什麼是超穎介面？

超穎介面是一種奈米尺度的超穎材料，其特性為超薄、平面化，並且尺寸小於光波的波長。超穎介面內含奈米結構與次波長特徵，可改變入射光波的相位、偏振與振幅。儘管研究重點目前多數聚焦於可見光波段，超穎介面也可應用於航太與國防領域，用以操控中波與長波紅外線波段。

超穎材料是一種合成材料，由稱為超穎原子的奈米尺度構件組成，排列成柱狀或圓柱狀結構。它們具備天然材料中找不到的獨特屬性。超穎材料可用來操控光波、聲波以及其他電磁波。超穎材料是近年來先進材料與奈米光子學中快速發展的領域之一。

超穎透鏡 (也稱為超穎光學元件) 是一種特殊類型的超穎材料，應用於各種光學元件中，用以控制與操控光線。傳統光學元件正逐漸被體積更小的光學超穎介面所取代。超穎透鏡屬於平面光學，意味著所應用的透鏡與其他光學元件皆無曲率。

超穎材料與超穎介面表面的圓柱或柱狀結構可用來操控與控制各種波的行為。這些柱狀結構以週期性圖案排列，使超穎介面能根據設計以不同方式與波互動。

超穎介面具有各種不同的形狀與尺寸，皆由不同的單元格構建塊所組成。根據應用與預期的光學特性，超穎介面可使用不同的材料製作。

超穎材料會依幾何或材料的組成而展現不同的特性。例如，有些超穎材料僅調整光的相位，而其他則可協助光的傳播。

超穎介面主要分為兩種類型：介電與電漿。所有超穎介面皆可包含不同的奈米結構，以進一步自訂其拓撲與光學屬性，使工程師能打造具多功能特性的光學元件。

介電超穎介面

介電超穎介面是具有高折射率對比的超穎介面，其中的奈米級介電或半導體柱狀體 (具有方形或圓柱形橫截面) 被空氣包圍著。介電超穎介面的吸收損失通常低於電漿超穎介面，因為其所用材料在目標波長範圍 (涵蓋可見光與紅外線) 具有良好透明性。

製作介電超穎介面所使用的材料包括：

• 矽 (Si)
• 氮化矽 (Si₃N₄)
• 鍺 (Ge)
• III-V 族半導體 (如砷化鎵 GaAs、磷化鎵 GaP 等)
• 鈮酸鋰 (LiNbO₃)
• 二氧化鈦 (TiO₂)
• 鈦酸鋇 (BaTiO₃)
• 2D 材料半導體 (二硫化鎢 WS₂、硒化鎵 GaSe 等)

電漿超穎介面

電漿超穎介面是一種由金屬與介電材料構成的超穎介面，其表面包含電漿奈米粒子或電漿奈米結構 (如天線)。這些結構的間距小於自由空間的波長，或電磁波在真空中的波長。電漿超穎介面利用表面電漿子，即金屬與介電材料 (即絕緣體) 邊界處的電子集體運動。由於其尺寸特性，表面電漿子可幫助工程師在極小尺度下控制與利用光，應用於感測或成像等領域。銀與金是最常用的兩種金屬，因其光學屬性可支援表面電漿子的行為。

電漿超穎介面類似於光子晶體，其中超穎材料的重複圖樣可控制電磁波的行為。當金屬中的自由電子對光作出反應而產生集體運動時，超穎材料表面便會形成電漿子。當光照射到金屬時，其中部分能量會被吸收並使電子產生震盪。此共振行為使電子與光波產生耦合，讓光波能以自持的方式沿著金屬－介電界面傳播。

