超透镜技术在2016年被美国科学杂志评为最佳发现之一，并在2019年被世界经济论坛、科学美国人评为十大新兴技术之一。
自2016年以来，一些初创企业如MetalenZ、MetalenX、Lumotive、NIL、Alpha Cen、山河光电、纳境科技、与光科技等，就已展开了对超透镜技术的产业化研究，在消费电子、车载、医疗内窥等各个方向探索超透镜的商业应用价值。
在2023年4月，知名分析师郭明琪爆料，苹果正在开发“超透镜“技术，将首先于2024年在iPad前置Face ID上实现量产。
若顺利，则最有可能于2026年导入到iPhone前置Face ID上，最快在2026或2027年在量产的苹果眼镜AR Glass上大量使用。
苹果作为消费电子的标杆厂商，正逐步加大在超透镜领域的投入，这为超透镜的产业化带来了新的推动力。
超透镜，又称超构透镜，是由离散的纳米柱单元排列而成的、具有聚焦功能的平面二维超构表面，其典型结构如下Figure 1 所示。
每一个超表面单元通过电磁谐振等方式对入射光进行透射相位调制。
理想情况下，入射光经超透镜进行波前调制后，由平面波转为汇聚的球面波，球心即为超透镜焦点。
传统透镜是由厚度不同的光学材料制成的，光线传播依赖于斯涅尔定律（即折反射和直线传播定律），利用材料中光传输累积不同的相位，来调制透镜的透射光波前。
为消除色散，通常需将多个透镜级联，导致透镜的数量、厚度和重量有所增加，这会限制其在微小型光学系统中的应用。
衍射透镜是基于光波的衍射理论设计的，是表面具有微结构的光学元件，微结构的高度一般在微米量级。
衍射透镜比传统透镜的厚度更薄，更轻，但由于高阶衍射的存在会降低成像质量。
超透镜是采用超表面来实现光线聚焦的平面透镜，属于衍射透镜的一种。
衍射透镜的准单元周期大于一个波长，超透镜单元尺寸在亚波长。
超透镜对光的调控依赖于广义斯涅尔定律，设计自由度更高，可在亚波长尺度上对光场的振幅、相位、色散、偏振态和角动量等参数进行有效调控。
利用人工微结构调控光场相位主要有三种方式：几何相位、传输相位和谐振相位。
几何相位又称为PB相位，通过旋转具有相同形状的纳米结构来实现光波的相位突变，从而实现对相位梯度或分布的人工控制。
基于几何相位设计的超透镜是偏振敏感的，只对于圆偏光有效。
几何相位型的超表面单元结构及超透镜示意图如下Figure 2所示。
Figure 2 几何相位型超透镜的单元结构及排布示意图
为实现聚焦透镜的功能，使所有光线达到同一个焦点，超透镜的相位应满足：
其中，λ为波长，f为焦距，x和y是相对于超透镜中心的空间坐标，超透镜中纳米柱单元如下图所示。
通过设计不同坐标位置的纳米柱的旋转角度来获得不同的相位分布，从而实现所需功能的超透镜。
传输相位是基于电磁波在传播过程中产生光程差这一特性进行相位调控的，电磁波累积的传播相位可以表示为：
其中，k₀=2π/λ为自由空间的波矢，n为介质的有效折射率，d为电磁波在均匀介质中传播的距离。
当纳米柱结构高度固定时，可以通过调整纳米柱结构的形状、尺寸和结构单元周期等参数，进行超透镜设计。
可选的纳米柱结构有圆柱、方柱、六边形柱等各向同性的纳米结构，具有高度对称的特点。
这类超透镜具有偏振不敏感特性，其表面形貌如下图所示。
Figure 3 传输相位型超透镜的单元结构及排布示意图
谐振相位是由Capasso课题组为解决宽带消色差问题而提出的一种色散工程解决方案。
谐振相位分为基础相位和补偿相位两部分，前者基于几何相位与入射波长无关，在圆偏振光入射时通过改变结构单元的旋转角度来实现；后者与入射波长有关，通过集成共振单元实现，其相位应满足：
其中，α和β为常数，这类超透镜的单元结构及表面形貌如下图所示。
Figure 4 谐振相位型超透镜的单元结构及排布示意图
超透镜的纳米柱尺寸在几十nm左右，目前主流的加工工艺是电子束光刻（EBL）。
以TiO₂为例，超透镜的制备过程有镀膜、匀胶、EBL、镀Cr、剥离、刻蚀、去Cr等工序。
如下Figure 5 所示，
（1）采用电子束溅射镀膜技术制备两种TiO₂薄膜；
（2）然后利用匀胶机旋涂感光性物质光刻胶，加热后烘，增加光刻胶的硬度；
（3）利用电子束曝光技术将设计的形状首先转至感光物质表面；
（4）然后再用电子束溅射镀膜技术在光刻胶上沉积一层薄薄的金属铬(Cr)作为掩模，保护需要的TiO₂；
（5）紧接着采用反应离子束刻蚀技术将图案从光刻胶转移到TiO₂薄膜上，此时超透镜制备完成。
