文献解读 | 晶圆级折超混合超透镜：宽视场近红外相机怎么一体化量产

一句话结论：折射面与超表面在同片晶圆上对准键合，0.02 cm³ 的镜头做到 101.5° 视场、3.39 mm 光学总长。

论文简介

这次解读的是湖南大学 Chuirong Chi、Qiang Song、Huigao Duan 等人，联合香港中文大学、西湖大学、上海交通大学等单位的工作 Ultracompact Wide-FOV near-infrared camera with a wafer-level manufactured meta-aspheric lens，发表在 Light: Advanced Manufacturing 第 7 卷第 2 期第 413–424 页（2026 年），原文链接 https://doi.org/10.37188/lam.2026.045。论文是开放获取的，采用 CC BY 4.0 许可。

它的贡献可以压成一句话：把非球面折射透镜与超透镜在同一片晶圆上对准、键合、划片，做成一颗叫 MAL（meta-aspheric lens，元非球面透镜）的单片器件，用 0.02 cm³ 的体积实现了 101.5° 对角视场、3.39 mm 光学总长（total track length，TTL）和 F/1.64 光圈，并给出实测传函、批量一致性与近红外成像验证。

值得先说明一点：这篇工作同期被两篇第三方评论关注，一篇是 eLight 的编辑部文章，一篇是 Light: Science & Applications 的 News & Views。两篇评论都独立复核了上面那组头条指标，所以下文引用的核心数字有三方来源可以对照。

宽视场、紧凑、可量产：三个指标为什么互相拉扯

手机和 AR 眼镜上的近红外相机，最近几年被三件事同时推着走。

第一件是视场。眼动追踪要在很近的距离内拍到整个眼球轮廓和角膜反射光斑，视场不够宽就丢了信息；自动驾驶和安防也想要更大的覆盖范围。第二件是体积。可穿戴设备的空间是以毫米计的，模块厚一点就装不进去。第三件是能不能造出来。不是实验室里做一颗，而是良率、成本和产能都说得过去地造出几万颗。

麻烦在于，这三件事在传统折射光学里互相打架。要宽的视场，通常得上鱼眼或多片式镜头，口径、片数和装配复杂度一起往上走；论文里给出的门槛是，纯折射的近红外光学很难同时满足”视场超过 100°”和”光学总长小于 5 mm”。

那换成一整片超透镜呢？它确实薄，平面结构也容易和半导体工艺对接。但它自己的短板同样明显：离轴像差随视场迅速恶化，像面照度不均匀，大口径和大带宽很难兼顾。更关键的是，一片超表面要独自扛下全部光焦度，边缘环带会窄到逼近光刻极限，这在制造上很难收场。

此前已有折超混合的思路：让折射元件和衍射（超表面）元件分工，用符号相反的色散互相补偿。这条路线在 2018 年就有实验工作，方向是对的。问题出在集成方式上：绝大多数演示是把两片分别做出来，再用外部机械装夹对起来。装夹占掉的横向尺寸可能比镜片本身还大，而且两片之间的角度和位移偏差会直接吃掉成像质量。

于是论文把问题重新定义了一遍：真正的瓶颈不在光学设计，而在”有没有一套稳健的晶圆级工艺，能把折射面和超表面单片集成起来”，而且要保证对准精度、结构稳定性和高产能。

MAL 的分工：折射面管光焦度，超表面补波前

论文的解法可以理解成一次”职责划分”。折射元件擅长什么？大孔径、宽视场、宽带宽这些”体力活”，它做得又稳又便宜，因为这些能力来自曲面形状和材料，尺度是毫米级，工艺早已成熟。超表面擅长什么？精细的、亚波长尺度的局部波前修正：曲面做不出来的那部分相位误差，它用一片不到一微米厚的纳米柱阵列补上。

分工定下来，设计变量就清楚了。整个系统里，非球面面型、玻璃衬底厚度、孔径半径、超表面相位分布全都是可以一起调的参数，在 Zemax 里做光线追迹优化。超表面的相位用 10 项多项式描述，形状是 $\varphi(x,y)=M\sum_{n=1}^{i}a_n(\rho/R)^{2i}$，其中 $\rho$ 是径向坐标，$R$ 是归一化半径，$a_n$ 是让焦斑在全视场内尽量小的多项式系数。写成这样是为了让”折射面管低阶像差、超表面管残余波前”这件事在数学上也分得开。

