR）設備等系統(tǒng)中較厚的折射組件時，其直徑可達數(shù)厘米（或更大）。

穩(wěn)健的超透鏡設計需要多尺度、多物理場仿真，其能夠?qū)@種大范圍孔徑的透鏡性能和更大光學系統(tǒng)內(nèi)部的超透鏡性能進行精確評估。?

超透鏡利用介電表面上的亞波長“超原子”圖案來控制入射光。具體而言，超原子圖案會改變?nèi)肷涔馐南辔环植?，從而導致光束彎曲（重定向）。超原子是微小的納米級結(jié)構，具有不同的形狀和大小，其在透鏡上的位置是任意的，旨在控制光的相互作用。雖然超透鏡中的“透鏡”一詞意味著這些元件能夠像傳統(tǒng)透鏡一樣用于聚焦光線，但業(yè)界一直使用超透鏡這個術語來涵蓋相位控制所提供的廣泛功能。

為了實現(xiàn)這種相位控制，超透鏡需要在超原子的折射率和周圍材料的折射率之間實現(xiàn)較大差異。超透鏡的材料取決于相關應用的目標波長范圍，其中，材料吸收應當盡可能小，并且制造技術能夠滿足特征尺寸要求。例如，硅通常被認為可用于激光雷達傳感器等近紅外（IR）應用，而對于二氧化鈦、氮化鎵和氮化硅，則可考慮將其用于可見波長范圍內(nèi)的攝像頭應用。

制造方法將決定超透鏡設計中可能使用的超原子圖案。目前的制造方法包括：

• 電子束光刻技術：利用聚焦電子束在基板上創(chuàng)建納米級圖案，在納米制造中提供了卓越的精度以及多功能性。這種方法主要用于研究應用，因為它不適用于超透鏡的大規(guī)模生產(chǎn)。

• DUV光刻技術：利用深紫外線（DUV）光將復雜的圖案轉(zhuǎn)印到感光材料上。這使其成為半導體制造中用于高分辨率圖案的關鍵技術。

• 納米壓印光刻技術：涉及將帶有預定義納米結(jié)構的模具壓制到基板上。這為高精度納米級圖案復制提供了一種經(jīng)濟高效且可擴展的方法。

  
  

上述所有方法都支持在曲面XY平面中靈活定義超原子圖案，但它們對Z軸方向變化的支持能力有限。因此，許多當前的超透鏡設計都是基于二元形狀，其中的超原子圖案在Z軸上是均勻的，但在XY平面上是任意的。

此外，制造方法還會影響超透鏡材料的選擇。例如，光刻制造適合使用半導體制造中常用的硅或其它材料。納米壓印光刻技術還會使用不同類型的UV或熱固化環(huán)氧樹脂。

總而言之，超透鏡為低成本大規(guī)模制造帶來了挑戰(zhàn)，因為它們將用于相位控制的小特征尺寸以及用于數(shù)值孔徑/光束尺寸的大尺寸相結(jié)合。我們?nèi)蕴幱诔哥R制造的早期階段，因此尚不了解某些材料系統(tǒng)或制造流程能否提供半導體和光子集成電路（PIC）行業(yè)所實現(xiàn)的規(guī)模經(jīng)濟。然而，在某些應用領域，相對于傳統(tǒng)光學元件而言，使用薄型超透鏡的優(yōu)勢可能超過其成本挑戰(zhàn)，特別是與先進技術（如醫(yī)療內(nèi)窺鏡）的系統(tǒng)成本相比。

在芯片的制造行業(yè)中，設計人員在特定制造流程中創(chuàng)建集成電路所用的一系列基本工具、庫和數(shù)據(jù)被整合在一起，形成了我們所說的工藝設計套件（PDK）。隨著超透鏡制造技術日趨成熟，我們有望看到PDK的興起，就像我們在半導體和PIC行業(yè)中見證的那樣。PDK支持超透鏡設計人員使用代工廠提供的經(jīng)過驗證的專有超原子結(jié)構，使他們能夠?qū)Ｗ⒂诰唧w應用，而不是亞波長設計。因此，代工廠在超透鏡生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，該生態(tài)系統(tǒng)也包括超透鏡制造公司和無晶圓廠設計公司。隨著設計人員開始尋找可隨時用于復雜超透鏡設計的超原子庫，這一生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部的合作伙伴關系將變得至關重要。

通過這種方式，PDK代表了超透鏡設計的“黑盒”構建塊。然而，它們需要搭配設計和仿真工具一起使用，通過良率分析和公差分析來探索可制造性。每次制造運行在資金和時間方面都成本高昂，因此，這類分析對于通過開發(fā)足夠穩(wěn)健的設計來減少運行次數(shù)至關重要。

超透鏡是復雜的光學元件，如果不借助仿真則無法評估它對系統(tǒng)性能的影響。通過支持設計優(yōu)化、公差分析和良率分析，仿真可助力實現(xiàn)快速的設計決策。但是，對包含納米級超原子的厘米級超透鏡進行高效仿真，以及隨后對光學系統(tǒng)中數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千厘米大小的超透鏡進行仿真并非易事。仿真工具不僅需要快速、準確、穩(wěn)健，而且需要具備多尺度和多物理場特性。

在超透鏡中，超原子的大小和形狀隨位置的變化而均勻變化，從而將入射光聚焦到透鏡上。這種均勻的變化使我們可以使用嚴格的耦合波分析（RCWA）等高效算法來仿真超透鏡。超透鏡的RCWA建模結(jié)果隨后可以直接在工具內(nèi)部使用，以通過傅里葉傳播或幾何光線追跡來仿真整個光學系統(tǒng)。

將超透鏡模型集成到整個系統(tǒng)仿真對設計流程至關重要。只有這樣，設計人員才能了解超透鏡在系統(tǒng)內(nèi)的工作原理，以及該組件能否使系統(tǒng)在所需的尺寸和重量范圍內(nèi)實現(xiàn)所需性能。隨著超透鏡被集成到完整系統(tǒng)中，另外還有一點也變得越來越重要，即需要模擬機械應力和熱載荷對超透鏡以及整個光學系統(tǒng)性能的影響。

超透鏡增強型光學系統(tǒng)的設計工作流程遵循多個步驟，而Ansys光學工具之間簡化的數(shù)據(jù)交換接口能夠為這些步驟提供支持。閱讀小規(guī)模和大規(guī)模超透鏡工作流程細節(jié)，以了解更多信息。需要注意的是，對于大規(guī)模超透鏡，系統(tǒng)可能包含數(shù)百億個超原子，因此工作流程的一個關鍵環(huán)節(jié)是將超透鏡結(jié)構高效導出為用于制造的GDS格式。

超透鏡代表著先進的創(chuàng)新技術，有望改變廣泛應用和行業(yè)中的光學設計。它們的設計和制造既復雜又具有挑戰(zhàn)性。更具挑戰(zhàn)性的是，了解超透鏡在其所要支持的光學系統(tǒng)內(nèi)部將如何表現(xiàn)。隨著制造方法的演進發(fā)展，仿真需要齊頭并進。因此，對于當前和未來的超透鏡設計而言，穩(wěn)健的多尺度、多物理場仿真架構至關重要。

仿真是一種超能力，它將助力我們在未來幾年內(nèi)充分發(fā)揮這一先進技術的優(yōu)勢。

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