纳米压印（NIL）是一种利用机械变形复制纳米结构的技术，先使用精度更高的EBL技术完成模板的制备，再利用热压印或紫外压印的方法实现图案的转移。
NIL具有高分辨率、产量高、成本低等优点，被看作最有前景代替光刻的微纳加工工艺，但受限于图案设计和分辨率，该工艺还有一些待突破的技术瓶颈。
此外，由于硅和二氧化硅基底材料与半导体主流制造工艺CMOS完全兼容，工业界也实现了在不同尺寸晶圆上的大规模加工。
超透镜在轻薄性、成本效益和高效性等方面表现出的显著优势，理论上有能力取代目前市场上绝大多数的光学透镜系统。
由于当前制造工艺的局限性以及在解决可见光波段色散方面的基础理论不足，超透镜技术会首先落地在红外单色光波段相关的应用场景，如光谱仪、ToF模组、红外热成像、红外测温、3D传感等，逐步向红外宽光谱和可见光波段拓展。这里重点介绍超透镜技术在XR领域的潜在应用。
2018年，韩国首尔大学的研究团队首次提出在AR眼镜中，将超透镜应用于成像透镜来实现全彩色显示。
该团队设计了一款基于几何相位原理的超透镜（直径为20mm，NA为0.61，材料为多晶硅-SiO₂）应用于AR显示。
通过3个二向色镜调整不同波段的虚像位置，实现了在76°视场范围内的全彩色成像。
若透镜直径增加至35mm，AR样机的视场角可提高到120°。
该团队采用纳米压印工艺加工超透镜，通过SEM观察可以发现其纳米柱的形貌基本满足精度要求。
多晶硅材料在可见光波段的吸收系数较高，导致超透镜的衍射效率实际只有1%左右，可通过采用其他低损耗材料如二氧化钛、氮化硅等，提升衍射效率。
Figure 7 (a) 基于超透镜的全彩色AR样机示意图；
(b)AR显示效果图；
Figure 8 (a)超透镜的纳米柱单元示意图；(b)超透镜在光学透镜和SEM下的实物图
实现AR显示的技术路线之一是LBS+HOE，LBS发出的细光束经HOE衍射后可直接聚焦在人眼的瞳孔上，在视网膜处直接成像。
2018年，特拉维夫大学的研究团队提出一种三层超表面应用在AR中实现彩色显示，可代替HOE。
该团队设计并加工了一个三层超表面(Al-Ag-Au-SiO₂)，每层超表面只响应一个特定波长的光，其余可见光谱的光不受影响。
通过该三层设计的超表面可将光引擎发出的全彩图像传输至人眼，同时该元件可以直接获取外界的真实信息，这种分层超表面可以降低光学系统的色差，使彩色图像更为清晰。
Figure 9 (a) 基于三层超表面的AR眼镜示意图；
(b)Au纳米结构示意图
常规HOE一般是在平面玻璃基底上贴附光致聚合物薄膜，这在实际应用中无法满足近视人群的需求，需要开发曲面的HOE设计与贴膜，这也是一项技术难点。
2021年，罗切斯特大学的研究团队提出自由曲面超透镜的思想并应用于AR显示中，该自由曲面超透镜（尺寸：2mm×1.5mm，材料：Ag-SiO2-Ag）可以实现曲面HOE的功能。
自由曲面超表面是在自由曲面基底上加工超表面结构，自由曲面和超表面的相位独立控制并叠加，共同实现成像和像差矫正。
若不受加工工艺的限制，自由曲面超透镜在理论上可将尺寸设计到无限大。
论文中的超透镜是针对632.8nm波长的光设计的，若后续可在可见光波段实现大口径的消色差，可逐步从实验室推进到产业化落地。
Figure 10 (a) 基于自由曲面超透镜的AR样机示意图；(b)自由曲面超透镜的微结构SEM图
衍射光波导方案是AR显示的另一重要技术路线，通过MicroLED/DLP/LBS等光学引擎发出彩色图像，衍射光波导实现2D扩瞳并将彩色图像耦入到人眼中，可增大AR系统的Eye-box。
目前衍射光波导有三大问题：视场角小，衍射效率低和彩虹条纹。
衍射光波导的视场角与选用材料的折射率相关，若实现大视场角，波导需采用高折射率的材料。
但更高折射率的材料由于材料体系不成熟，可能会存在吸收导致衍射效率更低或制造加工困难等问题。比如，对于折射率为1.7的波导，最大水平视场角HFOV只能达到40°。
2018年，哈佛大学的研究团队提出采用超表面的偏振调控特性进行波导设计，将相同入射角的TE和TM光衍射到不同的输出角，基于同样折射率为1.7的材料，可将波导的HFOV拓展到67°，相对于传统的衍射光波导HFOV增加近70%。
超透镜也可以增强衍射光波导的衍射效率，并缓解VAC问题。
