在当今的计算机、电话和其他移动设备中，越来越多的传感器、处理器和其他电子设备正在争夺空间。相机占据了这一宝贵资产的很大一部分——几乎每个小工具都需要一个相机，或者两个、三个或更多。而相机中最占空间的部分就是镜头了。

　　我们移动设备中的镜头通常通过折射来收集和引导入射光，使用透明材料（通常是塑料）中的曲线来弯曲光线。所以这些镜头不能再缩小了：要使相机变小，镜头的焦距必须短；但是焦距越短，曲率越大，因此中心的厚度也越大。这些高度弯曲的镜头也会出现各种像差，因此相机模块制造商使用多个镜头进行补偿，从而增加了相机的体积。

　　对于今天的镜头，相机的尺寸和图像质量正朝着不同的方向发展。使镜片更小更好的唯一方法是用不同的技术更换折射镜片。

　　该技术存在。它是 metalens，一种在哈佛大学开发并在Metalenz商业化的设备，我在 Metalenz 担任应用工程师。我们使用传统的半导体加工技术在平面上构建纳米结构来创建这些设备。这些纳米结构使用一种称为超表面光学的现象来引导和聚焦光。这些镜片可以非常薄——几百微米厚，大约是人类头发厚度的两倍。我们可以将多个曲面镜头的功能组合到我们的一个设备中，进一步解决空间紧缩问题，并为相机在移动设备中的新用途开辟了可能性。

　　几个世纪的镜头替代品

　　在我告诉您超透镜是如何演变的以及它是如何工作的之前，请考虑一下之前为取代传统曲面透镜所做的一些努力。

　　从概念上讲，任何操纵光的设备都是通过改变其三个基本属性来实现的：相位、偏振和强度。克里斯蒂安·惠更斯 于 1678 年提出了任何波或波场都可以分解为这些属性的想法，并且是所有光学领域的指导原则。

　　18 世纪初，世界上最强大的经济体非常重视建造灯塔，灯塔具有更大、更强大的投影透镜，以帮助保护他们的航运利益。然而，随着这些投影镜头变大，它们的重量也随之增加。因此，可以升到灯塔顶部并在结构上得到支撑的透镜的物理尺寸限制了灯塔可以产生的光束功率。

　　法国物理学家 Augustin-Jean Fresnel 意识到，如果他将透镜切成多面体，则可以去除透镜中心厚度的大部分，但仍会保留相同的光焦度。菲涅耳透镜代表了光学技术的重大改进，现在被用于许多应用，包括汽车前灯和刹车灯、高架投影仪，以及仍然用于灯塔投影透镜。然而，菲涅尔透镜有局限性。其一，刻面的平坦边缘成为杂散光的来源。另一方面，与连续弯曲的表面相比，刻面表面更难制造和精确抛光。由于产生良好图像所需的表面精度要求，这对于相机镜头来说是行不通的。

　　另一种方法现在广泛用于 3D 传感和机器视觉，其根源可追溯到现代物理学中最著名的实验之一：Thomas Young 1802 年的衍射演示。这个实验表明，光的行为就像波浪，当波浪相遇时，它们可以根据波浪传播的距离相互放大或抵消。基于这种现象的所谓衍射光学元件 (DOE) 使用光的波状特性来创建干涉图样——即，以点阵、网格或任何形式的明暗交替区域形状的数量。如今，许多移动设备使用 DOE 将激光束转换为“结构光”。这种光图案由图像传感器投射、捕获，然后由算法使用以创建场景的 3D 地图。这些微型 DOE 非常适合小型设备，但它们不能用于创建详细的图像。因此，应用程序再次受到限制。

　　进入超透镜

　　输入超透镜。超透镜由Federico Capasso 教授、当时的研究生 Rob Devlin、研究助理 Reza Khorasaninejad、Wei Ting Chen 和其他人领导的团队在哈佛开发，其工作方式与其他任何方法都 截然不同。

