麦姆斯咨询 | 2022-07-29至2022-07-31 | 线上直播课程

微纳光学是研究具有微纳米级特征尺寸的光学元件设计、制造及应用(光的发射、传输、变换和接收)的学科。本次培训以典型的微纳光学元件为核心,传授从设计到制造的关键技术,探索从传感到显示的热门应用。

主办单位:麦姆斯咨询

协办单位:上海传感信息科技有限公司


一、课程简介

微纳光学(Micro/Nano Optics)是研究具有微米级/纳米级特征尺寸的光学元件设计、制造及应用(光的发射、传输、变换和接收)的学科。微纳光学是当前光学技术发展中最活跃的领域之一,其结合了光子学和微纳技术的前沿成果。微纳光学元件包括以反射型、折射型、衍射型、光波导为代表的被动元件和以光源、探测器、调制器为代表的主动元件,可应用于传感与成像、显示与照明、通信与互连等众多领域。受益于半导体制造技术的发展,微纳光学元件可在与集成电路一样的洁净室中实现大批量制造。


微纳光学元件典型应用领域

微纳光学元件典型应用领域


近些年,以超构透镜(Metalens)为代表的超构光学元件(Meta Optical Elements,MOE)正从实验室走向产业界,成为光学前沿技术的热点,有望为光学产业带来一场变革。超构透镜是一种利用由亚波长纳米结构阵列组成的超构表面(Metasurface)调控光的相位、振幅、偏振、波长等参数的平面透镜,其能够提升光学传感与成像的效率和性能,同时降低传统镜头的复杂性并减少元件的数量——体积小、交付快且具有成本效益,拥有广阔的市场前景并能够创造新的应用。


传统镜头 vs. 超构透镜

传统镜头 vs. 超构透镜


自适应超构透镜将光线聚焦于图像传感器

自适应超构透镜将光线聚焦于图像传感器:通过电信号控制超构透镜的纳米结构单元形状以产生所需的光波前,从而产生更好的成像效果。展望未来,自适应超构透镜将被集成于各种成像系统,例如手机摄像头和显微镜,可实现自动对焦、校正光学像差、执行光学图像稳定等多种功能,所有这些都仅需一个超构透镜。(来源:Capasso Lab/Harvard SEAS)


以Metalenz、NIL Technology为代表的国际领先厂商在超构透镜产业化方面进展迅速:Metalenz将超构光学技术与半导体制造工艺相结合,在意法半导体12英寸晶圆代工厂内实现批量生产,并将超构透镜应用于意法半导体FlightSense系列ToF测距传感器VL53L8,该传感器在发射和接收窗口中都采用了超构透镜;NIL Technology已构建一个完整的超构透镜产业链,包括设计、原型制作、测试和表征以及制造能力,并实现超构透镜的出货。以迈塔兰斯(MetalenX)、山河光电为代表的国内新兴厂商正在努力追赶:这两家公司均成立于2020年,迈塔兰斯在热成像超构透镜方面实现国内生产,计划2022年推动全系列超构透镜的量产落地;山河光电完成多款超构透镜样品制作,预计2022年可实现小规模量产。


Metalenz与意法半导体合作量产革命性的超构透镜,主要面向激光雷达和3D传感等应用

Metalenz与意法半导体合作量产革命性的超构透镜,主要面向激光雷达和3D传感等应用


全球首款集成超构透镜的ToF测距传感器(来源:意法半导体)

全球首款集成超构透镜的ToF测距传感器(来源:意法半导体)


2021年,被称为“元宇宙(Metaverse)”时代元年,兴起一波科技创新热潮!打开元宇宙之门的关键之一是虚拟现实(VR)/增强现实(AR)技术。而VR/AR技术的成熟,离不开微纳光学元件的助力。以AR智能眼镜为例,其近眼显示功能所用的核心微纳光学元件之一是光波导——本质是一片高折射率透明基底,从基底侧边耦入光机发出的光束,并在基底内以全反射方式传播,最后在近眼处将光束耦出到人眼。光波导可分为几何光波导和衍射光波导,衍射光波导又可分为体全息光栅波导和表面浮雕光栅波导,后者是当前AR智能眼镜的主流技术。由于AR应用的表面浮雕光栅波导的特征尺寸进入微纳米量级,因此纳米压印技术就成为主要的量产制造工艺。