2022年，加州大学洛杉矶分校的研究团队提出了基于超表面光波导的AR显示系统，通过激发传输和衍射模式下调控超表面MOE的色散，设计了一个视场角为55°的单层全彩色的超表面光波导，其衍射效率超过1%，并且通过多焦面显示方案可以在一定程度上缓解视觉辐辏冲突问题。
Figure 13 基于超表面的光波导系统示意图和光路系统图
目前Pancake光学方案是VR中较为成熟的显示方案之一，Pancake光学具有超薄的优势，但存在光损较为严重的问题，其光能量利用率最多为25%。
2022年，南京大学的李涛教授团队基于光子的自旋霍尔效应设计的双面超透镜，可替代Pancake光学中的传统透镜，可以改善光损严重的问题，将光能量利用率提升到100%。
该论文中加工的超透镜口径在320um，实际VR产品中光学镜片的口径在40~50mm左右，若将口径变大，色差等性能会降低，距离商业化还有距离。
Figure 14 (a)传统Pancake光学 VS 基于超透镜的Pancake光学光能量传输示意图；(b)超透镜实物图和USAF分辨率标板的成像图
超透镜若替代传统透镜在VR中大量应用，需要解决大尺寸消色差的技术难点。
2022年，哈佛大学的Capasso研究团队提出了一种多区色散工程与逆向设计相结合的方法，可以实现大尺寸消色差的超透镜的设计，并加工了一个直径为1cm，数值孔径为0.7的超透镜，应用于VR系统中，采用单片超透镜代替了传统多片镜片组，具有镜片数量缩减和厚度减薄的优势。
Figure 15 (a)消色差超透镜实物图；(b)基于超透镜的VR光路系统图；(c)不同波长的光聚焦图
眼动追踪可以利用人类视觉特性，通过注视点渲染，提高AR/VR设备中注视区域的显示分辨率，降低非注视点的分辨率，从而节省运算资源。
也可以针对性地重建眼睛注视点位置的深度信息，缓解VAC，提高视觉舒适度。
眼动追踪最主流的技术方案是基于瞳孔角膜反射法的视觉方案，通过IR相机拍摄眼动图像计算视轴。
视觉方案采用的关键器件为IR LED和IR Camera，目前市场上商业化的IR Camera的视场角在50°~90°左右。
若采用超透镜设计IR Camera，可以将超透镜直接集成在CMOS Sensor上，具有体积更小、成像质量更高、视场角更大等优势。
若对超透镜进行特殊设计，还可以获取到人眼图的偏振信息，有利于提高眼动追踪算法的精准度。
Figure 16 (a)基于超透镜的IR Camera设计示意图；
(b)基于超透镜的IR Camera设计专利图
2024年的SPIE展会上，NIL Technology首次推出了基于超透镜技术的IR Camera产品metaEye，模组体积可缩小到<6mm³。
metaEye模组和基于其采集的眼图如下Figure 17 所示。
Figure 17 (a)metaEye产品示意图；
(b)基于metaEye搭建的眼动样机采集的眼图
除以上应用外，超透镜还可以与微显示屏相结合，提高微型显示器件的像素密度、发光效率等特性。
(a) 轻薄，传统透镜厚度在mm量级可减薄至um量级。
(b) 数量少，一至两片超透镜可替代多片堆叠的传统透镜组。
(c) 可实现分偏振调控。
(d) 作为平面光学器件，易于加工和集成，可与半导体CMOS工艺兼容，大规模生产成本低。
(1) 可见光宽光谱范围下的理论限制：受数值孔径和带宽的约束，无法做到大口径的宽带连续消色差，这会限制超透镜在可见光波段成像场景中的应用。
(2) 现有材料体系的加工工艺不成熟：超透镜的设计需要在设计波段采用合适的高折材料，高折材料的硬度高，大规模生产难度较大；高深宽比的微纳结构有助于超透镜的设计，但目前的微纳加工工艺无法精准满足所有高折材料实现高深宽比和高分辨率的加工，从而会对超透镜的设计产生制约。
(3) 衍射效率低：超透镜的相位离散化和加工工艺误差导致其聚焦效率小于传统透镜，仍未达到商业化产品的规格要求。
(4) 商业化设计软件不完善：大口径超透镜的结构单元数量数以万计，建模和电磁仿真需要消耗大量计算资源，目前FDTD、Rsoft等主流软件存在仿真速度慢的问题，新兴软件如PlanOpSim在算法中加入了AI和拓扑优化等新技术，可以在一定程度上提高仿真速度，但目前该软件功能还不够完善，无法支持任意形状纳米柱的选择和大口径mm级以上超透镜的仿真，该软件还需要一段时间的沉淀达到商业化应用。
超透镜技术作为一种新兴光学技术，产业化进程才刚刚开始，虽然现阶段在材料、设计、加工、应用等维度存在一些瓶颈和不确定性，但相信随着行业的发展，超透镜会在其最适合的应用场景下发挥最大的商业价值。
