融入“制造意識(shí)”（Manufacturing Awareness）的設(shè)計(jì)是一種設(shè)計(jì)哲學(xué)，它強(qiáng)調(diào)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中對(duì)制造過(guò)程的理解和考慮。這種設(shè)計(jì)方法的目的是減少設(shè)計(jì)階段到生產(chǎn)階段的轉(zhuǎn)換時(shí)間，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，同時(shí)縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）和虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)的發(fā)展，對(duì)光子器件的需求日益增加，對(duì)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(gè)器件包括超構(gòu)透鏡和光學(xué)組件，這兩個(gè)器件在汽車激光雷達(dá)、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(jì)中融入制造意識(shí)將有助于提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能、減少設(shè)計(jì)-制造-測(cè)試循環(huán)，從而節(jié)省時(shí)間和成本。

具備“制造意識(shí)“的超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)

超構(gòu)光學(xué)元件（Meta optics），是一種平面光學(xué)元件，正在進(jìn)入到運(yùn)用傳統(tǒng)集成電路制造技術(shù)進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)（HVM）階段。超構(gòu)光學(xué)元件構(gòu)建于由亞波長(zhǎng)單元組成的超構(gòu)表面，這些亞波長(zhǎng)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(dǎo)或其他光學(xué)功能。

超構(gòu)透鏡作為光學(xué)行業(yè)的一項(xiàng)革命性創(chuàng)新，憑借其超薄特性和彈性調(diào)制光場(chǎng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模設(shè)計(jì)和制造超構(gòu)透鏡的過(guò)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(shí)際操作中往往難以達(dá)到理想的方形拐角和垂直側(cè)壁，這些制造缺陷將對(duì)超表面結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)產(chǎn)生不利影響。

在超構(gòu)透鏡的設(shè)計(jì)階段，將“制造意識(shí)”融入其中，有助于設(shè)計(jì)師更好地理解和克服制造過(guò)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(xué)設(shè)計(jì)（RSoft Photonic Device Tools）和制造工藝設(shè)計(jì)（Synopsys Proteus、S-Litho和Sentaurus Process Explorer）軟件的先進(jìn)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(xué)設(shè)計(jì)和制造設(shè)計(jì)之間實(shí)現(xiàn)規(guī)則傳遞，縮短設(shè)計(jì)周期，并致力于“首次即正確“的超構(gòu)透鏡設(shè)計(jì)。

▲ 圖1 將“制造意識(shí)“融入超透鏡設(shè)計(jì)階段。首先對(duì)超原子進(jìn)行制造過(guò)程模擬，形成帶有“制造意識(shí)”超原子庫(kù)，然后利用該超原子庫(kù)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(dǎo)組件，如何用低成本實(shí)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(diǎn)之一。

表面浮雕光柵（SRG）具有微米級(jí)特征，該特征對(duì)制造過(guò)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(duì)于光學(xué)組件來(lái)說(shuō)，精確控制SRG的空間衍射效率成為關(guān)鍵參數(shù)之一，因?yàn)樗軌蛑苯佑绊懙秸麄€(gè)光學(xué)系統(tǒng)的性能。

SRG形狀的任何偏差都會(huì)對(duì)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(dǎo)致多次設(shè)計(jì)迭代，從而影響達(dá)到目標(biāo)性能的效率，這就是眼盒中的光線均勻性問(wèn)題。對(duì)于光學(xué)組件而言，在初期階段就考慮SRG制造缺陷對(duì)性能的影響，并將“制造意識(shí)”融入優(yōu)化流程有利于提升最終性能和設(shè)計(jì)魯棒性，在設(shè)計(jì)階段采取相應(yīng)措施來(lái)降低潛在風(fēng)險(xiǎn)。

如圖2所示，新思科技提供了完整的設(shè)計(jì)流程，允許設(shè)計(jì)師在優(yōu)化的早期階段將制造的SRG輪廓集成進(jìn)來(lái)。這一設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)要求。

▲ 圖2 “首次即正確”的設(shè)計(jì)方法示意圖-以含有制造意識(shí)的SRG輪廓作為初始點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)

結(jié)論

在光學(xué)設(shè)計(jì)中融入“制造意識(shí)“，特別是對(duì)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(xué)設(shè)計(jì)流程。通過(guò)了解并模擬制造工藝對(duì)這些設(shè)備的影響，設(shè)計(jì)師可以提升產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能、減少設(shè)計(jì)-制造-測(cè)試循環(huán)，從而節(jié)省時(shí)間和成本。隨著對(duì)這些設(shè)備需求持續(xù)增長(zhǎng)，這種方法將在推動(dòng)光學(xué)和光子學(xué)技術(shù)方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。

審核編輯：彭菁z