表 1：MAL 内部两层的职责划分

层面	主要职责	物理依据	制造尺度
非球面折射面	承担主要光焦度，校正离轴低阶像差	曲面形状与材料折射率，几何光学可描述	毫米级面型，纳米压印成形
超表面相位面	补偿残余波前误差，细调焦斑	亚波长结构的局部相位突变	纳米柱，直径 80–290 nm
玻璃衬底	连接两层并为键合提供结构	D263T 玻璃，厚度作为设计变量	0.5 mm，晶圆级

图 1：集成 MAL 的原理与实物展示。(a) MAL 计算成像系统示意，光学模块用元非球面透镜将近红外光场编码到传感器上，计算模块再做高保真重建；(b) 分立式与单片集成式混合透镜系统的对比，集成方案省掉了辅助机械装夹和复杂对准，体积压到立方毫米量级；(c) 在 8 英寸晶圆上批量制造的 MAL 阵列，一次可制造成千上万颗；(d) 划片后单颗 MAL 与一美元硬币的尺寸对比；(e) MAL 集成进 AR 眼镜的演示；(f) 单颗 MAL 的放大照片，可见非球面透镜与超透镜经玻璃键合成一体，整体明显小于一根手指。

这张图里 (b) 是整篇论文的题眼。分立方案要把两片镜子的位置对准，中间必须留出机械余量和装夹结构；集成方案把两层直接键合成一个实体，对准由晶圆级设备一次性完成，横向尺寸不再为装夹让路。(c) 则回答了”能不能量产”：一颗 MAL 的占位是 2.564 × 2.39 mm²，8 英寸晶圆的面积约 3.24 × 10⁴ mm²，即使扣掉边缘留白和划片道，可排布的器件数也在数千颗量级，和论文”数千颗并行制造”的说法对得上。

晶圆级制造流程与微米级对准

分工想清楚之后，真正的难点落在工艺上。两层要用完全不同的方法制造，再对准键合，中间还得保护只有 550 nm 高、最细处直径 80 nm 的纳米柱不被压坏。论文的流程分四条支线。

先看超表面这一侧。衬底是 0.5 mm 厚的 D263T Eco 玻璃，先用等离子体增强化学气相沉积长 10 nm 二氧化硅做附着层，再长 550 nm 的 α 型硅（α-Si）作为纳米柱材料；上面溅射 30 nm 铬作硬掩模，再覆盖 30 nm 二氧化硅保护层。图形由电子束光刻（electron-beam lithography，EBL）写入，然后用三步电感耦合等离子体（inductively coupled plasma，ICP）刻蚀依次把图形转移到二氧化硅、铬和 α-Si 上，最后用湿法铬腐蚀液去掉残留掩模。

非球面那一侧走的是另一条线：先激光直写定义面型，再通过纳米压印光刻（nanoimprint lithography，NIL）把曲面复制到 UV 固化聚合物里。这是晶圆级光学（wafer-level optics，WLO）的成熟做法，一次成形一整片，单颗成本被摊薄。

装配环节是整篇工作的核心。非球面晶圆背面镀铬，然后用有源掩模对准（active alignment，AA）与超透镜晶圆对位，精度做到微米级；键合时预留一段受控的空气间隙，让纳米柱悬空，避免键合压力直接作用在结构上。键合完的整片晶圆只划一次片，就能和盖板玻璃、图像传感器装到一起。论文特别提到，每一颗 MAL 的超表面只在边缘与结构连接、中心留空，这样既保证结构稳定，也避免制造过程中压坏元胞。

图 2：MAL 的制造流程。(a) 超表面的晶圆级制造，电子束光刻配合电感耦合等离子体刻蚀；(b) 非球面透镜的晶圆级制造，激光直写配合纳米压印光刻，在 UV 固化聚合物中形成高精度曲面；(c) 背面镀膜后的 WLO 非球面晶圆与超透镜晶圆对准键合，随后划片、与最终玻璃元件以空气间隙键合并集成到传感器上。

这里有个容易被忽略的取舍：论文承认这次晶圆级图形化用的还是电子束光刻，而 EBL 是逐点写图形的，速度不快。他们也把话说明白了：换成其他大面积图形化手段可以进一步提高效率，后续会综合考虑精度、效率和成本再做优化。换句话说，”可量产”这一步是走通了，但产能还有继续往上抬的空间。

