超平面透镜相对衍射透镜的优点
光学元件在许多现代系统中起着至关重要的作用。因为经典的透镜和反射镜往往是笨重的，小型化趋势对光学提出了挑战。解决这个问题的一种方法是使用平面光学。多年来，平面光学一直使用衍射光学技术，但在最近二十年来，一种称为超表面的新技术已经出现。这项技术并没有取代衍射光学，而是衍射光学的扩展，以杠杆效应利用在光学基底上制造亚波长结构的新能力。对成像和聚焦应用，使用分别作为衍射光学和超表面子集的衍射透镜和超透镜。最近，关于超透镜是否比衍射透镜有任何真正的优势一直存在争论。在这篇评论中，我们试图对这场辩论获得一些见解，并提出我们对这个问题的看法。
超透镜是什么?
“超材料”一词是在2000年前后创造的，指的是亚波长级人工工程3D材料，具有期望的有效体积光学参数。超表面和超透镜甚至在此之前就已经发明【1,2,3】，尽管这些术语是在十多年后才被引入，这些术语源自于将它们视为维数降至2D的超材料。超透镜最近很受欢迎，在主要的期刊上发表了许多关于这个主题的论文【5,6】。如果我们以一个正(聚焦)透镜为例，衍射透镜是一种光学元件，它模拟一个平凸折射率透镜(图1a)，但其中的凸表面是“平坦”的，通过把它分解成径向区域(图1b)，其代价则是强烈的色差。在设计波长以外的波长，焦点随波长的倒数线性移动。从物理光学的观点，可以说，在一个衍射透镜的相位延迟是引入的2π模(或其倍数)。为了达到这个目的，我们定义了一个衍射透镜的相位包裹特征，即相位被限制到一个最大值，从而产生一个准周期结构。在超透镜(一种超表面)中，相位是通过建立在衬底材料表面的纳米结构(称为纳米天线)的响应而引起的(图1c)。这与传统的衍射透镜(CDL)形成对比，后者的相位诱导机制仍然类似于基于透镜材料内部光线路径长度的折射透镜。引入介电介质超表面相位延迟的方法主要有三种:截断波导【3,7】，几何相位【8 - 10】，以及最近的共振或惠更斯【11,12】纳米天线(图2)。
图1 镜头类型的剖面图. a 传统的体积庞大的折射透镜 b 沿径向平面化的衍射透镜 c 用于相位控制的纳米天线的超透镜
图2 几种超透镜天线的扫描电子显微镜(SEM)图像。(a)用于几何相位的纳米鳍，经参考文献【9】许可复制。(b)用作截断波导的纳米棒，经参考文献【7】许可复制，和(c)用于惠更斯超透镜的纳米盘，经参考文献【12】许可复制。标尺为1 µm。
由于纳米天线所产生的相位值被限制在2π以内，任何具有显著屈光度的超透镜都可以被认为是衍射透镜，因为它也可以产生2π模的相位。请注意，透镜的屈光度的经典定义是焦距的倒数，但这里我们更喜欢把屈光度与透镜的菲涅尔数联系起来，它是产生的以π为单位的最大相位(“未包裹”波前)。菲涅耳数能更准确地表示透镜在改变光通量的方向时所做“工作”。
我们已经建议一种观念，超透镜是一种衍射透镜，然而，并不是每一个衍射透镜都是超透镜的。超透镜必须有亚波长准周期结构，相反CDL是基于超波长准周期结构。
考虑更一般的超表面情况：什么是超表面可以做而传统的衍射表面不能？例如，超表面可以操纵光的偏振，而衍射表面则不能。超表面也能显示谐振行为，它们的性质可以是波长的强函数。因此，超表面具有传统衍射表面所不能达到的独特特性，这一点现在已经得到了充分的证实。然而，回到超透镜的更具体的例子，它是典型的只有光的相位被操纵。由于这似乎可以通过衍射透镜做得同样好，超透镜与CDL相比的优势是一个争论的主题。最近，Banerji等人认为任何超透镜可以做到的，衍射透镜可以做到，甚至做得更好【14】。超透镜被认为比CDLs有许多优势。在下面的部分中，我们将分别研究这些问题。
更薄的厚度
还有一些问题，就是在一个更厚的基底上（通常是～1毫米）形成～100 nm的微结构(超透镜的特征尺寸)比形成1微米(衍射透镜的特征尺寸)的微结构是否有显著的优点。从终端用户的角度来看，这当然是正确的。从制造的角度来看，更薄的结构有优势，但通常决定制造难度的是结构的纵横比(高度与宽度)，超透镜的纵横比不一定比CDLs低。
二元结构
在衍射领域中有些人声称制造一个多台阶衍射透镜(即表面轮廓由多个离散高度组成）比二元(即两台阶表面高度)超透镜更容易，因为衍射透镜的特征尺寸更大【14】。另一方面，超透镜界声称制造二元超透镜结构要比制造多台阶衍射元件【15】简单。在我们看来，“容易”和“难”制造是主观的术语，取决于特定研究小组或制造设施所拥有的设备和专门知识。显然，这两种方法都具有挑战性。
CMOS兼容