表面浮雕光栅波导示意图

表面浮雕光栅波导示意图

(来源:增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展[J].《光学精密工程》)


本次培训以典型的微纳光学元件为核心,传授从设计到制造的关键技术,探索从传感到显示的热门应用。课程内容包括:(1)微纳光学理论基础;(2)超构透镜及长波红外相机;(3)基于光学超构透镜的显微成像技术;(4)超构表面光场调控和全息技术;(5)介质超构透镜及微型成像系统;(6)光学超构表面的微纳加工技术研究进展;(7)晶圆级光学制造及纳米压印;(8)AR近眼显示光波导;(9)AR眼镜光学传感与显示技术;(10)光学相控阵(OPA)及激光雷达与光通信应用;(11)基于微透镜阵列的光场相机三维成像技术及应用。


二、培训对象

本课程主要面向微纳光学产业链上下游企业的技术人员和管理人员,以及高校师生,同时也欢迎其他希望了解微纳光学元件及应用的非技术背景人员参加,如销售和市场人员、投融资机构人员、政府管理人员等。


三、培训时间

2022年7月29日~7月31日

授课结束后,为学员颁发麦姆斯咨询的结业证书。


四、培训方式

线上直播课程和答疑。


五、课程内容

课程一:微纳光学理论基础

老师:华中科技大学 副教授 易飞

微纳光学主要研究在光学衍射极限及突破衍射极限尺度下(即光的波长和亚波长尺度)的光学现象及应用。借助微纳结构在光的特征尺度下操纵光场,大大增强了人类对光的调控能力,更加有效地发挥出光子作为信息和能量载体的作用。其中,光学超构材料自概念诞生之日起,就因其新颖灵活的设计思想掀起持续了十余年的研究热潮。本课程从光学理论出发,详细阐述典型的二元光学和超构光学元件及其制造工艺。

课程提纲:
(1)光学理论的四个阶段:几何光学、波动光学、电磁光学、量子光学;
(2)微纳光学(电磁光学)理论概述;
(3)二元光学(Binary Optics):衍射光学元件(DOE)、全息光学元件(HOE)、微透镜阵列;
(4)超构光学(Meta Optics):光学天线、超构材料、超构表面;
(5)微纳光学元件制造工艺。


课程二:超构透镜及长波红外相机

老师:华中科技大学 副教授 易飞

超构透镜是轻量化的平面透镜,其利用亚波长结构单元的阵列实现光的波前调控。构成超构透镜的亚波长结构单元可以利用制作图像传感器所用的工艺设备,例如光刻机、等离子刻蚀机等实现大规模生产,而生产出来的超透镜也可以与图像传感器在同一生产线上直接组装集成。在本课程中,易飞老师讲解如何利用大口径全硅超构透镜替代传统的折射透镜,构建出轻量、无热化的红外相机,以及该红外相机在温度测量和气体检测领域的应用。

课程提纲:
(1)超构透镜概念及应用;
(2)超构透镜 vs. 折射透镜 vs. 衍射透镜;
(3)用于长波红外成像的超构透镜设计、制造及测试;
(4)长波红外超构透镜相机在温度测量和气体检测领域的应用;
(5)基于超构透镜的红外成像技术展望。


课程三:基于光学超构透镜的显微成像技术

老师:中山大学 副教授 梁浩文

光学透镜的数值孔径是光学成像系统最重要的基本参量之一,衡量着光学系统收集光子能力的强弱。对于显微成像系统,数值孔径越大,成像光斑越小,成像细节越清晰。传统的大数值孔径显微物镜体积大、价格昂贵、结构复杂、功能单一,不利于多功能维度显微成像的应用。而超构表面是一种具有横向亚波长尺度的微纳光学结构,可以在不到一个光学波长的薄膜结构层上实现全2π相位的精确控制,从而灵活调控光场相位、偏振和传播模式等特性。基于该结构的超构透镜能够在百纳米厚度的微纳结构上实现超大数值孔径显微物镜,从而克服上述传统光学玻璃物镜的缺点。本课程全面讲解超构透镜如何赋能显微成像,并对已有成果做出系统总结,提出具可行性的科学展望。

