超透镜 vs. 传统 DOE 与折射透镜：全面对比

超透镜 vs. 传统 DOE 与折射透镜：全面对比

引言

传统折射透镜往往体积较大，因此现代光学越来越多地开发并使用衍射光学元件（DOE，Diffractive Optical Element）来实现器件的小型化、轻量化与成本优化。然而在过去二十年里，一项名为“超表面（metasurface）”的新技术逐渐兴起，基于该技术制备的光学器件被称为超透镜（metalens）。超透镜显著扩展并提升了传统 DOE 的功能。除了能够提供更优的光束整形能力外，它还具备替代折射成像透镜的潜力，甚至可以集成偏振控制等更多功能。本文将比较超透镜、传统 DOE 与折射透镜之间的差异，并对超透镜的优势进行解读。

什么是超透镜及其优势

传统折射透镜依靠透镜不同位置的曲率差异，通过材料的折射率与曲面形状按斯涅尔定律（Snell’s law）使光线发生偏折。超透镜与传统 DOE 都基于衍射光学（惠更斯原理，Huygens’ principle），在宏观尺度上呈现“平面”特征。它们不再依赖透镜的曲率来控制光的传播，而属于“平面”衍射透镜的范畴。

由于具备一致且平坦的纳米结构，在实现相同功能时，超透镜通常优于传统 DOE。此外，超透镜还具备传统 DOE 难以实现的潜在能力，例如对光的偏振、强度与色散进行调控。

折射透镜与衍射透镜的差异

传统折射透镜依赖斯涅尔定律（如图 1 所示）。为了形成所需的表面曲率并使光线发生偏折，透镜在不同位置需要具备不同厚度。因此，如图 2 所示，采用折射透镜的光学系统往往体积较大。

图表 1 斯涅尔定律

图表 2 折射透镜系统

超透镜与传统 DOE 基于衍射光学，利用惠更斯原理实现更复杂的光束调控。根据惠更斯原理，光的传播由波前面决定，光的传播方向与波前面垂直。后续的波前可以视为前一波前上各个次级波源所产生波的包络面。

图表 3 左：平行光的波前；右：聚焦光的波前

例如，如图 3（左）所示，当一束水平准直光沿 x 轴传播时，其波前与 y 轴平行。我们可以假设该波前到达 y 轴时的相位为常数 C1。此时，位于 y 轴上的次级波源会产生如绿色弧线所示的波前，它们的包络形成通过 y 轴后的新波前（蓝色虚线所示）。该波前仍与 y 轴平行，意味着光仍沿 x 轴继续传播。

接着，如图 3（右）所示，将传统 DOE 或超透镜放置在 y 轴处，会改变这些次级波源的相位（通常称为相位移），使其从 C1 变为 C2(y) = C1 + Δ(y)。绿色弧线表示新的相位包络，从而形成新的弧形波前（红色虚线）。此时对应的传播方向变为聚焦光（红色实线）。

以上说明了如何利用衍射光学原理，通过重塑光的传播来实现对准直光束的聚焦。在实际应用中，光束整形形式多样，例如将 VCSEL 光束整形成点阵、线形或面阵图案，而这些往往是传统折射透镜难以实现的。

传统 DOE 与超透镜的差异

尽管传统 DOE 与超透镜都基于衍射光学原理进行设计，但它们在实现相位调制的方法上不同，从而导致性能差异。

3.1 传统 DOE

传统 DOE 在宏观上呈平面，但其微结构并不平整，通常呈锯齿状或多级台阶结构。也就是说，传统 DOE 在宏观尺度看起来是平的，但在微观尺度上表面存在起伏凸起，常见形态为三角锯齿或多级台阶。

