超表面光學的案例
超表面計量學的光學屬性
光學超表面（MS）是一種新型的平面光學元件，由于其緊湊性、多功能性以及設備集成性的優點，正深刻變革著光學設計領域。本期文章將介紹現有的用于超表面檢測的光學計量技術，包括振幅、偏振、定量相位測量以及疊層成像等 ，最后討論了超表面在光學計量中的應用以及未來的發展趨勢。
引言
過去十年間，平面結構化光學界面（即超表面）發展迅猛。超表面本質上是平面器件，可借助半導體制造工具和設備進行生產，有望實現晶圓級制造以及與光電子系統集成。盡管超表面發展前景廣闊，但實現工業化仍面臨諸多挑戰。其中，確保制造出的超表面達到設計階段預期的光學性能至關重要，且這一要求需在高產量條件下達成，即同一晶圓上生產的數千個器件都要滿足性能標準。半導體行業通過在制造過程中進行多次連續和并行測量來解決類似問題，因此，超表面光學元件的工業化生產也需要適配的先進計量技術，以推動其性能提升，加速系統集成和工業應用進程。此外，當成功制造超表面后，仍需專用光學計量技術來驗證其光學特性，而且，超表面集成到系統和復雜器件中時，也需要測量來保證最終產品符合規格。因此，無論是超表面元件還是完整系統，都需要計量和驗證測試。
超表面原理
超表面是由納米結構元素組成的，這些元素位于分隔兩種介質的界面處。這些納米結構可用于控制透射光和反射光的光學特性。超表面的優勢是通過在納米結構處對入射光產生相移來實現波前控制。傳統的應用包括可以實現光任意角度偏轉的偏轉器、具有聚光功能的超透鏡、可以投影用戶定義的強度分布的全息圖等。而實現相移的方法可以歸結為三種類型：
1） 傳播相位型：該種方法利用高縱橫比的電介質結構充當小波導，通過控制結構的有效折射率，即通過控制圓柱直徑，來控制相同高度柱體透射的相位延時，其示意圖如圖1（a）所示。
2） 諧振相位型：該種方法依賴由米氏共振引起光的激發和散射。其示意圖如圖1（b）所示。
展開 多層超表面革新 | 簡化傳統光學系統
Brongersma
1.簡介
在現代光學領域的發展進程中，光學超表面正處于快速發展的 “黃金時代”。這類材料具備對光線振幅、相位及偏振態的精準調控能力，同時兼具輕薄緊湊的結構優勢。隨著研究的持續深化，光學超表面已逐步與計算成像、虛擬現實、汽車電子、生物傳感、拓撲光學等多個前沿領域深度融合，成功構建出一系列小型化、多功能集成的光學組件。下文將結合通訊作者 Arseniy I. Kuznetsov 的研究視角，系統梳理光學超表面 “黃金時代” 的發展脈絡與核心方向。
超表面的發展路線（來自原文）
2.超透鏡：超表面的核心應用載體與挑戰
作為超表面的重要應用形式，超透鏡憑借緊湊的尺寸與高效的光線調控能力，成為區別于傳統光學元件的關鍵技術突破口。當前，科研人員圍繞超透鏡開發了多元化應用場景，涵蓋光線聚焦、光學成像、生物傳感、偏振檢測及非線性效應產生等領域。在技術實現路徑上，可通過超表面單元的選型與陣列排布調控入射平面波前，進而達成光線會聚效果；也可基于幾何相位原理調整單元旋轉角度，實現對左旋與右旋圓偏振光的差異化調控；還能通過改變單元結構的尺寸參數調節相位，或采用多單元協同工作的模式滿足復雜需求。即便面對復雜的超表面結構設計，現有電子束光刻、精密刻蝕、納米壓印等制備技術也能確保理論方案的實際落地。
展開 活動報名 | 共探微納光學未來 — OAS光學軟件光波導+超表面解決方案交流會
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光波導+超表面解決方案線下活動
當下，AR/VR、光通信、超透鏡、微納成像等領域飛速發展，光波導作為 AR 顯示核心、超表面作為光學系統小型化關鍵，設計與仿真難度陡增。
2026年5月15日，OAS 光學軟件光波導仿真 + 超表面仿真解決方案線下活動將于上海舉辦，助您掌握光波導/超表面仿真設計核心技能。誠邀光學領域各位專家、老師、學者齊聚，零距離體驗國產自研光學仿真的硬核實力！
01/行業痛點，一鍵破解
當前光波導與超表面設計面臨多重困境：
?模型搭建復雜、參數優化繁瑣，傳統工具效率低、精度不足；
?跨尺度仿真難兼顧，幾何光學到波動光學銜接斷層；
?國產替代需求迫切，自主可控的專業仿真工具稀缺。