制造精度与批量一致性

“能造”和”造得准”是两回事。论文用两类证据来说明后者。

第一类证据是形貌。超表面这层用 α-Si 圆柱纳米柱，直径 80–290 nm，方格子周期 400 nm，高度设计值 550 nm。SEM 侧视图显示实测高度接近 550 nm，横向线宽与设计版图吻合良好。这里有个工艺上的硬约束值得算一算：周期固定 400 nm 时，直径 80 nm 的细柱占空比只有约 3.1%，高宽比却达到 550/80 ≈ 6.9；直径 290 nm 的粗柱占空比约 41.3%，高宽比只有约 1.9。同一层里同时存在接近 7:1 和不到 2:1 的结构，刻蚀窗口其实是被细柱那一端卡住的：细柱刻不直、刻不透，相位就不到位。

非球面这层的精度用面型误差衡量。论文比较了实测与仿真的非球面面型，在径向坐标 R = 0.5–0.6 mm 的环带内，平均绝对误差（MAE）只有 280 nm。需要留意这个限定的范围：这是环带内的数值，不是整个口径的误差。

第二类证据是批内一致性，这一条更贴近量产。研究者在晶圆上随机挑了四个位置的 MAL，用 ImageMaster® HR 2 分别测传函和相对照度，结果四条曲线彼此接近，说明同一片晶圆上不同位置的器件性能一致。对一个要靠良率吃饭的工艺来说，这个证据比单颗器件的极限指标更有说服力。

图 3：制造完成的超透镜与非球面透镜的形貌表征。(a) 6 × 5 超透镜阵列的小面积晶圆，用于展示晶圆级光学制造的中间产物；(b) 晶圆级集成并键合后的 MAL 阵列；(c) 晶圆上单片超透镜的 SEM 图；(d) 放大 SEM 图，α-Si 纳米柱直径 80–290 nm，按 400 nm 周期排成方格子；(e) 纳米柱侧视 SEM，高度接近设计的 550 nm；(f) 设计版图与制造结构的对比，整片孔径内保真度良好；(g) 非球面面型的实测与仿真对比，R = 0.5–0.6 mm 区间的平均绝对误差为 280 nm。

宽视场是怎么被设计出来的

设计端最关键的一步，是把超表面的色散”算对”。

常见的折超混合设计里，超表面被当成一个理想相位面：给定波长，相位就是设定值。可真实的 meta-atom 有色散，而且相位响应还随入射角变化。对窄带系统来说，这种偏差本来不大，但叠加宽视场里的大角度入射，误差就会积累，最后表现为仿真说”传函达标”、实测却对不上。

论文的处理方式是把理想色散模型换成 α-Si 材料的实测色散曲线，把局部相位写成 $\varphi(x,y,\lambda,\theta)=f(R(x,y),\lambda,\theta)$：结构选择 $R(x,y)$、波长 $\lambda$ 和入射角 $\theta$ 一起决定相位，$f$ 是描述这一映射的算子。每个位置的元胞从预先用 Lumerical FDTD 算好的数据库里挑，挑选准则是相位误差与透过率偏差之和最小。把波长和入射角显式写进正向模型之后，MTF、相对照度和离轴行为才可能被算准。

设计结果在图 4 里给全了。(b) 是 0°–50.75° 的光线追迹，(c) 是各视场的 MTF：38 lp/mm 处优于 0.5，50 lp/mm 处最大视场下仍优于 0.31。(d)(e) 把实测与仿真的传函差异和相对照度差异放在一起对比，两条曲线吻合得不错，论文认为这正是实测色散模型带来的收益。(f)(g) 是晶圆上四个随机位置的实测值，(h) 是五个视场下的点扩散函数，峰值强度比较均匀。

顺手做一个量级核对：940 nm 波长、F/1.64 对应的艾里斑半径是 $0.61\lambda F/\# \approx 0.94\ \mu m$，直径约 1.88 μm。对比 3 μm 的像元，焦斑直径只占像元的 0.63 倍，说明焦斑落在单个像元之内，确实处在该传感器能分辨的极限附近。这解释了为什么论文强调”对小像元近红外传感器达到衍射极限”，也解释了为什么 50 lp/mm（空间周期 20 μm，约合 6.7 个像元）这个频点是可被该传感器利用的。

图 4：MAL 的设计与结果分析。(a) 宽视场 MAL 成像系统示意；(b) 0°–50.75° 视场下的光线追迹，物方经集成混合透镜到像面，101.5° 对角视场落在 3.39 mm 光学总长之内；(c) 不同视场下的设计 MTF，含弧矢与子午分量，全视场 50 lp/mm 处优于 0.31；(d)(e) 50 lp/mm 处实测与仿真 MTF 之差、相对照度之差；(f)(g) 晶圆上随机四个位置的全视场 MTF 与相对照度实测值；(h) 五个视场下的点扩散函数及其截面强度分布。