从材料的观点来看，CMOS兼容性不是一个区别因素，因为有不兼容CMOS的超透镜(如基于TiO2的)和兼容CDLs(如基于Si的)。一般来说，超透镜的尺寸(较小的横向尺寸和深度)与CMOS制造线更兼容，而CDLs的尺寸(较大的横向尺寸和深度)与MEMS制造线更兼容。两者都有可能以低成本大规模生产。CMOS兼容性对于任何镜头来说都是非常重要的，因为它将被纳入到使用CMOS技术制造的传感器或其他片上系统的制造过程中。然而，随着目前晶片堆叠技术的进步，透镜晶片可以堆叠在12 "晶片规模的光电传感器晶片上，所以其优势可能不是那么关键。
高数值孔径的能力
有人声称，高数值的衍射透镜在10年前就已经被证明，因此超透镜在这方面没有优势。然而，这个演示的透镜【16】是一个二台阶衍射透镜，并且透镜的效率没有报道(理论极限为40.5%)。此外，有趣的是，这个镜头的制造工艺类似于超透镜的制造工艺(SiN沉积，电子束直写和去胶剥离),所以这个例子不支持这样的观点：情况可以给超透镜一样的性能,使用更简单的制造方法。使用多台阶衍射可以获得更高的效率，使用严格衍射光栅理论【17,18】的闪耀优化。然而，这提出了下面的问题:假设一个中等高的数值孔径，比如0.5，衍射透镜的最小周期是2λ闪耀(λ是透镜的中心工作波长)。当台阶数为4是，提供的效率为～70%【13】，最小的特征大小为2λ/4=λ/2,也就是说它是亚波长。那么，这是CDL还是超透镜？即使有人仍然将这个镜头定义为CDL(亚波长特征不是准周期)，它并没有作为大的超波长特征尺寸而具有的容易制造的优点。
到今天为止，已经展示了效率较高，有一定屈光度和数值孔径大于0.9的超透镜【7,9,11】，而等效的CDLs还没有被演示。
色差校正
很久以前就用多阶衍射光学证明了衍射透镜的色差校正。这是通过一个衍射级次为m(约为10)的衍射透镜来实现的，而不是通常的一级次，一级次允许多个波长聚焦在同一平面上。所付出的代价是区位板深度，它比一个标准的一阶衍射的深度大m倍。该方法已被扩展，使用数值优化方法，以获得最大的性能在最小的增加蚀刻深度【14】。
在超透镜领域，近期出现了许多色差矫正的实验演示。最常用的方法是弥散工程纳米天线。该方法的优点是提供连续波长范围内的色差校正。然而，这种方法局限于较小的屈光度和/或波长范围【20】。超透镜中证明的其他色校正方法有级联法和横向多路复用法。这些方法可以提供几个离散波长的校正，通常是以效率为代价的。由于彩色校正可以实现使用衍射光学，有人可能会说，用超透镜来研究它是没有意义的。然而，提供色差校正的机制是物理上不同的。此外，数字可用于处理色差的超透镜设计的自由度比CDLs要高得多。因此，我们认为超透镜不能提供比CDLs更好的多色性能还为时过早。
关于色差校正，我们想指出在CDLs和超透镜超透镜中使用的方法是不可放大的。虽然小型超透镜(例如，10-100µm孔径/焦距)可以获得良好的校正，但这并不意味着在放大后(孔径/焦距为1-10mm)同样的超透镜也可以采用这一概念。到目前为止，所有的消色差超透镜都很小，因此在这个领域还有创新的空间。
可调谐性
最近有许多可调超表面和超透镜的演示。在超透镜的情况下，这是最重要的焦点调整，但可能也相关的创建一个变焦效果或纠正像差。有些调谐方法，例如机械伸缩，也可以适用于衍射透镜。然而，有些只适用于超透镜。超透镜似乎在这方面有优势。
极化选择性
极化灵敏度主要表现在几何相位基超透镜(其中诱导相位由其他相同纳米结构的方向定义)，通常被视为一个缺点，因为它降低了非偏振光的效率。然而，在某些情况下，可以利用它在不同的横向或纵向位置聚焦右圆偏振光和左圆偏振光。原则上，可以用超透镜设计各种极化敏感功能。CDLs中没有这种自由度。
前景
总之，确实有许多超透镜的应用已经证明可以用CDLs同样很好地实现。然而，超透镜在某些方面已经超过CDLs(例如，高效高数值孔径应用)。超透镜比CDLs有更多的自由度，因为它们的纳米结构有无限的形式。CDLs仍有创新的空间，超透镜的研究不应掩盖这一点。然而，看起来不可避免的是，在学术研究中，较成熟的衍射光学领域将会相对于较新的、尚未在该领域证明自己的超表面和超透镜而言退居次要地位。超透镜在成像、光谱学、颜色/偏振路由、可调聚焦和增强现实等领域有许多应用。超透镜在应用方面可能还有未开发的优势。我们相信，当适当的应用满足商业生产能力时，超透镜材料最终会进入工业生产。然而，我们不认为它们将取代衍射透镜，因为对于许多应用来说，CDLs已经足够了，而且成本更低。到今天为止，超透镜在商业化的道路上必须走过的一个阶段是采用良好的工程实践，例如使用有关的性能数据，以便能够比较不同类型的镜头。我们的结论是，这项研究的重要性并不取决于使用了什么流行词，而是取决于它对科学理解的贡献和潜在的工业应用。
由奥普顿光电（OptonTech
Ltd.）翻译。原文发表于2020年4月24日。
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