02/軟件強效助力光波導/超表面仿真
（軟件主界面）
OAS光學軟件軟件能夠在3D空間中通過序列和非序列光線追跡技術，精確模擬光學系統的性能表現。
軟件集成幾何光學到波動光學的跨尺度仿真，打通宏觀光路與微觀光柵的仿真壁壘，無需多軟件切換，實現毫米級到納米級全尺度無縫仿真。
展開 超表面高階微分器助力光學計算突破
光學模擬計算憑借光速并行處理的天然優勢，被視為下一代計算技術的核心方向。長期以來，光學微分技術多停留在一階或二階操作，高階微分的實現與實用化始終是難題。本期文章將介紹一項發表于《Nature》的研究，利用超表面（Metasurface）這一革命性材料，不僅實現了五階光學微分，更將分辨率推至0.015倍瑞利極限，為納米級光學對準和超分辨成像提供了全新工具。
引言
在人工智能、自動駕駛、機器視覺等信息技術飛速發展的今天，圖像處理技術已成為核心驅動力。其中，圖像微分或邊緣檢測是通過提取圖像中亮度或相位的突變信息，成為識別物體輪廓、增強圖像細節的關鍵技術。然而，傳統數字圖像處理依賴電子芯片計算，面臨算力瓶頸和高能耗問題。相比之下，光學模擬計算憑借其并行處理、低功耗和瞬時響應的天然優勢，被視為下一代計算技術的突破口。
但傳統光學系統依賴笨重的透鏡和棱鏡，難以集成化；且現有光學微分器多局限于一階或二階微分，高階微分操作長期面臨技術瓶頸。近期，一項發表于《Nature》的研究提出了一種基于超表面的高階光學微分器，不僅實現了五階微分，還將其應用于光學超分辨率成像，分辨率突破瑞利極限，為半導體納米制造中的光學對準提供了全新工具。
高階微分器的設計原理
1.Pancharatnam-Berry（PB）相位超表面
PB相位超表面是一類基于幾何相位調控的超表面。其單元結構（如硅納米柱）類似“半波片”，當圓偏振光入射時，通過旋轉納米柱的取向角，可在透射或反射光中引入附加相位。這種相位調制僅依賴于結構取向，對波長不敏感，因此具備寬波段工作潛力，是光學計算的理想載體。
2.從數學到光學：傅里葉變換的微分特性
根據傅里葉變換的微分性質，對圖像進行n階微分，等效于在頻域（傅里葉平面）將其頻譜乘以(ik) 。
展開 
超表面設計參數復雜難優化？OAS光學軟件專業方案來破局
<p class="ql-align-center"><strong>折超混合系統的自動設計</strong></p><p class="ql-align-justify"><br></p><p><strong style="color: rgb(13, 80, 199);">簡介</strong></p><p class="ql-align-justify">超表面是一種厚度遠小于波長的人工層狀材料，由周期性或準周期性的亞波長單元結構構成，能靈活調控電磁波的偏振、振幅、相位等特性。在光學領域，光學超表面可通過亞波長微結構對光的偏振、相位、振幅等進行精準調控，為光學系統的小型化與集成化提供了新途徑。 OAS 光學軟件具備強大的超表面功能，能助力科研人員與工程師便捷高效地進行超表面相關設計與分析，其智能且方便的特性，極大地提升了超表面設計工作的效率與質量 。</p><p class="ql-align-justify"><br></p><p class="ql-align-justify"><strong style="color: rgb(13, 80, 199);">折射透鏡與超構透鏡</strong></p><p class="ql-align-justify">超透鏡憑借其超薄且平面的結構特性，可有效替代傳統厚重的曲面透鏡，在光學產品領域展現出革新性潛力。作為面向下一代緊湊型成像、傳感及顯示應用的核心技術，超透鏡正為光學系統的輕量化與集成化發展提供關鍵解決方案。
展開 AI賦能超表面設計 | 突破光學設計局限
隨著超表面逐漸走向產業化，縮小仿真與制造之間的性能差距成為關鍵。借助深度學習，我們可以在充分考慮制造公差的前提下對超表面進行設計與分析。
AI與超表面制造案例（來自原文）
