超構(gòu)透鏡（metalens）是一種極薄的新型平面光學(xué)元件，但它能夠?qū)鹘y(tǒng)大尺寸曲面光學(xué)元件的多種功能整合到一個(gè)超緊湊的封裝中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）/虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）設(shè)備、汽車激光雷達(dá)（LiDAR）、手機(jī)攝像頭、夜視設(shè)備、地形測繪以及人臉識(shí)別等應(yīng)用都能通過超構(gòu)透鏡顯著獲益。

2019年，世界經(jīng)濟(jì)論壇（World Economic Forum）將超構(gòu)透鏡列為十大新興技術(shù)之一，對(duì)于消費(fèi)、醫(yī)療保健、航空航天和國防應(yīng)用實(shí)現(xiàn)各種下一代產(chǎn)品至關(guān)重要。美國馬薩諸塞州無論是高等教育還是工業(yè)領(lǐng)域，一直是光學(xué)研究和制造業(yè)的領(lǐng)先地區(qū)。

2023年10月，馬薩諸塞州技術(shù)合作組織（MassTech）宣布撥款500萬美元，加速該地區(qū)光學(xué)研究和制造技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用。這筆撥款將支持馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校（UMass Amherst）在校內(nèi)建設(shè)一座開放式的先進(jìn)光學(xué)制造及表征基礎(chǔ)設(shè)施，成為可供全州行業(yè)合作伙伴和研究人員使用的獨(dú)特資源。

馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校聚合物科學(xué)與工程教授、該項(xiàng)目聯(lián)合首席研究員James Watkins表示：“這些設(shè)施中最先進(jìn)的機(jī)臺(tái)和加工能力將有助于大大降低投身光學(xué)領(lǐng)域的很多小企業(yè)甚至大型公司的風(fēng)險(xiǎn)。通過補(bǔ)強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈重要環(huán)節(jié)，這將有助于激勵(lì)企業(yè)創(chuàng)新、擴(kuò)大規(guī)模，最終將新產(chǎn)品推向市場。”

光學(xué)元件正迎來變革

傳統(tǒng)的透鏡通常是曲面設(shè)計(jì)且尺寸較大，已經(jīng)有數(shù)百年歷史。大約十多年前，科學(xué)家們開發(fā)出了超薄的超構(gòu)透鏡，其厚度僅約為頭發(fā)絲的1/100，卻能夠提供先進(jìn)的功能和更好的性能，這在過去通常需要由四到六片傳統(tǒng)透鏡組成的大型光學(xué)系統(tǒng)才能實(shí)現(xiàn)。

Watkins說：“超構(gòu)透鏡可以在更小的封裝中實(shí)現(xiàn)更高的性能。單個(gè)超構(gòu)透鏡可以執(zhí)行多種功能，具體取決于其表面微型光學(xué)元件的尺寸、形狀和排布。”

該項(xiàng)目共同首席研究員、馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校電氣和計(jì)算機(jī)工程助理教授Amir Arbabi表示：“除了替代傳統(tǒng)透鏡和光學(xué)組件，超構(gòu)透鏡還可以提供新穎的功能，賦能微型片上光學(xué)系統(tǒng)，如相機(jī)、顯微鏡、光譜儀、激光雷達(dá)等。”Arbabi是超構(gòu)光學(xué)領(lǐng)域的先驅(qū)，過去十年來，他發(fā)明并展示了許多超構(gòu)光學(xué)器件和系統(tǒng)，并在該領(lǐng)域擁有40多項(xiàng)專利。“由于消除了與對(duì)準(zhǔn)和組裝相關(guān)的成本，這種完全集成的光學(xué)系統(tǒng)可以使用超構(gòu)光學(xué)技術(shù)以低成本制造。”

傳統(tǒng)上，超構(gòu)透鏡是在半導(dǎo)體代工廠制造的，制造成本較高，而且采用的是減法制造工藝——本質(zhì)是在一層材料中刻蝕出所需要的圖案。

馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校新的光學(xué)制造和表征基礎(chǔ)設(shè)施，采用了Watkins研究小組開發(fā)的增材制造工藝。正如他所解釋的，增材制造在成本、材料和能源使用方面比傳統(tǒng)的減法工藝效率高得多，而且可以在更小、更經(jīng)濟(jì)的設(shè)施中進(jìn)行。

Watkins解釋稱：“我們的團(tuán)隊(duì)致力于在先進(jìn)材料上構(gòu)建小到人眼無法看見的微結(jié)構(gòu)，最終提供全新性能水平的先進(jìn)光學(xué)器件，并將為產(chǎn)業(yè)帶來巨大影響。”

Watkins說：“我們的光學(xué)研究成果可以帶來真正身臨其境、輕便易戴的智能眼鏡；使自動(dòng)駕駛汽車更加安全的環(huán)境感知；弱光下解鎖設(shè)備的人臉識(shí)別；以及改進(jìn)的醫(yī)療成像。”

馬薩諸塞大學(xué)新的光學(xué)制造和表征基礎(chǔ)設(shè)施，代表了校內(nèi)最先進(jìn)的開放式科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施，每年將為數(shù)百名學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的外部研究人員提供服務(wù)。這還將包括校內(nèi)其他的先進(jìn)制造設(shè)施，例如卷對(duì)卷制造和加工設(shè)施，以及該大學(xué)應(yīng)用生命科學(xué)研究所的其它核心設(shè)施。

