综述：超构透镜面临的挑战与机遇
2026-04-12 09:47:58 来源： 评论：0 点击：
超构透镜（Metalens）有望重塑光学设计，但其从实验室创新走向实际应用的道路既充满巨大的潜力，也面临着持续的挑战。得益于亚波长纳米结构，这类平面光学元件有望通过以紧凑、多功能的器件取代笨重的传统光学系统，从而革新光子学领域。
超构透镜（Metalens）有望重塑光学设计，但其从实验室创新走向实际应用的道路既充满巨大的潜力，也面临着持续的挑战。得益于亚波长纳米结构，这类平面光学元件有望通过以紧凑、多功能的器件取代笨重的传统光学系统，从而革新光子学领域。然而，数值孔径（NA）、聚焦效率、光谱带宽、视场角（FOV）以及器件尺寸之间长期存在的权衡关系，仍然限制着其通用性。突破这些瓶颈将依赖于设计创新、材料突破以及可规模化制造技术的协同发展。近年来，大面积纳米制造、高纵横比结构制备以及先进材料集成方面的进展，正逐步突破这些限制，为实现可规模化、高性能和多功能超构透镜指明了方向。随着全球范围内纳米制造与设计能力的加速提升，学术研究与产业发展之间更强的协同作用已成为将当前挑战转化为机遇的关键，从而推动超构透镜在实际光学系统中的广泛应用。
据麦姆斯咨询报道，近日，香港城市大学蔡定平教授课题组与南京大学联合团队在Nature Reviews Electrical Engineering期刊上发表了题为“Challenges and opportunities of metalenses”的综述论文，探讨了解决超构透镜性能瓶颈的方案：需要设计、材料和制造工艺的协同进步。关键光学参数之间的相互依赖关系源于制造精度和材料特性的限制（见图1）。新兴技术，例如可规模化纳米制造、高纵横比结构制备以及异质材料集成，为缓解这些约束并实现更具通用性的设计提供了新的路径。最后，该综述讨论了超构透镜当前的商业化进展及其潜在应用方向，并期待其实现从实验室演示向大规模普及应用的跨越。
图1 通过材料与制造技术创新突破超构透镜的性能限制
超构透镜中的性能权衡
高性能超构透镜的发展从根本上受到多个关键光学参数之间相互作用的制约，这些参数包括数值孔径、聚焦效率、光谱带宽、口径以及视场角。清晰理解这些参数及其相互之间的权衡关系，对于指导未来的设计策略以及识别材料与制造进展如何缓解当前性能瓶颈的机遇至关重要。
数值孔径 vs. 聚焦效率
聚焦效率是超构透镜的一项关键指标，因为它直接影响光能利用率和成像质量，从而决定其在光学应用中的整体性能与效果。由于效率在本质上取决于每个超构原子的透射特性，因此选择既能实现2π相位覆盖又具有可忽略损耗的纳米结构至关重要。具体而言，实现完整的2π相位覆盖可确保入射光被有效重定向至焦点；否则，旁瓣的产生会导致聚焦效率显著下降。而保持极低的光学损耗，则可以使大部分入射能量以透射形式输出，而不是被吸收或散射。
图2a展示了已报道消色差超构透镜的聚焦效率、数值孔径以及工作波段。尽管已有研究实现了覆盖可见光至近红外（NIR）波段的高效率消色差超构透镜，但其数值孔径通常仍维持在约0.2的水平。当前的关键问题在于，在最大化效率的前提下，确定超构透镜可实现的数值孔径范围。
图2 当前超构透镜设计中的权衡关系与局限性的示意图
数值孔径 vs. 带宽 vs. 口径
同时实现宽带工作、高数值孔径以及大口径，是另一项长期存在的挑战。这三个参数通过系统的相位色散极限在本质上相互关联。图2b展示了理想消色差超构透镜的参数空间，表明提升任一参数通常都需要以牺牲另外两个为代价。
具有更高折射率的新材料的发展，以及更先进的制造技术（例如更高纵横比结构和多层结构方案），有助于扩展器件当前的时带宽积（time–bandwidth product），并提升口径、数值孔径和带宽等参数的取值范围。
数值孔径 vs. 视场角
视场角是另一个关键参数，尤其在摄影、监控以及自动驾驶等应用中尤为重要。超构透镜的视场角性能受到其内在物理与结构限制的制约。每个超构原子通常是针对近似垂直入射条件进行设计的，而大角度入射会改变局部入射方向使实际相位分布偏离理想的聚焦相位分布。在超构透镜的边缘区域，所需的相位梯度更为陡峭，涉及更高的空间频率分量，这些分量可能无法被充分采样，从而引发混叠效应，并导致聚焦效率下降。
图2c汇总了宽视场超构透镜的视场角及其对应的有效数值孔径，以说明宽视场超构透镜的发展现状。值得注意的是，当引入外部光阑以抑制离轴像差并扩展视场时，就有必要对整个系统的口径进行更精确的定义。光学系统的有效口径由外部光阑与超构透镜中较小的直径所决定，因为整个系统的通光量和集光能力最终受限于这一最小开口。已有多种超构透镜设计实现了极宽的视场角（超过170°），对应于近半球的成像覆盖范围（见图2c）。然而，这类系统的一个持续存在的局限在于其有效数值孔径相对较低：当视场角超过150°时，其数值孔径通常低于0.3（图2c）。
多功能与可重构超构透镜