針對最常見的幾何形狀變形和設計布局偏差，研究人員基于深度學習開發了超表面性能預測系統，該系統能夠評估透過率和衍射效率隨結構變化的趨勢，進而找到對變化不敏感的結構（類似于傳統光學設計中 “公差靈敏度” 低的結構）。此外，還可以基于卷積神經網絡（CNN），篩選出適宜加工的超表面單元。
對于傳統光刻工藝而言，光學鄰近效應校正（OPC）本身就是改善設計偏差的重要環節。人工智能能夠提供更準確的掩膜圖案，從而實現對復雜超表面單元結構的精準投影曝光，降低特征尺寸（CD）的變化率，提高超表面器件的效率。
AI 提升超表面圖像輸出質量
人工智能與深度學習技術在圖像后處理領域應用廣泛，例如在智能手機中，通過合并多張圖像來提高圖像質量。對于超表面來說，類似的計算處理后端同樣能夠提升輸出的圖像質量，甚至可以改善其固有的性能限制。
完全依靠特定的結構設計來消除超表面在較大視場和較小 F 數成像時的色差，存在較大難度，而通過深度神經網絡（DNN）的計算后處理，則能依據超透鏡獲取的圖像得到高質量的彩色圖像。也就是說，我們先 “預知” 超表面的像差，在此基礎上，再借助人工智能來 “推算” 真實的圖像。
AI與圖像后處理案例（來自原文）
OAS 光學軟件的超表面設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發展。OAS 光學軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。
展開 超表面重構卡塞格林望遠鏡 | 從傳統架構到新型光學系統
通過精確調節金納米棒（長 200 納米、寬 85 納米、高 30 納米，單元周期 300 納米）的旋轉角度實現相位調控，所需相位剖面由幾何光學計算得出。
超表面卡塞格林望遠鏡示意圖（來自原文）
在實驗測試環節，研究團隊在光源后配置帶通濾波器以降低色差，并通過兩個透鏡將望遠鏡所成像放大后投射至 CCD 上。實驗選用玻璃基板上 100nm 厚金膜中的狹縫作為目標物體，設置三張圖的中心距分別為 200 微米、150 微米和 100 微米。結果顯示，該超表面望遠鏡能夠實現 150 微米分辨率的成像，驗證了設計的可行性和有效性。
超表面單元結構示意圖（來自原文）
研究成果的意義與展望
相較于傳統卡塞格林望遠鏡，平面超透鏡的應用極大地簡化了系統結構，同時為光學系統設計帶來了更多可能性。從經典光學儀器到前沿超表面技術，此次研究體現了科技的持續碰撞與創新，也為未來光學望遠鏡領域的發展提供了新的方向與思路，令人對后續的技術突破充滿期待。
A：實驗裝置圖 B：狹縫示意圖 C~F：成像效果圖（來自原文）
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展開 光學3D表面輪廓儀：滿足多元超精密微觀尺寸測量需求
光學 3D 表面輪廓儀采用先進的光學原理和精密的測量技術，能夠對物體表面進行非接觸式的三維測量。與傳統的測量方法相比，它具有諸多優勢。首先，非接觸式測量避免了對被測物體的損傷，尤其對于一些精密的、易損的材料和工件，能夠在不影響其性能的前提下進行準確測量。其次，高分辨率的測量能力可以捕捉到物體表面微小的細節，無論是納米級的微觀結構還是宏觀物體的復雜形貌，都能清晰呈現。再者，快速的測量速度使得它能夠在短時間內完成大量數據的采集，提高了工作效率。
SuperViewW 系列光學 3D 表面輪廓儀，涵蓋了多種不同類型的產品，滿足了不同客戶的多樣化需求。無論是追求高精度測量的科研機構，還是需要測量大尺寸工件的工業企業，都能在這個系列中找到最適合自己的解決方案。
高精度：精準捕捉每一個細節
在高精度測量要求的應用場景中，高精度光學 3D 表面輪廓儀采用先進的白光干涉技術，能夠精確地捕捉物體表面的微小細節，為科研人員和工程師們提供了可靠的數據支持。如在材料科學領域，通過高精度光學 3D 表面輪廓儀對新型納米材料進行表面形貌研究，可以精準測量出納米材料表面的高度信息、粗糙度等關鍵數據，為進一步優化材料性能提供了重要依據。其精度之高，可達到納米級別。
大尺寸測量：輕松應對大型工件
在需要測量大尺寸工件時，SuperViewW 系列同樣有相應的產品可供選擇。這些大尺寸測量儀器具備廣闊的測量范圍和穩定的性能，能夠輕松應對各種大型工件的測量任務。