锯齿型 DOE 通常用于光栅与成像应用；多级台阶 DOE 常用于部分光栅、成像以及光束整形（例如整形成点阵），因此也是市场上最常见的传统 DOE 类型。多级台阶 DOE 具有不同的高度台阶，通常称为二级、四级或八级 DOE。光通过具有 N 个不同高度台阶的结构时，会获得离散的相位移：2π/N、4π/N、……、2π，从而形成 N 个不同的离散相位级。

图表 4 传统多级台阶 DOE 的表面示意图

不同高度台阶的传统 DOE 具有以下特征：

3.2 台阶数越多，效率越高

多级台阶 DOE 的效率会随着台阶数量的增加而提升。这是因为理想波前总是平滑且连续的，但实际的多级台阶 DOE 只能产生 N 个离散相位级。因此，光通过多级台阶 DOE 后（图 5 中绿色实线所示），其相位只能近似理想的平滑波前（图 5 中红色虚线所示）。高度级数越多，对理想连续相位的逼近越好，从而效率越高。

图表 5 多级台阶传统 DOE 的实际波前

3.3 台阶数越多，制造难度与成本越高

多级台阶 DOE 的台阶数越多，制造就越困难、成本也越高。这是因为无论采用纳米压印还是光刻来制备 DOE，随着台阶数量增加，在指定位置精确实现不同高度台阶会变得越来越难，从而制造误差与成本上升。因此，市面上的传统 DOE 通常很少超过八级，其制造误差范围从 30 nm 到数微米不等。

3.4 遮挡效应导致角带宽窄

传统 DOE 存在遮挡（shadowing）效应，从而导致角带宽较窄。遮挡效应不仅存在于多级台阶 DOE，也存在于锯齿型 DOE。图 6 展示了一个用于闪耀光栅功能的锯齿型传统 DOE。由于遮挡效应，其理论衍射效率上限会随着光栅出射角 θ 的增大而降低。

图表 6 多级台阶传统 DOE 的遮挡效应

此外，蔡司（Zeiss）的一项研究指出：由于遮挡效应，锯齿型 DOE 的效率会随入射角增大而快速下降。该限制直接来源于通过“改变高度”来实现相位调制的方式。因此，传统 DOE 不适用于大角度入射或大角度出射的场景。例如，将其用于大照明视场（FOI）的光束整形透镜时效率较低；同样，当传统 DOE 作为大数值孔径（NA）的成像透镜使用时，遮挡效应会导致角带宽变窄，限制斜入射时通过光学系统的光量，影响图像亮度均匀性，从而降低成像质量（如相对照度）。

3.2 超透镜（Metalens）

如下所示，超透镜在纳米尺度上具有真正“平坦”的表面，其结构高度一致。不同于传统 DOE 通过改变微结构的高度来实现相位调制，超透镜通过改变不同的纳米结构参数来实现相位调制（例如改变纳米柱的旋转角度或其几何尺寸）。实现相位调制的纳米柱排布主要有两种方式：PB 相位和 透射相位（transmission phase）。

图表 7 超透镜表面结构示意图（左：PB 相位实现；右：透射相位实现）

纳米柱的旋转角或几何尺寸需要被合理设计，以对所需的 2π 相位变化进行离散采样，这一点与 DOE 通过不同高度台阶来实现离散相位类似。下图中的红色曲线表示 PB 相位/透射相位与旋转角或纳米柱直径之间的关系，绿色曲线表示纳米结构的透射率。无论采用哪种相位调制方式，超透镜的微/纳结构都具有统一的高度，因此消除了传统 DOE 中存在的遮挡效应（shadowing effect）。

图表 8 PB 相位、透射相位、透射率与旋转角/纳米柱直径的关系（左：PB 相位实现；右：透射相位实现）

超透镜的特性包括：

1）更高效率

纳米柱的间距通常约为半个波长，间距越小，器件效率通常越高。与多级台阶 DOE 类似，纳米柱排布越密集，对理想平滑波前的逼近越好，从而带来更高效率。如下图所示，当纳米柱阵列周期减小时，采样更密集，可更好地逼近理想平滑波前，从而提高效率。