　　超透镜是顶部有半导体层的平面玻璃表面。蚀刻在半导体中的是数百纳米高的柱状物阵列。这些纳米柱可以在一定程度上控制光波，这是传统折射透镜无法实现的。

　　想象一个充满海草的浅沼泽地站在水中。传入的波浪使海草来回摆动，使花粉飞向空中。如果您将入射波视为光能，将纳米柱视为海草的茎，您可以想象纳米柱的特性（包括其高度、厚度和与其他纳米柱相邻的位置）如何改变出射光的分布从镜头。

　　我们可以使用超透镜的能力以多种方式重定向和改变光线。我们可以将光散射和投射为红外点区域。这些点是肉眼看不见的，但在许多智能设备中都使用这些点来测量距离、绘制房间或人脸图。我们可以根据偏振对光进行分类（稍后会详细介绍）。但解释我们如何将这些超表面用作镜头的最好方法可能是查看最熟悉的镜头应用——捕捉图像。

　　该过程首先使用单色光源（激光）照亮场景。（虽然使用超透镜拍摄全彩色图像在概念上是可行的，但这仍然是实验室实验，离商业化还很远。）场景中的物体到处反射光线。部分光线返回到超透镜，超透镜被指向场景。这些返回的光子撞击柱子的顶部并将它们的能量转化为振动。振动——称为等离子体激元——沿着柱子传播。当能量到达柱子的底部时，它会以光子的形式离开，然后可以被图像传感器捕获。这些光子不需要与进入柱子的光子具有相同的属性；我们可以通过设计和分布支柱的方式来改变这些属性。

　　从概念到商业化

　　几十年来，世界各地的研究人员一直在探索超透镜的概念。

　　在1968 年发表于苏联物理学 Uspekhi的一篇论文中，俄罗斯物理学家 Victor Veselago 提出了超材料的概念，并假设没有什么可以排除呈现负折射率的材料的存在。这种材料与光的相互作用与普通材料非常不同。光通常以反射的形式从材料上反弹，它会绕过这种类型的超材料，就像水绕过溪流中的巨石一样。

　　直到 2000 年，超材料理论才在实验室得到实施。那一年，加州大学圣地亚哥分校的 Richard A. Shelby 及其同事展示了微波区域的负折射率超材料。他们于2001 年在《科学》杂志上发表了这一发现，引起了人们想象隐形斗篷的轰动。（虽然思考起来很有趣，但创建这样的设备需要精确地制造和组装数千个超表面。）

　　第一个使用可见光创建高质量图像的超透镜来自哈佛大学的 Federico Capasso 实验室。该技术于 2016 年展示，并在《科学》杂志上发表了对研究的描述，立即引起了智能手机制造商的兴趣。哈佛随后将基础知识产权独家授权给 Metalenz，目前已将其商业化。

　　从那时起，哥伦比亚大学、加州理工学院和华盛顿大学的研究人员与北京的清华大学合作，也展示了这项技术。

　　Metalenz 所做的大部分开发工作都涉及微调设备的设计方式。为了将分辨率等图像特征转化为纳米级图案，我们开发了工具来帮助计算光波与材料相互作用的方式。然后，我们将这些计算转换为可用于标准半导体加工设备的设计文件。

　　第一波进入移动成像系统的光学超表面在一个只有几平方毫米的平面上有大约 1000 万个硅柱，每个柱子都经过精确调整以接受正确的光相位，这是一个艰苦的过程即使在高级软件的帮助下。未来几代的超透镜不一定会有更多的柱子，但它们可能会有更复杂的几何形状，比如倾斜的边缘或不对称的形状。

　　超镜头迁移到智能手机

　　Metalenz 于 2021 年退出隐身模式，宣布准备扩大设备生产规模。制造并没有设计那么大的挑战，因为该公司使用与制造集成电路相同的材料、光刻和蚀刻工艺制造超表面。

