融入“制造意識”（Manufacturing Awareness）的設(shè)計是一種設(shè)計哲學，它強調(diào)在產(chǎn)品設(shè)計和開發(fā)過程中對制造過程的理解和考慮。這種設(shè)計方法的目的是減少設(shè)計階段到生產(chǎn)階段的轉(zhuǎn)換時間，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時縮短產(chǎn)品上市時間。

隨著增強現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的發(fā)展，對光子器件的需求日益增加，對高效、小型化組件的需求也變得更為迫切。目前備受業(yè)界關(guān)注的兩個器件包括超構(gòu)透鏡和光學組件，這兩個器件在汽車激光雷達、攝像頭以及AR/VR系統(tǒng)等各種應(yīng)用中都至關(guān)重要。然而，要支持這些器件的大規(guī)模生產(chǎn)并保證其性能是具有挑戰(zhàn)性的。因此在設(shè)計中融入制造意識將有助于提升產(chǎn)品設(shè)計性能、減少設(shè)計-制造-測試循環(huán)，從而節(jié)省時間和成本。

具備“制造意識“的超構(gòu)透鏡設(shè)計

超構(gòu)光學元件（Meta optics），是一種平面光學元件，正在進入到運用傳統(tǒng)集成電路制造技術(shù)進行大規(guī)模生產(chǎn)（HVM）階段。超構(gòu)光學元件構(gòu)建于由亞波長單元組成的超構(gòu)表面，這些亞波長單元是在高折射率薄膜中制造而成，厚度約為0.5至3+微米。該超構(gòu)表面可用作聚焦透鏡、分束器、波導或其他光學功能。

超構(gòu)透鏡作為光學行業(yè)的一項革命性創(chuàng)新，憑借其超薄特性和彈性調(diào)制光場的能力，被寄予厚望，有望替代傳統(tǒng)曲面鏡頭，成為下一代緊湊型成像、傳感和顯示應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。然而，在實現(xiàn)大規(guī)模設(shè)計和制造超構(gòu)透鏡的過程中，面臨著諸如掩模制造、方角圓化、刻蝕、圓角、布局生成以及基板平整度等多方面的挑戰(zhàn)。此外，光刻和刻蝕工藝在實際操作中往往難以達到理想的方形拐角和垂直側(cè)壁，這些制造缺陷將對超表面結(jié)構(gòu)的性能指標產(chǎn)生不利影響。

在超構(gòu)透鏡的設(shè)計階段，將“制造意識”融入其中，有助于設(shè)計師更好地理解和克服制造過程中可能出現(xiàn)的各種挑戰(zhàn)，這種方法整合了新思科技光學設(shè)計（RSoft Photonic Device Tools）和制造工藝設(shè)計（Synopsys Proteus、S-Litho和Sentaurus Process Explorer）軟件的先進技術(shù)，以確保制造的超構(gòu)透鏡更接近特定制造工藝下的最佳性能。它有助于在光學設(shè)計和制造設(shè)計之間實現(xiàn)規(guī)則傳遞，縮短設(shè)計周期，并致力于“首次即正確“的超構(gòu)透鏡設(shè)計。

▲ 圖1 將“制造意識“融入超透鏡設(shè)計階段。首先對超原子進行制造過程模擬，形成帶有“制造意識”超原子庫，然后利用該超原子庫制造出性能更為優(yōu)越的超構(gòu)透鏡

解決AR/VR設(shè)備中的相似挑戰(zhàn)

制造挑戰(zhàn)并非僅限于超構(gòu)透鏡，目前AR/VR行業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用的光波導組件，如何用低成本實現(xiàn)高精度表面浮雕光柵的制造是至關(guān)重要的步驟已經(jīng)成為我們研究和關(guān)注的焦點之一。

表面浮雕光柵（SRG）具有微米級特征，該特征對制造過程中產(chǎn)生的表面倒角、刻蝕和粗糙度等微小變化非常敏感。對于光學組件來說，精確控制SRG的空間衍射效率成為關(guān)鍵參數(shù)之一，因為它能夠直接影響到整個光學系統(tǒng)的性能。

SRG形狀的任何偏差都會對衍射效率產(chǎn)生影響。在優(yōu)化的早期階段，若忽略這些變化，將可能導致多次設(shè)計迭代，從而影響達到目標性能的效率，這就是眼盒中的光線均勻性問題。對于光學組件而言，在初期階段就考慮SRG制造缺陷對性能的影響，并將“制造意識”融入優(yōu)化流程有利于提升最終性能和設(shè)計魯棒性，在設(shè)計階段采取相應(yīng)措施來降低潛在風險。

如圖2所示，新思科技提供了完整的設(shè)計流程，允許設(shè)計師在優(yōu)化的早期階段將制造的SRG輪廓集成進來。這一設(shè)計流程旨在滿足眼盒內(nèi)照度均勻性、圖像質(zhì)量和色彩定義的高標準要求。

▲ 圖2 “首次即正確”的設(shè)計方法示意圖-以含有制造意識的SRG輪廓作為初始點進行設(shè)計

結(jié)論

在光學設(shè)計中融入“制造意識“，特別是對于超構(gòu)透鏡和AR/VR設(shè)備，有助于建立穩(wěn)健高效的光學設(shè)計流程。通過了解并模擬制造工藝對這些設(shè)備的影響，設(shè)計師可以提升產(chǎn)品設(shè)計性能、減少設(shè)計-制造-測試循環(huán)，從而節(jié)省時間和成本。隨著對這些設(shè)備需求持續(xù)增長，這種方法將在推動光學和光子學技術(shù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

審核編輯：彭菁z