图表 9 超透镜采样周期示意图（左：纳米柱周期较大；右：纳米柱周期较小）

不过在选择纳米柱阵列周期时必须考虑制造约束。为了获得足够多的旋转角或尺寸来离散覆盖 2π 相位范围，阵列周期往往接近半个波长。

2）更宽角带宽

与传统 DOE 不同，超透镜具有更大的角带宽。正如 DOE 部分所述，传统 DOE 受遮挡效应影响，导致角带宽较窄。下图直观对比了折射透镜、锯齿型 DOE 和超透镜在不同波长、不同入射角（AOI）以及目标出射角（α）条件下的偏转效率 [1]。黑色边界表示 60% 的效率边界；在给定波长下，该边界在竖直方向的宽度表示角带宽。

以折射透镜作为基准，当目标出射角小于 8° 时，传统 DOE 才能获得与折射透镜相当的角带宽；而超透镜在出射角达到 53° 时仍能保持与折射透镜相近的角带宽。这保证了超透镜在大入射角场景（例如大视场 FOV 成像）或大出射角场景（例如大照明视场 FOI 光束整形、 大 NA 透镜）下仍能保持较高效率。

图表 10 不同波长与目标出射角下，折射透镜、多级台阶 DOE 与超透镜的角带宽对比

例如，下图展示了传统 DOE 与超透镜作为成像透镜时的成像效果。超透镜可提供更均匀的成像，而传统 DOE 在图像边缘强度明显下降，产生暗角（vignetting）。

图表 11 像透镜中的暗角效应（左：超透镜；右：传统 DOE）

3）光谱带宽较窄

超透镜通常表现出更强的色散，因此其光谱性能带宽往往较窄。为某一特定波长设计、用于离散采样 2π 相位的纳米柱结构，可能在另一波长下出现显著的共振吸收或相位变化，从而导致效率急剧下降。例如，如图 9 所示，超透镜的光谱范围比折射透镜与 DOE 更窄：当波长低于 405 nm 或高于 660 nm 时效率会明显下降。即便在 405–660 nm 的范围内，超透镜的强色散也会造成不同波长下表现不同，例如在相同入射角下出射角不同。一个典型例子是：标准聚焦超透镜在不同波长下焦距差异较明显。

在需要消色差（achromatic）性能的应用中，往往需要采用多片超透镜或引入额外的折射透镜来补偿色散，或采用更复杂的纳米柱结构进行定制化设计以实现消色差性能。

3.3 功能集成

在光学应用中，为了同时实现多种功能，有时需要多个器件组合使用，这会导致系统体积庞大、成本上升。超透镜不同于折射透镜和传统 DOE，可将多种光学功能集成在单一器件中（例如滤波或偏振控制），从而进一步减小系统尺寸。

下面以超透镜集成偏振控制为例：若纳米柱为圆柱形，其横截面为圆形，具有 90° 的旋转对称性，因此对入射光偏振不敏感。但如果采用椭圆形或矩形的纳米柱横截面，则可以将同一纳米柱设计为对不同偏振态的入射光施加不同的相位延迟，从而在实现光束整形或成像的同时提供额外的偏振选择性。这是折射透镜或传统 DOE 所不具备的能力。

下图展示了一个概念：超透镜将水平偏振光与垂直偏振光分别聚焦到不同的光电探测器上，并给出了这种偏振选择性超透镜的纳米柱排布示意图。

图表 12 左：超透镜将不同偏振的光聚焦的示意图；右：偏振选择性超透镜的纳米柱排布示意图

到这里，我们已经从“通过改变光的传播以实现光束整形或成像”的角度，对传统 DOE 与超透镜的差异进行了比较。下面将给出一张汇总表，综合它们在量产工艺及其他方面的差异。