WX-S1000，升級版超大行程光學3D表面輪廓儀（龍門結構，超大行程，氣浮隔振，穩如泰山），2D表面測量/3D立體重建一鍵全自動測量，高精度微納尺寸形貌檢測利器。
展開 助力科研|光學3D表面輪廓儀服務超精密拋光技術發展
隨著技術的不斷進步，精密制造領域對材料表面的處理要求越來越高，超精密拋光技術作為當下表面處理的尖端技術，對各種高精密產品的生產起到了至關重要的作用，已廣泛應用于集成電路制造、醫療器械、航空航天、3C電子、汽車、精密模具等多個先進制造行業。
SuperView W1系列光學3D表面輪廓儀通過納米傳動與掃描技術、白光干涉與高精度3D重建技術實現0.1nm級表面粗糙度測量，成為超精密拋光技術研究領域的重要工具和幫手。
光學3D表面輪廓儀助力科研課題研究，服務超精密拋光技術發展
浙江工業大學趙軍、呂冰海團隊對磨料旋轉射流拋光(ARJP)技術，剪切增稠拋光技術等開展深入研究，并利用SuperView W1系列光學3D表面輪廓儀對拋光后表面粗糙度進行檢測驗證，多篇論文在國際TOP期刊發布。
展開 JCMsuite應用：太陽能電池的抗反射惠更斯超表面模擬
在本應用中，一種定制的無序排列的高折射率介質亞微米量級的二氧化鈦(TiO2)圓盤作為標準異質結硅太陽能電池的抗反射惠更斯超表面在試驗中進行開發。無序陣列使用基于膠體自組裝的可伸縮自下而上的技術制造，該技術幾乎不考慮設備的材料或表面形態。我們觀察到，與采用優化的平坦抗反射ITO層的參考電池相比，反射率的寬頻帶降低導致短路電流相對改善5.1%。我們討論了在保持螺旋度的框架下超表面的光學性能，這可以通過調整其尺寸在特定波長下實現對一個孤立圓盤沿對稱軸的照明。
本工作中所考慮的太陽能電池結構示意圖。Rdiff和Rspec表示漫反射和鏡面反射部分。該圓盤是在異質結技術(HJT)后發射極太陽能電池上沉積的，其表面是用非晶硅(aSi)固有層和n+摻雜層鈍化的未拋光的平面硅片ITO薄膜既是減反射涂層(ARC)，也是正面觸點。
(左圖，中間圖)不同放大倍數的太陽能電池頂部圓盤的電子顯微圖。左邊的圖突出了單個圓盤的特性，而中間的SEM圖突出了樣本的一致性。(右圖)39 × 39 mm涂層太陽能電池的照片。
通過Born近似計算的圓盤圖案的反射率和單個圓盤的有限元模擬（本文討論的數值模擬是基于有限元方法(FEM)的軟件JCMsuite）。測量圓盤涂層樣品和調整平板的反射率ARC (50 nm厚度的ITO)的圓盤結構。一個標準的平面ARC參考(80 nm厚度的ITO)作為比較。
展開 光學3D表面輪廓儀超0.1nm縱向分辨能力，讓顯微形貌分毫畢現
此外，不管是從超光滑到粗糙，還是低反射率到高反射率的物體表面，光學3D表面輪廓儀都能夠以優于納米級的分辨率，自動聚焦測量工件獲取2D，3D表面粗糙度、輪廓等一百余項參數。
全透明表面、漫反射表面、鏡面反射表面，可測反射率：覆蓋近0%~100%的表面反射率。
光學3D表面輪廓儀具有高精度、高速度和高可靠性等優點，在科學研究、質量控制、表面工程和納米制造等領域中，發揮著舉足輕重的作用。
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光 · 學堂 | VirtualLab Fusion微納光學設計|光柵與超表面建模及仿真（深圳場）2026/5/28-5/29
授課時間：：2026/5/28（四）-5/29（五）（各城市并行開課）
課程時數：2天/城市
授課地點：深圳市光明區鳳凰街道尚智科技園1棟B座1503
課程講師：訊技光電工程師隊
課程費用：3600RMB/1人次
(課程包含課程材料費、開票稅金、午餐費)
課程簡介
Course Introduction
光柵是現代光學系統中最為常用的一種衍射光學元件。隨著制作工藝的不斷提升，光柵的尺寸也越做越小。相應地，光柵分析必須使用基于矢量電磁場原理的方法。本課程使用光之數字模型平臺VirtualLab Fusion，介紹如何使用傅里葉模態法對光柵進行嚴格精確的仿真。課程涵蓋的光柵示例既有表面型光柵，也有全息型體光柵，例如傾斜光柵、閃耀光柵、用于光學超透鏡的Nanopillar結構等。此外還會介紹超表面的設計和參數優化和大角度超光柵仿真。該課程無需軟件基礎。