随着超构透镜设计研究的不断推进，越来越多的关注正转向开发动态、多功能超构透镜，以在单一器件中集成多种功能模式，从而满足用户需求。总体而言，为实现多功能性与可重构性，研究者已探索出三类调控机制（见图3a），包括光源调控（偏振、波长和入射角）、电调控（液晶、石墨烯和MEMS）以及非电调控方法（机械位移、旋转对准和相变材料）。
图3 多功能与可重构超构透镜
这些调控策略所展现的潜力远超其当前的局限，使超构透镜能够实现多功能性与可重构性，例如可变焦距调节、波长或偏振路由，以及从明场成像到边缘增强检测等自适应成像模式（见图3b）。
需要注意的是，大多数多功能与可重构超构透镜在设计简洁性、功能多样性与整体性能之间存在内在权衡，尤其是在效率方面（图3c）。随着多功能超构透镜领域的发展，如何在这些关键因素之间取得精细平衡，将对于确定超构器件的最佳应用场景至关重要。创新性的设计方法、材料发展以及算法优化，将是克服当前挑战并释放这些多功能光学器件全部潜力的关键。
通过材料工程与制造技术提升超构透镜性能
超构透镜性能权衡与功能限制——从不同参数之间的冲突到多功能性与可重构性——并非仅仅是光学设计层面的问题。事实上，这些问题在很大程度上与材料特性和制造能力内在相关。超构透镜的光学性能在很大程度上取决于可实现的相位调控能力。因此，材料与制造技术方面的创新不仅起到支撑作用，往往更是提升下一代超构透镜性能的决定性因素。
用于性能提升的材料平台
为构建具有不同工作波段和聚焦类型的超构透镜，选择合适的材料至关重要，因为不同材料在电磁谱范围内表现出各异的光学响应。图4a给出了透射型超构透镜中常用材料的折射率以供参考。
图4 通过材料工程与制造技术提升超构透镜性能
从实验室到产业化的制造技术
将理论设计转化为具备实际功能的超构透镜，在很大程度上依赖于先进的纳米制造技术。总体而言，制造策略可分为两类：一类是用于概念验证的实验室级方法，另一类是面向大面积、工业化生产的可规模化技术。不同技术在分辨率、生产效率与成本之间各自处于不同的权衡位置，从而决定了超构透镜从研究原型迈向可制造光学系统的发展路径。
为实现超构透镜的大面积、高通量生产，将纳米压印光刻（NIL）与紫外或深紫外（DUV）光刻相结合提供了一条极具前景的技术路径。结合DUV与NIL的整体制造流程如图4b所示。图4c展示了制造能力的演进：多年来可实现的超构透镜口径几乎呈线性增长，反映出工艺优化和设备规模扩展能力的持续提升。
展望未来，随着工艺精度、材料设计以及可规模化制造技术的进步，超构透镜有望在实现更大口径和更高光学质量的同时，具备更简化、更快速且更具成本优势的制造方案，从而适用于大规模产业化应用。
商业化与应用
为弥合基础研究与实际应用之间的差距，研究人员重点介绍了超构透镜的商业化进展及其新兴应用。首先探讨了全球超构透镜产业的快速发展及当前的市场格局，随后概述了若干先进应用领域，以展示超构透镜在不同技术领域中的变革性潜力。
商业化
世界经济论坛（World Economic Forum）早在2019年就预测了超构透镜的经济潜力。此后，随着超构透镜在全球范围内的快速商业化，这一预测得到了证实，并吸引了众多企业进入这一新兴领域。全球超构透镜市场的主要参与者包括Metalenz、NIL Technology（NILT）和迈塔兰斯（MetalenX）。除上述领先企业外，复享光学（Ideaoptics）、纳境科技（Najing）、山河元景（SH Photonics）、2Pi Optics、维悟光子（WaVue Photonics）以及MetaCV等公司也在积极推动超构透镜在设计、制造、表征及应用方面的发展。文中列出了与超构光学相关的公司及其产品的简要介绍。
先进应用
尽管大规模良率受限和制造公差等因素仍对超构透镜商业化构成挑战，但材料与纳米制造技术的持续进步正迅速改善这一状况。高性能超构透镜有望成为构建下一代光子平台的有力选择，并在多个领域发挥重要驱动作用。这些领域包括智能家居、光通信、安全监控、航空航天、消费电子、生命科学、潜航器、无人机、医学成像、自动驾驶、内窥镜等。
结论
超构透镜的发展正处于一个关键阶段，基础研究与产业转化日益交汇。未来的进展将取决于通过设计算法、材料工程以及大面积纳米制造等跨学科创新，来突破当前的性能权衡限制。除优化光学响应外，下一阶段的研究还应优先关注规模化制造、多功能性与可重构性，以及与现代成像和传感平台兼容的系统级集成。同样重要的是，需要建立标准化的计量方法、可靠性评估体系以及制造规范，以确保在不同材料与工艺平台之间的可重复性与互操作性。新兴的混合方案，例如将超构透镜与衍射光学、折射光学或光纤光学相结合，也有望为实现实用化的多功能系统开辟路径。总之，要实现超构透镜的变革性潜力，需要学术界、产业界以及供应链各方之间的持续协作。构建一个将科学发现与可制造性紧密结合的稳健生态体系，是推动超构透镜从孤立的实验验证迈向下一代光学技术中广泛应用的关键。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44287-026-00276-9
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