课程提纲:
(1)光学显微成像技术概述;
(2)基于超构透镜的扫描显微成像技术及应用;
(3)基于超构透镜的宽场显微成像技术及应用;
(4)基于超构透镜的功能性显微成像技术及应用;
(5)光学超构透镜技术展望。


课程四:超构表面光场调控和全息技术

老师:北京理工大学 教授 黄玲玲

通过对超构单元电磁特性和空间排列序的有效人工构造,超构表面能以超薄、平面可集成的独特几何构型在亚波长空间尺度上实现对光场多维度的灵活操控。由于丰富的人工可调自由度和多参量操控的物理机制,超构表面被预言为有可能产生颠覆性应用的重要技术,可解决传统光学元件面临的瓶颈挑战。特别是,随着3D传感技术的成熟,3D数据唾手可及,那么3D显示技术路在何方?也许基于超构表面的全息显示可以大显身手!本课程介绍超构表面发展历程,详解超构表面光场调控和全息技术,最后进行未来展望。

课程提纲:
(1)超构表面概念及研究发展;
(2)超构表面光场调控:振幅、相位、偏振、波长、轨道角动量等;
(3)超构表面成像与光信息处理;
(4)超构表面全息技术;
(5)超构表面技术展望。


课程五:介质超构透镜及微型成像系统

老师:湖南大学 副教授 胡跃强

当前,光学成像技术已经在高分辨率、高图像质量、宽波段等方面取得了优异的性能。但是,光学成像技术大多建立在成熟的折射光学元件的基础上,整个光学成像系统体积较大。得益于微纳加工技术的发展,超构透镜为提高光学成像系统的集成度、保持系统分辨率提供了可能的解决方案。在过去的几年里,超构透镜的成像性能方面取得了令人振奋的进展,包括效率提高、宽带消色差、视场拓宽等,这些都标志着超构透镜向实际应用的迈进。本课程首先介绍介质超构透镜基本知识及原理设计,然后全面阐述用于微型成像系统的介质超构透镜研究现状、挑战及产业化。

课程提纲:
(1)介质超构透镜概述;
(2)介质超构透镜原理设计;
(3)用于微型成像系统的介质超构透镜研究进展;
(4)用于微型成像系统的介质超构透镜面临的挑战;
(5)介质超构透镜产业化进展。


课程六:光学超构表面的微纳加工技术研究进展

老师:湖南大学 副教授 胡跃强

由于超构表面是由在二维平面上高自由度、非周期性、排列密集的亚波长单元结构组成,在光学波段(从紫外光、可见光到红外光波段)的超构表面更是对微纳加工提出了一些极端的参数要求,对其走向实际的量产应用提出了极大的挑战。本课程针对光学超构表面,深入讲解从小批量实验加工到大批量生产制造的微纳加工技术及研究情况,最后针对微纳加工技术的当前挑战和未来发展进行总结和展望。

课程提纲:
(1)微纳加工技术概述;
(2)电子束曝光;
(3)聚焦离子束刻蚀;
(4)激光直写加工;
(5)掩模光刻加工;
(6)纳米压印加工。


课程七:晶圆级光学制造及纳米压印

老师:青岛天仁微纳科技有限责任公司 董事长 冀然

丰富的3D传感与成像应用(例如智能手机3D摄像头、汽车激光雷达等)及光明的AR近眼显示发展前景,对衍射光学元件、菲涅尔透镜、光波导以及新型微纳光学元件的需求量大幅增加,晶圆级光学制造则是满足上述市场规模日益增长需求的重要技术之一。本课程从晶圆级光学制造的发展历史和基本概念开始,带领大家学习其关键设备、工艺流程及典型产品案例,并详细讲解纳米压印制造技术及其在微纳光学领域的应用。

