一、技术简介

传统透镜组需要多个透镜堆叠实现复杂波前调制，导致光学模组体积庞大且制造成本高，严重制约了前沿应用对小型化、轻量化、大工作带宽、低成本的核心需求。超表面（metasurface）是一种由亚波长单元构成的二维阵列，超表面具有较强的空间光场调控能力，可在约为波长的厚度内完成对光场幅度、相位和偏振的调制，具有超轻薄、平面化、低损耗和易集成等优点，被普遍认为是下一代新型的光学元器件。利用电介质、金属等各类材料实现的超表面已被广泛应用于波前重塑、特殊光束形成、成像、显示等，可服务于智能感知、无人系统、媒体与交互、新型光通信领域。超表面的加工工艺与标准互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺兼容，可以量产，具有低成本的优势。研发团队针对超表面结构的特点自主开发了多套加工工艺，已攻克大深宽比单元结构的工艺难点，最大深宽比可达22:1，处于国际领先水平。研发团队经过多年积累已掌握高端光芯片的设计、制造、调测等核心技术，其中独立设计、制造的光场调控芯片，可以在8米外精准探测人体移动，弥补现有人体感应产品无法探测人体径向移动的短板，解决现有智能家居产品人体探测不灵敏的行业困难。研发团队已授权8项相关专利，专利成本5190万元。

二、学院及负责人

本项目负责人为精仪学院张林教授。

张林，天津大学讲席教授，入选国家“青千”、中组部“万人计划”领军人才，任天津市光电芯片与多维光纤集成系统工程研究中心主任、天津市集成光电子技术与器件重点实验室主任。

张林早年毕业于清华大学并在美国南加州大学、麻省理工学院学习工作11年，回国后在人工智能芯片、新一代光通信系统领域开展前沿研究与产业化推广，先后与华为、华海通信、亨通光电等优秀民族企业开展深度合作，包括连续主持华为公司大型研发项目（累计获得横向经费超过4600万元），已申请发明专利超过40项，包括美国专利5项。

三、技术成熟度

技术涉及专利数：8

样品、实验阶段/试生产

四、应用场景

场景1微型光谱成像：超表面赋能的光谱相机规避了主动扫描的探测方法，突破传统光谱成像方案体积大、分辨率低的局限，可实现芯片化光谱相机，成为手机影像革新的关键方向。

场景2智能家居中的人体感应：传统模组通过菲涅尔透镜可以探测人体横向移动，但无法实现径向移动的灵敏探测，超表面技术可以实现全方位的 人体移动探测。

场景3增强现实（AR）光学模组：波导型AR依赖高性能闪耀光栅，其复杂3D形貌对材料、设备和纳米加工工艺提出极高要求，而超表面闪耀光栅提升光效的同时兼具低成本的优点。

场景4虚拟现实（VR）眼动追踪：现有技术自身算力消耗大，基于超表面的眼动追踪模组不仅缩小了体积，还大幅减少了计算量，更契合VR设备轻量化的需求。

五、市场分析

超表面作为下一代光场调控技术，市场上尚未形成大规模成熟产品，但凭借其众多优势，业界普遍看好其未来的广泛应用。现阶段本团队将超表面技术应用于多个领域：

在智能家居领域中，超表面光场调控芯片可以实现高灵敏的人体感应，目前我国智能家居市场渗透率较低，具有较大的提升空间，未来增长潜力强劲。预计2029年该领域全球/全国市场超过2000/1200亿元。在微型光谱成像领域，基于超表面的微型光谱相机具有革命性应用潜力。该技术可集成于智能手机等便携设备，不仅能够显著提升成像质量，还可实现实时物质成分分析等高级功能。预计2029年该领域全球/全国市场超过2200/1600亿元。在增强现实（AR）领域中，超表面技术可以实现高光效、超轻薄的光学模组，是下一代AR光学解决方案，预计2029年该领域全球/全国市场超过1100/800亿元。在虚拟现实（VR）领域中，超表面技术可以大幅降低眼动追踪模组的体积和重量，符合头戴设备的轻量化要求，预计2029年该领域全球/全国市场超过1900/1400亿元。仅目前四个应用领域，未来全球市场将超过7200亿元，国内市场超过5000亿元。

本研发团队针对超表面结构的特点自主开发了多套加工工艺，已攻克大深宽比单元结构的工艺难点，最大深宽比可达22:1，处于国际领先水平。

六、合作方

已与多家企业在超表面设计、制造方面开展合作，包括舜宇中央研究院、舜宇奥来（舜宇子公司）、瞰世光学（智能家居）、多感科技（光谱成像）、秋果计划（AR光学模组），以及专注超表面的初创公司山河光电、迈塔兰斯。

七、转化需求

资金需求合计6900万元，其中采购中试设备3650万元，中试平台运行成本650万元/年*5年=3250万元。场地需求1500平米，用于中试平台的设备用地。

天津大学集成光电子器件平台现有设备已具备一定量产能力（如图3所示），但作为核心光刻设备的电子束曝光（EBL）受其逐点扫描工作原理限制无法量产，亟需配置纳米压印设备实现图形的高速复制，该装备的引入可释放产能并将现有研发平台升级成为中试平台，对推进超表面光芯片产业化进程具有战略意义。