马萨诸塞大学打造超构光学创新高地，商业化超构透镜成果

超构透镜（metalens）是一种极薄的新型平面光学元件，但它能够将传统大尺寸曲面光学元件的多种功能整合到一个超紧凑的封装中。增强现实（AR）/虚拟现实（VR）设备、汽车激光雷达（LiDAR）、手机摄像头、夜视设备、地形测绘以及人脸识别等应用都能通过超构透镜显著获益。

2019年，世界经济论坛（World Economic Forum）将超构透镜列为十大新兴技术之一，对于消费、医疗保健、航空航天和国防应用实现各种下一代产品至关重要。美国马萨诸塞州无论是高等教育还是工业领域，一直是光学研究和制造业的领先地区。

2023年10月，马萨诸塞州技术合作组织（MassTech）宣布拨款500万美元，加速该地区光学研究和制造技术的开发和应用。这笔拨款将支持马萨诸塞大学阿默斯特分校（UMass Amherst）在校内建设一座开放式的先进光学制造及表征基础设施，成为可供全州行业合作伙伴和研究人员使用的独特资源。

马萨诸塞大学阿默斯特分校聚合物科学与工程教授、该项目联合首席研究员James Watkins表示：“这些设施中最先进的机台和加工能力将有助于大大降低投身光学领域的很多小企业甚至大型公司的风险。通过补强产业链重要环节，这将有助于激励企业创新、扩大规模，最终将新产品推向市场。”

光学元件正迎来变革

传统的透镜通常是曲面设计且尺寸较大，已经有数百年历史。大约十多年前，科学家们开发出了超薄的超构透镜，其厚度仅约为头发丝的1/100，却能够提供先进的功能和更好的性能，这在过去通常需要由四到六片传统透镜组成的大型光学系统才能实现。

Watkins说：“超构透镜可以在更小的封装中实现更高的性能。单个超构透镜可以执行多种功能，具体取决于其表面微型光学元件的尺寸、形状和排布。”

该项目共同首席研究员、马萨诸塞大学阿默斯特分校电气和计算机工程助理教授Amir Arbabi表示：“除了替代传统透镜和光学组件，超构透镜还可以提供新颖的功能，赋能微型片上光学系统，如相机、显微镜、光谱仪、激光雷达等。”Arbabi是超构光学领域的先驱，过去十年来，他发明并展示了许多超构光学器件和系统，并在该领域拥有40多项专利。“由于消除了与对准和组装相关的成本，这种完全集成的光学系统可以使用超构光学技术以低成本制造。”

传统上，超构透镜是在半导体代工厂制造的，制造成本较高，而且采用的是减法制造工艺——本质是在一层材料中刻蚀出所需要的图案。

马萨诸塞大学阿默斯特分校新的光学制造和表征基础设施，采用了Watkins研究小组开发的增材制造工艺。正如他所解释的，增材制造在成本、材料和能源使用方面比传统的减法工艺效率高得多，而且可以在更小、更经济的设施中进行。

Watkins解释称：“我们的团队致力于在先进材料上构建小到人眼无法看见的微结构，最终提供全新性能水平的先进光学器件，并将为产业带来巨大影响。”

Watkins说：“我们的光学研究成果可以带来真正身临其境、轻便易戴的智能眼镜；使自动驾驶汽车更加安全的环境感知；弱光下解锁设备的人脸识别；以及改进的医疗成像。”

马萨诸塞大学新的光学制造和表征基础设施，代表了校内最先进的开放式科学基础设施，每年将为数百名学术界和工业界的外部研究人员提供服务。这还将包括校内其他的先进制造设施，例如卷对卷制造和加工设施，以及该大学应用生命科学研究所的其它核心设施。

马萨诸塞大学在可扩展纳米制造领域一直处于领先地位。2006年，学校成立了由Watkins领导的分级制造中心（CHM），并获得了美国国家科学基金会为期10年、价值3600万美元的拨款。该中心后来改建为分级制造研究所（IHM），并继续由Watkins领导，至今仍在运作，每年的资金拨款超过500万美元。

2023年10月，包括Watkins和卷对卷制造和加工设施负责人Jeff Morse在内的马萨诸塞大学教员在波士顿主持了为期三天的纳米压印和纳米印刷技术国际会议（NNT 2023），召集了来自美国、欧洲和亚洲的先进光学专家。大约有50名与会者前往阿默斯特参观了马萨诸塞大学新的光学制造和表征基础设施。

这座新设施将容纳精密压印机台，以验证规模制造；先进的光学表征能力，用于测试和验证新的光学元件；以及一套用于创建并测试新设计的软件工具。该设施将配备专家，对用户进行培训和协助，并对学生和其他技术人员开展教学培训。

Watkins说：“新技术往往是有风险的。这样的开放式设施，使大大小小的公司能够利用新兴技术并开发原型，大大降低了应用新技术的风险。这对于释放企业发展所需要的投资，将新技术从学术实验室带到市场至关重要，从而真正造福社会和经济。”

超构透镜成果进行商业化

马萨诸塞大学阿默斯特分校在纳米制造方面的优势尤其集中于设计并生产最终能够商业化的器件和技术。

Watkins说：“在我们的实验室，我们倾向于关注有量产可能的方向。换言之，我们希望不仅能够开发出一种能够证明技术进步或新概念的产品，而且能够最终商业化量产，这样实验室的研究成果才能成为人们可以使用的产品。”

2021年，Watkins获得了国家科学基金会的“Partnerships for Innovation”拨款，旨在帮助研究人员加快突破性技术的开发。在该资金支持下，Watkins与他的学生和博士后一起，成立了一家名为Myrias Optics的初创公司，专注于超构透镜和AR/VR光波导的增材制造技术。该公司正在研究AR/VR智能眼镜、激光雷达、地形测绘、人脸识别和超紧凑光学组件。

2023年10月，Myrias Optics宣布已从一家战略合作伙伴和风险投资公司获得超过280万美元的投资。

近日，台湾光学大厂亚洲光学宣布，着眼未来先进光学元件发展，公司与Myrias Optics合作跨足超构透镜领域，采用直接纳米压印高折射率全无机材料技术，取代传统半导体冗长的刻蚀工艺，具有快速、高效和低成本优势。

Watkins说：“我们的团队多年来开发了多项核心技术并申请了专利，现在，我们已经找到了超构透镜在提供更高性能和降低成本方面带来重大影响的应用和市场。我们所采用的增材制造工艺，比传统的方法更节能、更高效，这使其更具可持续性。”

Myrias Optics专利的材料结构和工艺

Myrias Optics首席技术官、Watkins研究小组前博士后Vince Einck表示：“实际应用和可制造性，对于超构光学等变革性技术的商业化至关重要。Myrias Optics与战略客户和合作伙伴一起，提供了高质量、易于加工的材料和高效的增材制造方法，以确保从概念到产品的高效落地管道。我们希望我们的平台技术能在许多行业彻底变革光学技术，并为我们的客户和社会带来真正的价值。”

Watkins指出，他们的最终目标是在马萨诸塞州建设一家超构光学元件代工厂。