课程提纲:
(1)晶圆级光学制造技术概述;
(2)晶圆级光学关键制造工艺;
(3)纳米压印技术概述;
(4)纳米压印工艺详解;
(5)纳米压印设备和材料;
(6)纳米压印在微纳光学领域的应用。


课程八:AR近眼显示光波导

老师:北京至格科技有限公司 首席执行官 孟祥峰

近眼显示光波导是AR领域最具挑战性、最复杂的难题之一,因其轻薄和外界光线的高穿透特性而被认为是消费级AR眼镜的必选光学显示方案,又因其价格高和技术门槛高让人望而却步。目前,光波导技术林林总总,到底差异在哪里?哪些方案适合AR眼镜?光波导的实现存在哪些学术问题和产业化问题?在本课程中,衍射光波导行业专家孟祥峰老师将为学员们答疑解惑,并重点讲解表面浮雕光栅波导的核心技术。

课程提纲:
(1)AR近眼显示概述;
(2)光波导技术对比分析;
(3)表面浮雕光栅波导设计、制造、测试;
(4)表面浮雕光栅波导产业链及主要厂商;
(5)表面浮雕光栅波导技术展望。


课程九:AR眼镜光学传感与显示技术

老师:天津驭光科技有限公司 总经理 朱庆峰

AR眼镜被视为未来可穿戴设备的一大突破,有望与智能手机一样成为大众的必备物品。早在2013年,谷歌第一款智能眼镜Google Glass问世之后,市场一直处于不温不火的状态,技术成熟度、价格、用户体验等诸多因素是阻碍其进入大众生活的阻力。2021年以来,局面发生了重要改变,苹果、微软、谷歌、Meta(Facebook)等科技巨头厂商的AR眼镜布局进展显露,预示着该市场已经进入加速成熟的阶段。在本课程中,老师将分析代表厂商的AR眼镜的光学传感和显示技术、微纳光学元件、主要性能参数及测评项目。

课程提纲:
(1)增强现实(AR)概念及典型AR头戴式设备;
(2)AR眼镜中的光学传感和显示技术;
(3)AR眼镜核心微纳光学元件及应用;
(4)AR眼镜主要性能参数及测评项目;
(5)AR眼镜代表厂商(苹果、微软、谷歌、Magic Leap、Snap、Facebook等)及其产品分析;
(6)AR眼镜未来展望。


课程十:光学相控阵(OPA)及激光雷达与光通信应用

老师:华中科技大学 副教授 黄庆忠

OPA的概念来源于传统微波相控阵,但以工作在光波段的激光作为信息载体。OPA技术在业界的升温,主要归功于激光雷达(LiDAR)产业热潮的到来。作为一种光束操纵元件,OPA芯片能够帮助激光雷达实现全固态化并获得更高的可靠性,因此受到广泛关注。2022年5月,Quanergy宣布其OPA技术成功实现250米的距离检测,进一步推进S3系列激光雷达的产品化道路,该系列OPA芯片采用业界首创的可扩展CMOS制造工艺,可实现具有成本效益的大规模生产。本次课程从OPA工作原理和发展历史出发,重点讲授OPA芯片核心技术及两项重要应用:激光雷达与光通信。

课程提纲:
(1)OPA研究背景、工作原理及发展历史;
(2)OPA主要类型(硅光、MEMS、液晶等)及其优缺点;
(3)OPA芯片仿真设计、工艺制作与测试方法;
(4)OPA芯片(大角度、高精度、高边模抑制、低功耗等)研究进展;
(5)OPA芯片在激光雷达领域应用进展;
(6)OPA芯片在光通信领域应用进展。


课程十一:基于微透镜阵列的光场相机三维成像技术及应用

老师:奕目(上海)科技有限公司 产品总监 汪睿

光场相机在主透镜和成像平面之间放置微透镜阵列(MLA),并且MLA与成像平面平行。这种设计使得光场相机能够同时捕获空间中光线的位置和角度信息——记录4D光场信息,对光场进行渲染从而实现先成像后聚焦的能力。微透镜阵列的存在使得光场相机能够记录视差,这为3D成像应用提供了新的可能性。依托上海交通大学的科研实力,奕目科技攻克多项光场技术难题,全面掌握三维光场相机涉及的全部核心技术:光学设计、微纳加工、光场芯片封装封测、光场算法、3D工业软件等,领头制订国内光场相机的行业标准。在本课程中,奕目科技的汪睿老师将带领大家深入了解光场相机及三维成像技术。

