融入“制造意識”（Manufacturing Awareness）的設計是一種設計哲學，它強調在產品設計和開發過程中對制造過程的理解和考慮。這種設計方法的目的是減少設計階段到生產階段的轉換時間，降低生產成本，提高產品質量，同時縮短產品上市時間。

隨著增強現實（AR）和虛擬現實（VR）技術的發展，對光子器件的需求日益增加，對高效、小型化組件的需求也變得更為迫切。目前備受業界關注的兩個器件包括超構透鏡和光學組件，這兩個器件在汽車激光雷達、攝像頭以及AR/VR系統等各種應用中都至關重要。然而，要支持這些器件的大規模生產并保證其性能是具有挑戰性的。因此在設計中融入制造意識將有助于提升產品設計性能、減少設計-制造-測試循環，從而節省時間和成本。

具備“制造意識“的超構透鏡設計

超構光學元件（Meta optics），是一種平面光學元件，正在進入到運用傳統集成電路制造技術進行大規模生產（HVM）階段。超構光學元件構建于由亞波長單元組成的超構表面，這些亞波長單元是在高折射率薄膜中制造而成，厚度約為0.5至3+微米。該超構表面可用作聚焦透鏡、分束器、波導或其他光學功能。

超構透鏡作為光學行業的一項革命性創新，憑借其超薄特性和彈性調制光場的能力，被寄予厚望，有望替代傳統曲面鏡頭，成為下一代緊湊型成像、傳感和顯示應用的關鍵技術。然而，在實現大規模設計和制造超構透鏡的過程中，面臨著諸如掩模制造、方角圓化、刻蝕、圓角、布局生成以及基板平整度等多方面的挑戰。此外，光刻和刻蝕工藝在實際操作中往往難以達到理想的方形拐角和垂直側壁，這些制造缺陷將對超表面結構的性能指標產生不利影響。

在超構透鏡的設計階段，將“制造意識”融入其中，有助于設計師更好地理解和克服制造過程中可能出現的各種挑戰，這種方法整合了新思科技光學設計（RSoft Photonic Device Tools）和制造工藝設計（Synopsys Proteus、S-Litho和Sentaurus Process Explorer）軟件的先進技術，以確保制造的超構透鏡更接近特定制造工藝下的最佳性能。它有助于在光學設計和制造設計之間實現規則傳遞，縮短設計周期，并致力于“首次即正確“的超構透鏡設計。

▲ 圖1 將“制造意識“融入超透鏡設計階段。首先對超原子進行制造過程模擬，形成帶有“制造意識”超原子庫，然后利用該超原子庫制造出性能更為優越的超構透鏡

解決AR/VR設備中的相似挑戰

制造挑戰并非僅限于超構透鏡，目前AR/VR行業中大規模應用的光波導組件，如何用低成本實現高精度表面浮雕光柵的制造是至關重要的步驟已經成為我們研究和關注的焦點之一。

表面浮雕光柵（SRG）具有微米級特征，該特征對制造過程中產生的表面倒角、刻蝕和粗糙度等微小變化非常敏感。對于光學組件來說，精確控制SRG的空間衍射效率成為關鍵參數之一，因為它能夠直接影響到整個光學系統的性能。

SRG形狀的任何偏差都會對衍射效率產生影響。在優化的早期階段，若忽略這些變化，將可能導致多次設計迭代，從而影響達到目標性能的效率，這就是眼盒中的光線均勻性問題。對于光學組件而言，在初期階段就考慮SRG制造缺陷對性能的影響，并將“制造意識”融入優化流程有利于提升最終性能和設計魯棒性，在設計階段采取相應措施來降低潛在風險。

如圖2所示，新思科技提供了完整的設計流程，允許設計師在優化的早期階段將制造的SRG輪廓集成進來。這一設計流程旨在滿足眼盒內照度均勻性、圖像質量和色彩定義的高標準要求。

▲ 圖2 “首次即正確”的設計方法示意圖-以含有制造意識的SRG輪廓作為初始點進行設計

結論

在光學設計中融入“制造意識“，特別是對于超構透鏡和AR/VR設備，有助于建立穩健高效的光學設計流程。通過了解并模擬制造工藝對這些設備的影響，設計師可以提升產品設計性能、減少設計-制造-測試循環，從而節省時間和成本。隨著對這些設備需求持續增長，這種方法將在推動光學和光子學技術方面發揮關鍵作用。

審核編輯：彭菁z