成像验证：眼动、皮下血管与计算超分辨

指标达标之后，论文做了三类成像实验。

分辨率用 USAF 1951 靶标测。判据写得很清楚：一个单元要算”可分辨”，米氏对比度（Michelson contrast）须不低于 0.10 且对比度噪声比（contrast-to-noise ratio，CNR）不低于 2.0；CNR 超过 3 的再标为”稳健可分辨”。实测下来，第 −1 组区域的对比度 0.914、CNR 3.184，第 0 组对比度 0.894、CNR 3.172，都远在阈值之上。

眼动追踪是这套镜头最对口的场景。近红外 LED 环形照明眼球模型，MAL 在不同转角下拍下眼球轮廓和角膜反射光斑；光斑位置随注视方向变化，据此可以判断眼动状态。论文还演示了把它装进 AR 眼镜做近眼成像，靠的是”体积小”和”视场宽”这两条同时成立。

皮下血管成像则利用了波段差异：可见光相机拍不出的手背静脉，在这颗 940 nm 的近红外镜头下清晰可见。

第三类是计算成像。论文把 MAL 与一个深度学习模型配合，做像素超分辨，输出 1K 图像；原始 PSF 被当作模糊先验用于全视场像差校正。这条路子的意义在于：光学端负责把光场编码好，剩下的分辨率交给算法去补，硬件和算法一起优化。

不过要看清它的适用边界。这颗镜头的设计带宽只有 30 nm（相对带宽约 3.2%），是典型的窄带设计。用单色近红外照明的场景，比如眼动、虹膜、指纹识别、血管成像，它很合适；多光谱或功能成像就不在射程内了，论文自己把更大带宽列为后续方向。

意义与展望

这篇工作的落点不在某颗器件的极限指标，而在集成方式。折超混合的思路本身并不新，2018 年就有实验把两者的色散配起来做消色差；真正拖住它的是”两片分开做、再机械装夹”这个组装环节。把键合、对准和划片全部收进晶圆级流程之后，混合系统的体积从”镜片加装夹”变成了一颗 0.02 cm³ 的实体器件，这才谈得上装进手机和 AR 眼镜。

顺着这条路往前，可以预期的方向有几处。一是带宽：现在 30 nm 的设计带宽对应单色近红外照明足够，但血氧、夜视这类需要多个波长的场景要求把色散模型和相位设计一起放宽。二是产能与成本：论文这次用电子束光刻写晶圆，图形化效率还有余量，换成大面积并行图形化手段是下一步。三是把制造约束进一步前置，把套刻误差、最小特征尺寸、键合界面公差直接写进优化目标，走全可微的端到端设计，让优化结果一开始就落在工艺窗口里。

从原理验证走向实际应用，还有几处边界要推进：非球面与超表面之间的对准误差对离轴传函的敏感度需要逐项标定，窄带之外的相位响应需要实测色散模型覆盖更大波长范围，整片晶圆的良率与成本也需要在更大规模上统计。这些都是工艺与建模成熟度的问题，单片集成的路线本身已经走通。

常见误解

误以为折超混合就是把一片超透镜和一片折射透镜粘在一起。 实际上机械装夹本身就占体积，还会引入角度和位移偏差。这篇工作把两层在晶圆上对准后直接键合成一个实体，划一次片就得到器件，对准精度由晶圆级设备保证，不需要后续的机械夹具。

误以为超表面在混合系统里承担主要光焦度。 实际上承担主要光焦度的是非球面折射面，超表面负责补偿残余波前误差。把主要光焦度压给超表面会带来两个恶果：相位绕卷圈数急剧增加，边缘环带窄到逼近光刻极限；同时大角度入射下 meta-atom 的相位偏差被放大，离轴性能先垮。

误以为”仿真与实测吻合”是设计对了的自然结果。 实际上常规设计把超表面当成理想相位面，忽略了 meta-atom 的色散与入射角依赖。论文的关键一步是把理想色散换成 α-Si 实测色散，并把波长和入射角显式写进相位正向模型，仿真与实测的传函才可能对上。

误以为视场宽就说明它什么都能拍。 实际上这颗镜头的设计波长是 940 nm、设计带宽只有 30 nm，相对带宽约 3.2%。它适合单色近红外照明下的眼动追踪、血管与虹膜成像；要拍彩色或多光谱，得先解决带宽问题。

参考资料

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