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

2019年，世界經(jīng)濟論壇（World Economic Forum）將超構透鏡列為十大新興技術之一，對于消費、醫(yī)療保健、航空航天和國防應用實現(xiàn)各種下一代產(chǎn)品至關重要。美國馬薩諸塞州無論是高等教育還是工業(yè)領域，一直是光學研究和制造業(yè)的領先地區(qū)。

2023年10月，馬薩諸塞州技術合作組織（MassTech）宣布撥款500萬美元，加速該地區(qū)光學研究和制造技術的開發(fā)和應用。這筆撥款將支持馬薩諸塞大學阿默斯特分校（UMass Amherst）在校內(nèi)建設一座開放式的先進光學制造及表征基礎設施，成為可供全州行業(yè)合作伙伴和研究人員使用的獨特資源。

馬薩諸塞大學阿默斯特分校聚合物科學與工程教授、該項目聯(lián)合首席研究員James Watkins表示：“這些設施中最先進的機臺和加工能力將有助于大大降低投身光學領域的很多小企業(yè)甚至大型公司的風險。通過補強產(chǎn)業(yè)鏈重要環(huán)節(jié)，這將有助于激勵企業(yè)創(chuàng)新、擴大規(guī)模，最終將新產(chǎn)品推向市場。”

光學元件正迎來變革

傳統(tǒng)的透鏡通常是曲面設計且尺寸較大，已經(jīng)有數(shù)百年歷史。大約十多年前，科學家們開發(fā)出了超薄的超構透鏡，其厚度僅約為頭發(fā)絲的1/100，卻能夠提供先進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系統(tǒng)才能實現(xiàn)。

Watkins說：“超構透鏡可以在更小的封裝中實現(xiàn)更高的性能。單個超構透鏡可以執(zhí)行多種功能，具體取決于其表面微型光學元件的尺寸、形狀和排布?！?/p>

該項目共同首席研究員、馬薩諸塞大學阿默斯特分校電氣和計算機工程助理教授Amir Arbabi表示：“除了替代傳統(tǒng)透鏡和光學組件，超構透鏡還可以提供新穎的功能，賦能微型片上光學系統(tǒng)，如相機、顯微鏡、光譜儀、激光雷達等?！盇rbabi是超構光學領域的先驅(qū)，過去十年來，他發(fā)明并展示了許多超構光學器件和系統(tǒng)，并在該領域擁有40多項專利?！坝捎谙伺c對準和組裝相關的成本，這種完全集成的光學系統(tǒng)可以使用超構光學技術以低成本制造?！?/p>

傳統(tǒng)上，超構透鏡是在半導體代工廠制造的，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。

馬薩諸塞大學阿默斯特分校新的光學制造和表征基礎設施，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)濟的設施中進行。

Watkins解釋稱：“我們的團隊致力于在先進材料上構建小到人眼無法看見的微結構，最終提供全新性能水平的先進光學器件，并將為產(chǎn)業(yè)帶來巨大影響?！?/p>

Watkins說：“我們的光學研究成果可以帶來真正身臨其境、輕便易戴的智能眼鏡；使自動駕駛汽車更加安全的環(huán)境感知；弱光下解鎖設備的人臉識別；以及改進的醫(yī)療成像?！?/p>

馬薩諸塞大學新的光學制造和表征基礎設施，代表了校內(nèi)最先進的開放式科學基礎設施，每年將為數(shù)百名學術界和工業(yè)界的外部研究人員提供服務。這還將包括校內(nèi)其他的先進制造設施，例如卷對卷制造和加工設施，以及該大學應用生命科學研究所的其它核心設施。

馬薩諸塞大學在可擴展納米制造領域一直處于領先地位。2006年，學校成立了由Watkins領導的分級制造中心（CHM），并獲得了美國國家科學基金會為期10年、價值3600萬美元的撥款。該中心后來改建為分級制造研究所（IHM），并繼續(xù)由Watkins領導，至今仍在運作，每年的資金撥款超過500萬美元。

2023年10月，包括Watkins和卷對卷制造和加工設施負責人Jeff Morse在內(nèi)的馬薩諸塞大學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國際會議（NNT 2023），召集了來自美國、歐洲和亞洲的先進光學專家。大約有50名與會者前往阿默斯特參觀了馬薩諸塞大學新的光學制造和表征基礎設施。

這座新設施將容納精密壓印機臺，以驗證規(guī)模制造；先進的光學表征能力，用于測試和驗證新的光學元件；以及一套用于創(chuàng)建并測試新設計的軟件工具。該設施將配備專家，對用戶進行培訓和協(xié)助，并對學生和其他技術人員開展教學培訓。

Watkins說：“新技術往往是有風險的。這樣的開放式設施，使大大小小的公司能夠利用新興技術并開發(fā)原型，大大降低了應用新技術的風險。這對于釋放企業(yè)發(fā)展所需要的投資，將新技術從學術實驗室?guī)У绞袌鲋陵P重要，從而真正造福社會和經(jīng)濟?！?/p>

超構透鏡成果進行商業(yè)化

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

Watkins說：“在我們的實驗室，我們傾向于關注有量產(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進步或新概念的產(chǎn)品，而且能夠最終商業(yè)化量產(chǎn)，這樣實驗室的研究成果才能成為人們可以使用的產(chǎn)品?！?/p>

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

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

近日，臺灣光學大廠亞洲光學宣布，著眼未來先進光學元件發(fā)展，公司與Myrias Optics合作跨足超構透鏡領域，采用直接納米壓印高折射率全無機材料技術，取代傳統(tǒng)半導體冗長的刻蝕工藝，具有快速、高效和低成本優(yōu)勢。

Watkins說：“我們的團隊多年來開發(fā)了多項核心技術并申請了專利，現(xiàn)在，我們已經(jīng)找到了超構透鏡在提供更高性能和降低成本方面帶來重大影響的應用和市場。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?！?/p>

Myrias Optics專利的材料結構和工藝

Myrias Optics首席技術官、Watkins研究小組前博士后Vince Einck表示：“實際應用和可制造性，對于超構光學等變革性技術的商業(yè)化至關重要。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技術能在許多行業(yè)徹底變革光學技術，并為我們的客戶和社會帶來真正的價值。”

Watkins指出，他們的最終目標是在馬薩諸塞州建設一家超構光學元件代工廠。