表格 1 传统 DOE 与超透镜对比

超透镜应用示例

4.1 线形整形超透镜（Line Shaping Metalens）

该超透镜可将 VCSEL 或 EEL 光源整形成大照明视场（FOI）的线形光斑，例如用于机器人避障等场景。它通过单片透镜即可获得均匀且细致的线形光束，并确保较高的制造精度与一致性。传统方案通常采用折射透镜组合，例如先将光束准直到直径约 2 mm，再通过 Powell 透镜形成线光斑。但对准或制造误差可能导致光束轮廓不一致，而超透镜方案可有效避免这一问题。

图表 13 线形整形超透镜——1.3× 均匀性、0.3× 体积、2× 温度范围

4.2 点阵投影超透镜（Dot Projector Metalens）

该超透镜可将阵列排布的 VCSEL 光源整形成几十到上千个点阵。主要用于人脸识别、机器人 SLAM，以及其他需要高信噪比的应用。与多级台阶 DOE 方案相比（该方案可能使用或不使用准直透镜），超透镜设计可实现 5–10% 更高效率，并带来 超过 50% 的对比度提升。

图表 14 点阵投影超透镜——1.7× 对比度、2× 温度范围

4.3 均匀化超透镜（Homogenization Metalens）

均匀化产品主要有两类：多级台阶 DOE 均匀器与工程扩散片（engineered diffuser）。工程扩散片不同于 DOE，它并非基于衍射，而是通过由微透镜凸点构成的表面结构利用折射散射光线。与 DOE 型均匀器相比，超透镜具有更高效率，并能更好地抑制 0 级衍射；与工程扩散片相比，超透镜可提供更均匀的强度分布和更清晰的边界，尽管工程扩散片的整体效率可能略高一些。

图表 15 均匀化超透镜——更高均匀性

4.4 成像超透镜（Imaging Metalens）

Alpha Cen 已开发用于 ToF（Time-of-Flight）成像的近红外超透镜，可相较传统镜头组显著降低模组高度——从 12.6 mm 降至 5.6 mm。下图对比了采用超透镜方案与采用折射镜头方案的 ToF 成像模组。

图表 16 成像超透镜——单层透镜、2× 温度范围

4.5 量产与质量控制

超透镜的质量高度依赖精密制造。例如，近红外超透镜通常在玻璃或 SiO₂ 基底上制备 Si 纳米柱结构。纳米柱的高度、直径以及折射率必须符合设计规格，否则偏差会导致杂散光并降低效率。在生产过程中，高精度控制纳米柱直径是最具挑战的环节，也是导致实测值与设计值差异最大的主要原因。

以 940 nm 均匀化超透镜为例：如果纳米柱直径相对设计出现明显偏差，就可能产生明亮的 0 级衍射光斑，这对大多数光束整形应用而言是不可接受的。只有对纳米柱直径进行严格控制，器件才能消除这些杂散光并满足客户规格。

图表 17 940 nm 均匀化超透镜测试结果（左：纳米柱直径误差大；右：纳米柱直径误差小）

下图展示了在不考虑其他制造误差的前提下，940 nm 超透镜中 0 级能量占比与纳米柱直径误差之间的关系。如图所示，直径偏差 15 nm 就可能导致 3% 的 0 级能量占比，这对多数光束整形应用而言是不可接受的。

图表 18 940 nm 均匀化超透镜中 0 级能量占比与纳米柱直径误差的关系

得益于严格的生产迭代与对制造误差的紧密控制，Alpha Cen 的线形整形、点阵投影与均匀化超透镜可将 0 级能量控制在 2% 以下，从而确保性能稳定一致，并符合设计预期。

结论

超透镜代表了光学技术的重要进步，相比传统 DOE 与折射透镜具备多项优势。它们在效率、集成能力以及多种应用中的表现更出色，覆盖从成像到光束整形等场景。Alpha Cen 的超透镜技术已在多种实际应用中取得成功，推动光学系统在实现小型化的同时获得功能增强。