超穎介面中的奈米結構

除了定義超穎原子單元格的基本重複圖樣外，超穎材料還可包含多種特殊設計的奈米結構，以優化其特性。以下是一些實際例子：

• 超穎材料表面的奈米天線。這些微小天線可為彎曲或直線型，其形狀決定是否具有均質或非線性的光學屬性。
• 在石墨烯或金屬薄膜上可製作微小的凹槽或開口 (稱為奈米圖樣與奈米狹縫)，以改變光場。這些特徵可透過限制或增強光的強度來改變光的行為。
• 在某些情況下，可將多層奈米結構超穎材料堆疊，以降低反射並使光更順暢地穿透材料。此過程稱為阻抗匹配。

具有三種類型超穎原子 (如三角形、圓形與方形柱狀體) 的超穎介面幾何

超穎透鏡在各種應用與產業領域中越來越受到關注。

感測

感測是超穎透鏡最大且最廣泛的應用領域，因為其體積小巧，加上超穎材料光學的多功能特性，使其能在多種應用中發揮良好效果。 

使用超穎透鏡的工程師可以選擇特定波長與偏振狀態的光。藉由使用超穎材料，他們能將超薄感測器整合至相機與智慧型手機中，藉此捕捉單一光子，提升影像品質並為裝置增添多種功能。此外，國防領域中的先進超穎介面感測器能偵測紅外線與可見光，並透過偏振來過濾反射光。超穎透鏡的體積小巧亦受到醫療影像應用的青睞，例如內視鏡，其中微型感測器對協助醫師觀察體內情況至關重要。

汽車

汽車產業也正開發數種超穎介面的應用。其中一項與感測領域直接相關的應用是開發更先進的光學雷達感測器，這些感測器廣泛應用於先進駕駛輔助系統 (ADAS) 與自動駕駛車輛。另一項主要應用是在非常小巧且扁平的前照燈中，更有效地將光線從車輛投射出去。

汽車產業尚未廣泛採用超穎介面技術，因為該技術領域受到嚴格的法規限制，且所有裝置必須具備一致的品質，更遑論製造超微型超穎介面時所面臨的技術挑戰。然而，專家預測該領域很快會迎來快速的成長。

成像

與其他型式的繞射光學元件一樣，不同波長的光與超穎透鏡會產生不同的互動。這些不同的互動現象稱為色差效應。此特性對於某些需篩選特定顏色的成像應用而言非常有用。另一方面，強烈的色差對於寬頻成像應用領域 (即涵蓋多種波長的操作) 來說則可能是不可取的。儘管如此，開發具備寬頻成像能力的超穎透鏡仍是當前積極研究的領域。

超穎介面在醫療領域中的一項應用範例，是提升內視鏡所拍攝影像的解析度與清晰度。超穎介面可對入射光產生相位偏移，以減少稱為單色像差的失真，並延長內視鏡的景深。在傳統相機系統中，超穎介面可將相機內不同偏振的量測整合至單一光學元件中，從而減少對龐大元件的需求。於相機中應用超穎介面，在機器視覺與遙測等領域具有發展潛力。

AR/VR

與其他先進光學元件一同使用時，超穎介面能改善 AR/VR 頭戴式裝置，因其薄型、輕巧且平坦的特性，使其非常適合在頭戴裝置內投影影像。這些影像投影使用大面積的波導 (也稱為光導) 來協助將影像引導至眼睛。光導的尺寸遠大於用於寬頻通訊的小型光學波導。

龐大的光學元件佔了頭戴裝置重量的很大一部分。為了使用者佩戴舒適，AR/VR 頭戴裝置的設計需盡可能減少體積，因為增加的重量會對使用者的頸部產生扭力。超穎介面有助於降低這些頭戴裝置的重量。

光譜測定

超穎透鏡強烈的色差特性與小巧的尺寸，使其天生適用於光譜分析應用。超穎介面可應用於光學光譜儀器中，用於食品飲料業與醫療領域的特性分析與診斷應用。

設計光譜儀的工程師經常面臨解析度與裝置尺寸的取捨，因為光譜儀中的聚焦元件可能會引入光學像差。薄型且平坦的超穎介面可協助製作在寬頻範圍內仍具高解析度的透鏡，同時維持光譜儀的小巧尺寸。