课程提纲:
(1)基于微透镜阵列的光场成像 vs. 基于相机阵列的光场成像;
(2)基于微透镜阵列的光场相机原理:成像/重聚焦/多视角;
(3)光场相机的深度/三维信息处理;
(4)光场相机的典型应用案例。


六、师资介绍

易飞,博士,华中科技大学光电信息学院副教授、博士生导师。主要从事人工光学微结构及其相关器件的研究,如下一代红外探测器与新型传感器芯片、面向微波光子学与片上高速光互联的光子集成芯片等。他于2011年获得美国芝加哥西北大学电子工程与计算机科学系博士学位,曾作为访问学者工作于新加坡科技局数据存储研究中心,后于美国费城宾夕法尼亚大学材料科学与工程学系从事博士后研究。他先后主持国家自然科学基金青年项目“面向气体传感的多波长窄带红外探测器研究”、深圳市科技创新委员会基础研究项目“像元级集成光学信息处理功能的高性能红外探测器芯片研究”,目前正在主持国家自然科学基金面上项目“超表面双色偏振热探测器研究”,并多次参与过美国自然科学基金(NSF)和美国国防部高等研究项目局(DARPA)的研究项目。他发表SCI收录论文40篇,其中高影响力论文5篇;美国授权专利4项,中国授权发明专利13项;出版专著章节1章;发表会议论文30篇,在CLEO、OFC、SPIE Photonics West等国际光学会议上做口头报告21次,其中邀请报告1次。


梁浩文,博士,中山大学物理学院副教授,主要从事先进光学成像与显示技术,包括微纳超构透镜成像、纳米光学成像、散射光学成像、虚拟现实技术及交叉应用等研究。作为项目负责人主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金、广东省重点领域研发计划课题、国家科技创新项目等。他发表学术论文30余篇,申请发明专利30余项,授权10余项。其中超大数值孔径超构透镜成果入选OSA 2018年度重要进展成果(OPTICS 2018)。


黄玲玲,博士,北京理工大学教授、博士生导师,入选教育部青年长江学者、北京市卓越青年科学家、北京市科技新星、中国科协青年人才托举计划、教育部霍英东高校教师基金等计划。她长期在微纳光学、衍射光学及全息领域从事教学和科研工作,主要研究方向包括新型微纳光学元器件物理机制及功能应用、光场调控、全息显示等方面。她主持10余项国家级和省部级项目,包括科技部重点研发计划课题、国家自然科学基金国际合作项目、面上项目、北京市卓越青年科学家项目等。她在Nature Communication、Advanced Materials、Nano Letters、Light: Science & Applications、Laser Photonics & Review等国际顶级期刊发表SCI论文80余篇,受邀做学术会议特邀报告20余次(任分会主席3次),授权发明专利25项,编辑出版学术专著1本。


胡跃强,博士,湖南大学机械与运载工程学院副教授、博士生导师、岳麓学者,湖南大学深圳研究院研究员。他担任International Journal of Extreme Manufacturing(《极端制造》)青年编委、《光学精密工程》客座编辑。他还是美国光学学会(OSA)会员、中国机械工程学会高级会员、中国微纳米技术协会高级会员、中国光学学会会员。2018年和2013年于清华大学和西南交通大学分别获得博士学位和学士学位,2016年至2017年于加州大学伯克利分校进行联合培养,2018年加入湖南大学。主要研究方向为微纳结构(尤其是超构表面元件)的光场调控原理设计、器件制备和系统应用。他主持国家重点研发计划子课题、国家自然科学青年基金及中欧人才计划基金、深圳市优秀科创人才培养项目、湖南省自然科学优秀青年项目和青年基金以及企业重大攻关项目等数项。在Light: Science & Application、Nano Letters、Engineering、Advanced Functional Materials等期刊发表SCI论文,其中影响因子大于10的9篇,入选高被引论文3篇,申请发明专利20余项,授权4项。