馬薩諸塞大學(xué)在可擴(kuò)展納米制造領(lǐng)域一直處于領(lǐng)先地位。2006年，學(xué)校成立了由Watkins領(lǐng)導(dǎo)的分級(jí)制造中心（CHM），并獲得了美國國家科學(xué)基金會(huì)為期10年、價(jià)值3600萬美元的撥款。該中心后來改建為分級(jí)制造研究所（IHM），并繼續(xù)由Watkins領(lǐng)導(dǎo)，至今仍在運(yùn)作，每年的資金撥款超過500萬美元。

2023年10月，包括Watkins和卷對(duì)卷制造和加工設(shè)施負(fù)責(zé)人Jeff Morse在內(nèi)的馬薩諸塞大學(xué)教員在波士頓主持了為期三天的納米壓印和納米印刷技術(shù)國際會(huì)議（NNT 2023），召集了來自美國、歐洲和亞洲的先進(jìn)光學(xué)專家。大約有50名與會(huì)者前往阿默斯特參觀了馬薩諸塞大學(xué)新的光學(xué)制造和表征基礎(chǔ)設(shè)施。

這座新設(shè)施將容納精密壓印機(jī)臺(tái)，以驗(yàn)證規(guī)模制造；先進(jìn)的光學(xué)表征能力，用于測試和驗(yàn)證新的光學(xué)元件；以及一套用于創(chuàng)建并測試新設(shè)計(jì)的軟件工具。該設(shè)施將配備專家，對(duì)用戶進(jìn)行培訓(xùn)和協(xié)助，并對(duì)學(xué)生和其他技術(shù)人員開展教學(xué)培訓(xùn)。

Watkins說：“新技術(shù)往往是有風(fēng)險(xiǎn)的。這樣的開放式設(shè)施，使大大小小的公司能夠利用新興技術(shù)并開發(fā)原型，大大降低了應(yīng)用新技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)。這對(duì)于釋放企業(yè)發(fā)展所需要的投資，將新技術(shù)從學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室?guī)У绞袌鲋陵P(guān)重要，從而真正造福社會(huì)和經(jīng)濟(jì)。”

超構(gòu)透鏡成果進(jìn)行商業(yè)化

馬薩諸塞大學(xué)阿默斯特分校在納米制造方面的優(yōu)勢尤其集中于設(shè)計(jì)并生產(chǎn)最終能夠商業(yè)化的器件和技術(shù)。

Watkins說：“在我們的實(shí)驗(yàn)室，我們傾向于關(guān)注有量產(chǎn)可能的方向。換言之，我們希望不僅能夠開發(fā)出一種能夠證明技術(shù)進(jìn)步或新概念的產(chǎn)品，而且能夠最終商業(yè)化量產(chǎn)，這樣實(shí)驗(yàn)室的研究成果才能成為人們可以使用的產(chǎn)品。”

2021年，Watkins獲得了國家科學(xué)基金會(huì)的“Partnerships for Innovation”撥款，旨在幫助研究人員加快突破性技術(shù)的開發(fā)。在該資金支持下，Watkins與他的學(xué)生和博士后一起，成立了一家名為Myrias Optics的初創(chuàng)公司，專注于超構(gòu)透鏡和AR/VR光波導(dǎo)的增材制造技術(shù)。該公司正在研究AR/VR智能眼鏡、激光雷達(dá)、地形測繪、人臉識(shí)別和超緊湊光學(xué)組件。

2023年10月，Myrias Optics宣布已從一家戰(zhàn)略合作伙伴和風(fēng)險(xiǎn)投資公司獲得超過280萬美元的投資。

近日，臺(tái)灣光學(xué)大廠亞洲光學(xué)宣布，著眼未來先進(jìn)光學(xué)元件發(fā)展，公司與Myrias Optics合作跨足超構(gòu)透鏡領(lǐng)域，采用直接納米壓印高折射率全無機(jī)材料技術(shù)，取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體冗長的刻蝕工藝，具有快速、高效和低成本優(yōu)勢。

Watkins說：“我們的團(tuán)隊(duì)多年來開發(fā)了多項(xiàng)核心技術(shù)并申請(qǐng)了專利，現(xiàn)在，我們已經(jīng)找到了超構(gòu)透鏡在提供更高性能和降低成本方面帶來重大影響的應(yīng)用和市場。我們所采用的增材制造工藝，比傳統(tǒng)的方法更節(jié)能、更高效，這使其更具可持續(xù)性。”

Myrias Optics專利的材料結(jié)構(gòu)和工藝

Myrias Optics首席技術(shù)官、Watkins研究小組前博士后Vince Einck表示：“實(shí)際應(yīng)用和可制造性，對(duì)于超構(gòu)光學(xué)等變革性技術(shù)的商業(yè)化至關(guān)重要。Myrias Optics與戰(zhàn)略客戶和合作伙伴一起，提供了高質(zhì)量、易于加工的材料和高效的增材制造方法，以確保從概念到產(chǎn)品的高效落地管道。我們希望我們的平臺(tái)技術(shù)能在許多行業(yè)徹底變革光學(xué)技術(shù)，并為我們的客戶和社會(huì)帶來真正的價(jià)值。”

Watkins指出，他們的最終目標(biāo)是在馬薩諸塞州建設(shè)一家超構(gòu)光學(xué)元件代工廠。