超穎介面的設計使用與傳統半導體製造相同的技術，如光刻、蝕刻與自下而上的沉積製程。因此，它們與晶圓代工廠現有的製造技術具有極高的相容性。然而，由於尺寸極小，必須使用非常精確的模板來確保每批超穎介面的一致性，以確保高效能。

製作超穎材料的原型是一項困難、昂貴且耗時的任務。每個超穎材料原型都是以小規模方式進行製造，因此製造它們在經濟效益上未必總是有利的。不同類型的超穎介面與其設計對應的電磁波之間也存在很大差異。例如，雖然目前對能與紫外光 (UV) 波長互動的超穎材料有相當關注，但這些材料通常具有較高的光學損耗，也就是光在通過或與材料互動時所產生的強度損失。此外，這類型的超穎材料比為可見光與紅外線波長設計的材料更難製造。

在超穎介面設計中使用模擬

設計超穎介面更有效的方法之一是透過模擬，而不是進行重複多次原型迭代。這能減少在製造前所需的原型數量。

雖然超穎介面非常薄，但表面面積大，並包含許多奈米尺度的精細結構。這導致極高的運算成本，需要高效能運算 (HPC) 或圖形處理器 (GPU) 加速，來因應求解器演算法的記憶體需求。

獨立建置這些硬體的成本高昂，因此與專業軟體供應商合作能讓這個過程更具成本效益與實用性。對於已具備硬體資源的使用者，現有的超穎原子資料庫提供各種可製造的柱狀結構樣式，讓工程師能在製造前於內部開發更穩健的設計。

使用 Ansys 解決方案設計超穎介面

 超穎介面設計的主要挑戰，是要在不同尺寸尺度間進行設計 (例如，奈米尺度的單元格需排列成公分尺度的光學元件)，且每個尺度都需使用不同的模擬技術。

另一項挑戰是，超穎透鏡經常會受到強烈的色差影響。這表示超穎介面往往只能在設計的特定波長下有效運作，若處於非預期的波長下則效能不佳。然而，這在某些超穎透鏡設計中反而是優勢，例如用於製作高效能光學濾光片。

部分設計也能讓工程師製作具有較弱或消色差的超穎透鏡，將不同波長的光匯聚於同一焦點。在其他設計中，超穎介面可促進次繞射的聚焦。目前已有利用液晶研發的可調式超穎透鏡。因此，在設計時需考量多項不同因素。

Ansys (現已與 Synopsys 合而為一)，提供先進的電磁波模擬 (Ansys Lumerical 平台) 與光線追蹤軟體 ( Ansys Zemax OpticStudio 軟體)，可在最終設計定案前模擬超穎介面所有波長相關的效應。由於這兩款工具具有跨平台相容性，可將 Lumerical 平台的資料匯入 OpticStudio 軟體，以提供涵蓋所有尺寸尺度的資訊。如此一來，兩種模擬皆可使用相同的超穎介面資料，以確保在進入原型製作階段前獲得最穩健的結果。

由於模擬超穎介面需耗費大量運算資源，機器學習演算法正協助降低運算負擔。訓後的中介模型可取代每個單元格進行個別運算的模擬需求，從而降低計算量。

機器學習也應用於反向設計──這是一種反向作業流程，會先找出具有所需特性的材料結構。這與傳統設計方法不同，後者是先從材料著手，再確認其特性。結合機器學習的反向設計可找出具備所需特性的特定材料結構與幾何形狀，讓模擬成本更低。

機器學習也正在改善超穎介面的應用領域。在成像應用中，機器學習可用於影像捕捉後的重建，與傳統折射光學相比，能提供更高的效率與彈性。

若想進一步了解模擬如何協助設計與製造更先進的超穎介面光學元件，請立即聯絡我們的技術團隊。

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