麻薩諸塞大學打造超構光學創新高地，商業化超構透鏡成果

原創 MEMS2023-11-12 00:03302瀏覽0評論0點讚

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超構透鏡（metalens）是一種極薄的新型平面光學元件，但它能夠將傳統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。 擴增實境（AR）/虛擬實境（VR）設備、汽車光達（LiDAR）、手機相機、夜視設備、地形測繪以及人臉辨識等應用都能透過超構透鏡顯著獲益。

2019年，世界經濟論壇（World Economic Forum）將超構透鏡列為十大新興技術之一，對於消費、醫療保健、航空航太和國防應用實現各種下一代產品至關重要。 美國麻薩諸塞州無論是高等教育還是工業領域，一直是光學研究和製造業的領先地區。

2023年10月，麻州技術合作組織（MassTech）宣布撥款500萬美元，加速該地區光學研究和製造技術的開發和應用。 這筆撥款將支持麻州大學阿默斯特分校（UMass Amherst）在校內建造一座開放式的先進光學製造及表徵基礎設施，成為可供全州產業合作夥伴和研究人員使用的獨特資源。

麻州大學阿默斯特分校聚合物科學與工程教授、該計畫聯合首席研究員James Watkins表示：「這些設施中最先進的機台和加工能力將有助於大幅降低投身光學領域的許多小型企業甚至大型 公司的風險。透過補強產業鏈重要環節，這將有助於激勵企業創新、擴大規模，最終將新產品推向市場。”

麻薩諸塞大學阿默斯特分校James Watkins教授

光學元件正迎來變革

傳統的透鏡通常是曲面設計且尺寸較大，已經有數百年歷史。 大約十多年前，科學家們開發出了超薄的超構透鏡，其厚度僅約為頭髮絲的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 六片傳統透鏡組成的大型光學系統才能實現。

Watkins說：“超構透鏡可以在更小的封裝中實現更高的性能。單個超構透鏡可以執行多種功能，具體取決於其表面微型光學元件的尺寸、形狀和排布。”

本計畫共同首席研究員、麻州大學阿默斯特分校電機與電腦工程助理教授Amir Arbabi表示：「除了取代傳統透鏡和光學組件，超構透鏡還可以提供新穎的功能，賦能微型片上光學系統，如 相機、顯微鏡、光譜儀、雷射雷達等。」Arbabi是超構光學領域的先驅，過去十年來，他發明並展示了許多超構光學元件和系統，並在該領域擁有40多項專利。 “由於消除了與對準和組裝相關的成本，這種完全集成的光學系統可以使用超構光學技術以低成本製造。”

傳統上，超構透鏡是在半導體代工廠製造的，製造成本較高，而且採用的是減法製造工藝——本質是在一層材料中蝕刻出所需的圖案。

馬薩諸塞大學阿默斯特分校新的光學製造和表徵基礎設施，採用了Watkins研究小組開發的積層製造流程。 正如他所解釋的，積層製造在成本、材料和能源使用方面比傳統的減法製程效率高得多，而且可以在更小、更經濟的設施中進行。

Watkins解釋說：“我們的團隊致力於在先進材料上建造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，並將為產業帶來巨大影響。”

Watkins說：「我們的光學研究成果可以帶來真正身臨其境、輕便易戴的智慧眼鏡；讓自動駕駛汽車更加安全的環境感知；在低光源下解鎖設備的人臉辨識；以及改進的醫療影像 。”

麻州大學新的光學製造和表徵基礎設施，代表了校內最先進的開放式科學基礎設施，每年將為數百名學術界和工業界的外部研究人員提供服務。 這還將包括校內其他的先進製造設施，例如卷對卷製造和加工設施，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奈米製造領域一直處於領先地位。 2006年，學校成立了由Watkins領導的分級製造中心（CHM），並獲得了美國國家科學基金會為期10年、價值3,600萬美元的撥款。 該中心後來改建為分級製造研究所（IHM），並繼續由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和卷對卷製造和加工設施負責人Jeff Morse在內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奈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麻薩諸塞大學新的光學製造和表徵基礎設施。

這座新設施將容納精密壓印機台，以驗證規模製造；先進的光學表徵能力，用於測試和驗證新的光學元件；以及一套用於創建並測試新設計的軟體工具。 該設施將配備專家，對使用者進行培訓和協助，並對學生和其他技術人員進行教學培訓。

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並開發原型，大大降低了應用新技術的風險。這對於釋放企業發展所需的投資 ，將新技術從學術實驗室帶到市場至關重要，從而真正造福社會和經濟。”

超構透鏡成果進行商業化

馬薩諸塞大學阿默斯特分校在奈米製造方面的優勢尤其集中於設計並生產最終能夠商業化的裝置和技術。

Watkins說：「在我們的實驗室，我們傾向於關注有量產可能的方向。換言之，我們希望不僅能夠開發出一種能夠證明技術進步或新概念的產品，而且能夠最終商業化量產，這樣 實驗室的研究成果才能成為人們可以使用的產品。”

2021年，Watkins獲得了美國國家科學基金會的「Partnerships for Innovation」撥款，旨在幫助研究人員加快突破性技術的發展。 在該資金支持下，Watkins與他的學生和博士後一起，成立了一家名為Myrias Optics的新創公司，專注於超構透鏡和AR/VR光波導的積層製造技術。 該公司正在研究AR/VR智慧眼鏡、光達、地形測繪、人臉辨識和超緊湊光學組件。

Myrias Optics研發的超構透鏡晶圓

2023年10月，Myrias Optics宣布已從一家策略合作夥伴和創投公司獲得超過280萬美元的投資。

近日，台灣光學大廠亞洲光學宣布，著眼於未來先進光學元件發展，公司與Myrias Optics合作跨足超構透鏡領域，採用直接奈米壓印高折射率全無機材料技術，取代傳統半導體冗長的蝕刻工藝 ，具有快速、高效和低成本優勢。

Watkins說：「我們的團隊多年來開發了多項核心技術併申請了專利，現在，我們已經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。我們所採用 的增材製造工藝，比傳統的方法更節能、更高效，這使其更具可持續性。”

Myrias Optics專利的材料結構和工藝

Myrias Optics首席技術長、Watkins研究小組前博士後Vince Einck表示：「實際應用和可製造性，對於超構光學等變革性技術的商業化至關重要。Myrias Optics與策略客戶和合作夥伴一起，提供了 高品質、易於加工的材料和高效的積層製造方法，以確保從概念到產品的高效落地管道。我們希望我們的平台技術能在許多行業徹底變革光學技術，並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麻薩諸塞州建造一座超構光學元件代工廠。