展開 離軸干涉系統 | 賦能超表面性能精準檢測
幾何相位與傳輸相位的超透鏡（來自原文）
利用該裝置，研究團隊對幾何相位超表面和傳輸相位超表面開展測試。結果顯示，超表面整體性能與理論設計相符，但邊緣因相位梯度大存在明顯偏差。此外，通過離焦像差最小化方法可測定超透鏡焦距，所得相位分布數據還可用于計算 PSF、OTF、MTF 等重要光學參數，為超表面的性能評估與優化提供了全面的數據支持。
相位與波像差測量結果（來自原文）
OAS 光學分析軟件的超表面設計功能非常便捷，該功能將構建更為高效、精準的超表面設計流程，進一步推動光學領域的發展。OAS 光學分析軟件已在超表面設計中展現卓越效能，為科研人員和工程師提供技術保障。
展開 Feature Article：便捷加工厘米級超表面透鏡——基于水溶性模具的納米壓印技術
如何調制與利用這些自由度是光學工程的重要課題。在微納光子學領域中，相關研究往往與超表面（meta-surfaces）這一概念聯系在一起 [1,2]。超表面是由微納尺度的結構單元鋪成的二維平面，每個單元對入射到其位置的光進行調制，所有結構加起來實現對光的總調制。當前幾乎所有常用的光學元件，例如透鏡、偏振鏡、濾光片，都能被體積更小的超表面實現。
如何獲得一片超表面？這需要經過兩個步驟：設計與加工。對于設計，人們根據擬實現的超表面，對每個結構單元進行參數化，即確定在什么空間位置對反射或透射光的幅度、相位或極化進行怎樣的改變。而后利用仿真軟件，通過掃描結構的幾何與電磁參數，設計出結構單元。雖然設計過程以數值仿真為主，但指導與理解設計依賴于微納光子學中的物理概念，包括諧振、幾何相位、傳播相位等等。
設計完成后，人們對超表面進行加工。超表面結構單元尺寸通常有幾百納米，而細部尺寸可能僅有幾十納米。電子束光刻 (electron-beam lithography)具有高精度的優勢，是目前人們加工超表面的首選方法。然而電子束光刻受制于成本高、產量低的缺點，不能滿足以應用為主要目的，高產量加工的需求。因此，發展兼具納米精度、成本低、高產量的超表面加工技術是超表面從實驗室走向產品應用的核心關鍵。
論文導讀
有別于電子束光刻，納米壓印兼具低成本、高產量和高分辨率的優勢[3]。
展開 聲學超表面- 2015-PRA 基于聲學metasurface的異常折射
聲的超表面，其實也是從光學超表面借鑒而來的概念。在往期帖子Metasurface- 2011 Science 基于metasurface的異常反射與折射中，我們已經介紹了如何設計光學天線來實現對電磁波的波前調控，而在程老師的這篇工作中，作者是通過設計亥姆霍茲共振腔（Helmholtz resonators, HR）來實現對聲波相位的調控的：
如上圖所示，聲波沿x方向入射，該超表面結構能夠實現對透射相位的任意調控。幾點點評：
1，該聲學超表面的厚度w，僅有λ0/2，每個單元的高度h僅有λ0/10，所以都算是非常亞波長了。
2，由于單個HR對聲波相位的調控能力有限，為了實現0~2π范圍的調控，每個單元由四個HR組成。
3，而多個HR的引入，又會造成阻抗的失配，為了提高透射效率，作者又添加了一條高度h1的通道，在諧振波長λ0入射下，w = λ0/2起到了FP腔的作用，實現了高透射。
我們假設入射聲波頻率1kHz，來確定上述尺寸參數。以h1為變量，我們可以得到透射率和透射相位的變化情況（原圖Fig.2b）：
上圖藍線為透射系數絕對值，表明當h1/h >0.16以后，透射系數都很高接近0.9。而綠線為歸一化的透射相位Φ/2π，則表面可以實現2π范圍內的相位調控。挑選不同的h1/h值，可以仿真得到均勻的相位梯度變化（原圖Fig.2c）：
有木有感覺和2011年metasurface鼻祖文章同一個套路？關于仿真細節，模數哥做些點評：
1，雖然超表面的尺寸比較小，但是此處僅探討原理，不考慮小結構的粘滯損耗，所以我們無需選擇熱聲，只需要選擇Pressure Acoustics, Frequency Domain（acpr）進行仿真。背景環境即為空氣，而超表面結構由3D打印而成，密度和聲速文章均已給出。
展開 