片上集成消色差超构透镜阵列，可实现高性能全彩光学成像
2025-08-16 15:41:07   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

透镜是光学系统的重要组件，广泛应用于汽车、电子、医疗保健和电信等众多行业。随着医疗成像和增强现实（AR）等新兴技术的快速发展，对超紧凑型集成光学透镜的需求日益增长，催生了超构透镜（Metalenses）研究领域。超构透镜是一种由纳米天线组成的平面光子学器件，具有衍射极限聚焦能力。原理上，其周期性晶格和光学共振大大增加了超构透镜的色散，导致其色差比传统透镜更为严重。超构透镜出现后不久，色差就吸引了相当多的研究关注，业界为消除其色差付出了巨大努力。2018年，利用TiO₂和GaN等高折射率介质，实验验证了可见光宽带消色差超构透镜，并在此基础上开发了一系列应用，例如全彩成像、光场成像和高光谱成像等。尽管光学系统小型化取得了一定进展，但TiO₂和GaN膜的沉积通常需要高于600 ℃的温度，这严重限制了这类超构透镜在传统集成电路（IC）芯片上的直接集成。

氮化硅（Si₃N₄）是另一种在可见光范围内具有高折射率的透明材料。高质量的Si₃N₄薄膜可以通过等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在相对较低的温度下制备。同时，Si₃N₄纳米结构可以通过成熟的IC常规工艺轻松实现。因此，Si₃N₄已广泛应用于各种微电子和光子学芯片。因此，使用Si₃N₄制备消色差超构透镜也是一个合理的想法。一方面，Si₃N₄与CMOS兼容，可以进行大规模生产，大大降低消色差超构透镜的成本，使其价格接近传统光学器件的价格范围。另一方面，低温加工技术允许消色差超构透镜直接集成于传统IC芯片，极大地促进这种平面光子学器件的实际应用。不过，Si₃N₄消色差超构透镜的器件性能仍然存在局限。这是因为Si₃N₄的折射率远低于TiO₂和GaN，而纳米加工技术仅可实现约10-17的纵横比。因此，超构原子的可选库受到很大限制，必须牺牲透射率（聚焦效率）以满足所需要的群延迟。迄今，高性能Si₃N₄消色差超构材料透镜在技术上仍然存在尚未克服的挑战。

据麦姆斯咨询报道，在此背景下，哈尔滨工业大学（深圳）、鹏城实验室和山西大学的研究人员开发了一种改进的Si₃N₄纳米加工技术，并在可见光范围内实现了高效Si₃N₄消色差超构材料透镜。并且，研究人员验证了它们可以直接集成到商用成像芯片以及相应的全彩成像。相关研究成果已经以“On-chip integration of achromatic metalens arrays”为题发表于近期的Nature Communications期刊。

Si₃N₄消色差超构透镜的设计与性能

高品质Si₃N₄超构透镜的制造

为实现所设计的Si₃N₄超构透镜，研究人员开发了一种自上而下的刻蚀技术。Si₃N₄薄膜采用PECVD在200 ℃低温下沉积而成。沉积温度严格控制在250 ℃以下，以避免在CMOS芯片上制备超构表面时损坏晶圆上的成像探测器。在460-650 nm波长范围内Si₃N₄薄膜的折射率超过2.02，而光消光系数接近于零。所有这些结果表明，低温沉积的Si₃N₄薄膜适用于高性能超构光学器件。

其Si₃N₄纳米结构通过电子束（E-Beam）光刻和感应耦合等离子体蚀刻的联合工艺制备而成，具体制备过程如下图所示。

高品质Si₃N₄纳米结构的制备

使用数值孔径（NA）0.155的消色差超构透镜成像

在CMOS图像传感器上集成消色差超构透镜阵列

为了验证其实用性，研究人员进一步将所开发的Si₃N₄消色差超构透镜集成于CMOS图像传感器。为提高成像质量并适配商用器件，研究人员制造了一个5 x 5超构透镜阵列，并将其安装在CMOS图像传感器上（下图a）。下图b显示了放大10倍的超构透镜阵列的显微镜图像。每个超构透镜的直径为90 μm。设计的焦距和数值孔径分别为980 μm和0.046。随后测量了所有超构透镜的光学特性。结果表明，所有超构透镜在设计值处几乎具有相同的焦距和数值孔径，平均聚焦效率也保持在约67%±2%的恒定水平。

超构透镜阵列的光场成像

综上，研究人员开发了一种在可见光波段制备高品质Si₃N₄消色差超构透镜的方法。改进的纳米加工工艺能够制备出具有创纪录纵横比的Si₃N₄纳米结构。因此，Si₃N₄纳米柱的群延迟范围得到扩大，超构透镜在聚焦效率和数值孔径等关键性能方面也得到了显著提升。该纳米加工技术稳定且可重复。实验验证了性能几乎完全相同的消色差超透镜阵列，并将其与商用CMOS图像传感器集成。因此，使用单个超构透镜或集成超构透镜阵列，即可实现高性能全彩成像。由于所有工艺均在低温和低电子束能量下进行，传感器完整性得以保持，确保成像性能完全不受影响。这种集成的消色差Si₃N₄超构透镜阵列有望推动基于超构表面的高性能下一代光学器件的大规模制造。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-62539-7

延伸阅读：

《超构透镜（Metalens）专利态势分析-2024版》

《光学和射频领域的超构材料和超构表面-2024版》

《光学和射频应用的超构材料-2024版》