光學透鏡是光學與光電子學中的基本光學器件之一。光學透鏡已廣泛應用于芯片制造、超分辨科學以及眾多高科技產品，其設計與制造水平一定程度上代表了光科學與技術的發展水平。

光學透鏡是光學儀器的關鍵零件，從眼鏡、相機、顯微鏡到望遠鏡等都有應用。傳統光學透鏡是以玻璃或其他透明材料制成，例如生活中常使用的相機是由許多傳統透鏡組合而成。與傳統透鏡相比，超透鏡最大的優點就是體積非常微型化，同時實現的功能遠超傳統透鏡，超透鏡可以小到肉眼幾乎不能看見，一片超透鏡就可以取代相機中的透鏡組。

數值孔徑是光學透鏡最重要的基本參量，衡量著光學系統的成像能力，一直以來，各國科學家為增加透鏡的數值孔徑爭相努力。中山大學利用 Ansys Lumerical FDTD，在有限的時間內評估不同超構光學透鏡方案并得到最佳選擇，大幅節約了評估時間和成本。

挑戰和需求

超透鏡的厚度通常是在微納米級，采用超透鏡的產品，例如手機、相機的鏡頭或是監視器鏡頭尺寸都可以很小，產品整體體積自然可以輕量化。另外，超透鏡除了可見光之外，還適用于傳統透鏡無法使用的光譜，例如紅外光、紫外光等。

此外，因為超透鏡可以采用標準的半導體元件制程技術來制造，材料也跟集成電路芯片材料相關、現有的半導體制備工藝足夠應對，可實現大規模量產，且不像傳統透鏡需要精細打磨、拋光，因此價格比目前的鏡頭更便宜。

設計的超構光學透鏡示意圖，由不同旋轉角度的微納長方體柱排列而成，工作波長為 532 納米

基于超構表面^注1 的平面超構光學透鏡，可在百納米厚度的微納結構上實現超大數值孔徑^注2顯微物鏡，從而克服傳統光學玻璃物鏡加工難度大、成像系統體積大等缺點。目前一些鏡頭制造過程已自動化了，但鏡片工匠仍然很重要，通常需要 10-15 年的時間來培訓技術人員以達到專業水平。

中山大學希望通過仿真工具在有限時間內評估不同的超構光學透鏡方案，靈活更改超構光學透鏡周圍的浸沒材料，模擬材料變化后超構透鏡的光學性能變化，例如焦點大小和效率；仿真結果必須和實驗結果相近，從而讓仿真技術為超構光學透鏡方案節約時間和設計成本。

加工得到的超構光學透鏡在掃描電子顯微鏡下的圖像

注 1：數值孔徑是光學透鏡最重要的基本參量，是衡量光學系統成像能力的標尺。對于顯微物鏡，數值孔徑越大，成像光斑越小，成像細節越清晰。

注 2：超構表面是一種具有橫向亞波長尺度的微納光學器件，可以在不到一個光學波長的結構層上實現全 2π 相位的精確控制，從而實現對光波相位、偏振方式、傳播方向等特性的靈活有效調控。

解決方案

中山大學發現 Ansys Lumerical FDTD 的能力與他們的研發需求高度契合：Lumerical 作為專業的模擬光學仿真軟件，有強大的設計環境，能夠為光子設計師提供具有創造性，高精確度和成本效益的設計解決方案，并能提供領先的光學設計軟件和技術服務：

利用 Ansys Lumerical FDTD 軟件仿真模擬得到的超構光學透鏡的聚焦光斑強度分布圖，左邊為超構透鏡位于空氣中，右邊為透鏡位于油中

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Ansys Lumerical FDTD

實驗測試與仿真模擬得到的超構光學透鏡聚焦光斑強度對比，左邊為超構透鏡位于空氣中，右邊為透鏡位于油中。可以看出 Ansys Lumerical FDTD 的仿真結果和實驗結果很接近，證明了軟件的可靠性。

最終成果

利用 Ansys Lumerical FDTD，中山大學在有限的時間內評估了不同的超構光學透鏡方案，并獲得了選擇最佳方案的可靠數據。仿真是此項研發中的重要工具，為中山大學節約了大量方案選擇時間，減少材料消耗，減少試驗次數，節省人力，降低風險。