　　事实上，超透镜的制造要求甚至比非常简单的微芯片都要低，因为它们只需要一个光刻掩模，而微处理器则需要几十个光刻掩模。这使得它们不易出现缺陷并且成本更低。此外，光学超表面特征的尺寸以数百纳米为单位，而代工厂习惯于制造特征小于 10 纳米的芯片。

　　而且，与塑料镜片不同，超透镜可以在生产用于智能手机的其他芯片的同一代工厂中制造。这意味着它们可以在现场直接与 CMOS 相机芯片集成，而不必运送到另一个位置，从而进一步降低了成本。

　　2022 年，ST Microelectronics宣布将 Metalenz 的超表面技术集成到其 FlightSense 模块中。前几代 FlightSense 已用于 150 多种型号的智能手机、无人机、机器人和车辆，以检测距离。这种内置 Metalenz 技术的产品已经在消费者手中，不过 ST Microelectronics 没有公布具体细节。

　　事实上，距离感应是当前一代超透镜技术的最佳选择，它在近红外波长下工作。对于这种应用，许多消费电子公司使用飞行时间系统，它有两个光学组件：一个传输光，一个接收光。传输光学器件更复杂。这些涉及多个透镜，这些透镜收集来自激光器的光并将其转换为平行光波——或者，正如光学工程师所说的那样，准直光束。这些还需要一个衍射光栅，将准直光束变成一个点域。单个超透镜可以取代所有这些发射和接收光学器件，从而节省设备内的空间并降低成本。

　　在困难的照明条件下，超透镜可以更好地完成点场工作，因为它可以用比传统透镜更少的功率照亮更广阔的区域，将更多的光引导到你想要的地方。

　　未来两极分化

　　传统的成像系统充其量只能收集有关物体空间位置及其颜色和亮度的信息。但是光携带着另一种类型的信息：光波在空间中传播时的方向，即偏振。未来的超透镜应用将利用该技术检测偏振光的能力。

　　从物体反射的光的偏振传达了关于该物体的各种信息，包括表面纹理、表面材料的类型，以及光线在反射回传感器之前穿透材料的深度。在开发超透镜之前，机器视觉系统需要复杂的光机子系统来收集偏振信息。这些通常会在传感器前面旋转一个偏振器——结构像栅栏，只允许以特定角度定向的波通过。然后，他们监控旋转角度如何影响照射到传感器的光量。

　　相比之下，超透镜不需要栅栏；所有入射光都通过。然后可以使用单个光学元件根据其偏振状态将其重定向到图像传感器的特定区域。例如，如果光沿 X 轴偏振，则超表面的纳米结构会将光引导至图像传感器的一部分。然而，如果它与 X 轴成 45 度偏振，光线将被导向不同的部分。然后软件可以用所有偏振态的信息重建图像。

　　使用这项技术，我们可以用集成到智能手机、汽车甚至增强现实眼镜中的微型偏振分析设备取代以前庞大而昂贵的实验室设备。基于智能手机的旋光仪可以让您确定戒指中的宝石是钻石还是玻璃，混凝土是否固化或需要更多时间，或者昂贵的曲棍球棒是否值得购买或是否含有微裂纹。微型偏光计可用于确定桥梁的支撑梁是否有发生故障的风险，道路上的一块斑块是黑冰还是只是湿的，或者一片绿色是否真的是灌木丛或用于隐藏障碍物的油漆表面坦克。这些设备还可以帮助实现防恶搞的面部识别，因为光从人的 2D 照片反射的角度与 3D 面孔不同，从硅胶面罩反射的角度也不同于从皮肤反射的角度。手持式偏振器可以改进远程医疗诊断——例如，偏振器在肿瘤学中用于检查组织变化。

　　但就像智能手机本身一样，很难预测超透镜会把我们带到哪里。当 Apple 在 2008 年推出 iPhone 时，没有人能预料到它会催生出像 Uber 这样的公司。同样，超透镜最激动人心的应用也许是我们至今还无法想象的。