冀然,博士,青岛天仁微纳科技有限责任公司创始人兼董事长。他拥有德国亚琛工业大学硕士学位和德国马普微结构物理所博士学位,师从欧洲纳米压印之父Kurz教授,开创了纳米压印设备和材料的商用领域,在纳米压印和微纳加工领域拥有二十年经验。博士毕业之后,他在德国半导体设备上市公司负责纳米压印设备开发和产业化推广,担任纳米压印技术首席科学家。2015年归国创办青岛天仁微纳科技有限责任公司,经过短短几年的时间发展,研发的纳米压印设备和全套解决方案打败国际诸多竞争对手,占领国内微纳光学和生物芯片生产的超过90%市场份额。


孟祥峰,清华大学光学工程博士,北京至格科技有限公司创始人兼首席执行官,具有十余年企业管理和光学研究经验。其创立的北京至格科技有限公司自主掌握“光栅设计、光栅母版加工、纳米压印生产”三大核心技术,拥有功能完备的光栅母版加工中心和AR衍射光波导生产线,致力于AR衍射光波导及衍射光栅的研发、生产和销售。至格科技研制的衍射光波导产品具有行业领先的性能指标和显示效果,并且已具备C端客户的量产交付经验,因此获得了手机及半导体产业链知名战略投资机构的多轮投资。


朱庆峰,拥有清华大学精密仪器系本科及硕士学位、英国赫瑞-瓦特大学(Heriot-Watt University)管理学硕士学位。加入驭光科技之前,他曾在世界500强科技企业斯伦贝谢从事数据解释软件和算法工作及研发管理16年,拥有多项美国及欧洲发明专利。他组建驭光科技北京、天津、合肥研发团队,领导3D投射模组与系统方案的研发及产品化,产品已经应用于刷脸支付、智能家居、安防、工业检测等多个领域。2020年11月起,他创建了AR产品线,组织AR光波导的产品研发,负责AR、VR战略客户拓展、技术方案和商务对接。实现多款光波导量产并形成行业领先态势,业务成绩吸引到歌尔集团对驭光科技的战略投资。


黄庆忠,博士,华中科技大学副教授、博士生导师,武汉光电国家研究中心微纳工艺与表征平台主任。2004年毕业于浙江大学信息与电子工程学系,获得学士学位,2009年毕业于中国科学院半导体研究所,获得博士学位。2009年进入华中科技大学光电国家实验室博士后流动站,出站后留校任讲师、副教授。他主要从事硅基光电子器件与集成方面研究工作,先后主持三项国家自然科学基金项目、一项国家重点研发计划子课题,以及三项国家重点实验室开放课题,参与一项国家重点研发计划课题、一项863项目、两项国家自然科学基金重点项目,以及多项国家自然科学基金面上项目。在国内外本领域权威期刊和国际会议上发表学术论文60余篇,其中SCI收录论文40余篇,发明专利4项,参与编写《硅光子学》、《Silicon-based Photonics》等专著。


汪睿,奕目(上海)科技有限公司产品总监,硕士毕业于上海交通大学。研究生期间主要从事机电控制、光场三维成像和人工智能目标检测等领域的研究工作,拥有丰富的光场相机产业化经验,掌握光场相机硬件设计、微纳元件制造、相机生产封装及图像算法技术。读书期间获得SMC一等奖学金、学业二等奖学金、校B等奖学金,拥有专利1件、软件著作2件等,带领团队凭借“光场三维成像创新技术”取得第七届“互联网+”大学生创新创业大赛上海赛区金奖、全国赛区银奖。


七、培训费用、报名方式及培训赞助咨询

报名方式:请发送电子邮件至BISainan@MEMSConsulting.com,邮件题目格式为:报名+微纳光学元件培训+单位简称+人数。

培训赞助:请致电联系毕女士(18921125675),或麦姆斯咨询固话(0510-83481111)。


麦姆斯咨询
联系人:毕女士
电话:18921125675
E-mail:BISainan@MEMSConsulting.com


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课程已经结束,感谢您的关注!