超薄半導(dǎo)體鏡終于將進(jìn)入消費(fèi)者手中。

在今天的電腦、電話和其他移動(dòng)設(shè)備中，越來越多的傳感器、處理器和其他電子設(shè)備在搶奪空間。相機(jī)占據(jù)了這寶貴空間中很大的一部分：幾乎各個(gè)電子設(shè)備都需要一個(gè)或者兩三個(gè)相機(jī)，甚至更多。相機(jī)中最占用空間的是鏡頭。

移動(dòng)設(shè)備中的鏡頭常通過折射來收集和引導(dǎo)入射光，使用透明材料（通常是塑料）的曲線使光線彎曲。因此這些鏡頭無法再縮小了：要制造一臺(tái)小型相機(jī)，需要一個(gè)短焦鏡頭；但焦距越短，曲率越大，因而中心也越厚。高度彎曲的鏡頭也會(huì)形成各種像差，因此相機(jī)模塊制造商使用多個(gè)鏡片來進(jìn)行補(bǔ)償，從而增加了相機(jī)的體積。

對(duì)于今天的鏡頭，相機(jī)尺寸和圖像質(zhì)量朝著不同方向發(fā)展。使鏡頭更小更好的唯一方法是使用不同的技術(shù)取代折光鏡片。

這種技術(shù)是存在的。它便是超透鏡（metalens），該設(shè)備由哈佛大學(xué)研發(fā)，由Metalenz公司實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，我是Metalenz公司的一名應(yīng)用工程師。我們運(yùn)用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工技術(shù)，在平面上構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)來制造超透鏡設(shè)備。這些納米結(jié)構(gòu)利用一種叫做超表面光學(xué)的現(xiàn)象來引導(dǎo)和聚焦光線。超透鏡可以非常薄，僅有幾百微米厚，大約是人頭發(fā)直徑的2倍。我們可以將多個(gè)曲面鏡頭的功能整合在一個(gè)設(shè)備中，進(jìn)一步解決空間緊張的問題，同時(shí)為移動(dòng)設(shè)備中的相機(jī)開辟可能的新用途。

在講解超透鏡如何演進(jìn)和工作前，先看看人們?yōu)槿〈鷤鹘y(tǒng)曲面透鏡所做的一些努力。

從概念上講，操縱光的任何設(shè)備都是通過改變光的三大基本特性來實(shí)現(xiàn)的，即相位、偏振和強(qiáng)度。1678年，克里斯蒂安?惠更斯提出了任何波或波動(dòng)場(chǎng)都由這些屬性構(gòu)成的想法，成為光學(xué)領(lǐng)域統(tǒng)領(lǐng)一切的指導(dǎo)原則。

18世紀(jì)初，世界上最強(qiáng)大的經(jīng)濟(jì)體為了保護(hù)自身的航運(yùn)利益，格外重視用更大、更強(qiáng)的投射透鏡建造燈塔。然而，隨著這些投射透鏡越來越大，它們的重量也越來越重。因此，可放置于燈塔頂部并在結(jié)構(gòu)上起支撐作用的透鏡物理尺寸限制了燈塔光束的功率。

法國物理學(xué)家奧古斯丁-讓?菲涅耳意識(shí)到，如果把一個(gè)透鏡切成小平面，便可削減透鏡中心的大部分厚度，同時(shí)保持光學(xué)功率不變。菲涅耳透鏡代表了光學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步，現(xiàn)在有許多應(yīng)用，包括汽車前燈和剎車燈、頭頂投影儀，還有燈塔投射透鏡。然而，菲涅耳透鏡有其局限性。首先，小平面的邊緣會(huì)形成雜散光。其次，帶小平面的表面比連續(xù)曲面更難制造和精確拋光。這對(duì)相機(jī)鏡頭是不可行的，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)圖像需要較高的表面精度。

另一種方法如今廣泛應(yīng)用于3D傳感和機(jī)器視覺，其根源可追溯至現(xiàn)代物理學(xué)最著名的實(shí)驗(yàn)之一：1802年托馬斯?楊進(jìn)行的光衍射實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)表明，光具有波的特性，相遇時(shí)可以根據(jù)波傳播的距離相互放大或抵消。衍射光學(xué)元件（DOE）基于此現(xiàn)象，利用光的波動(dòng)性產(chǎn)生干涉圖案，即以點(diǎn)陣列、網(wǎng)格或任意數(shù)量的形狀形成的明與暗交替的區(qū)域。今天，許多移動(dòng)設(shè)備使用衍射光學(xué)元件將激光束轉(zhuǎn)換為“結(jié)構(gòu)光”。此種光圖案被投射，由圖像傳感器捕獲，然后通過算法創(chuàng)建場(chǎng)景的3D地圖。這些微小的衍射光學(xué)元件非常適合小型設(shè)備，但它們不能創(chuàng)建精細(xì)的圖像，所以應(yīng)用再次受限。

此時(shí)，超透鏡登場(chǎng)了。超透鏡由哈佛大學(xué)費(fèi)德里科?卡帕索（Federico Capasso）團(tuán)隊(duì)開發(fā)，團(tuán)隊(duì)中包括當(dāng)時(shí)正在讀研究生的羅布?德夫林（Rob Devlin）、研究助理雷扎?霍拉薩尼內(nèi)賈德（Reza Khorasaninejad）和陳韋亭（Wei Ting Chen，音）等人，它的工作方式與其他任何一種方法均有本質(zhì)上的不同。

超透鏡是扁平的玻璃表面，上面有一層半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體上蝕刻出一排排幾百納米高的柱體。這些納米柱可以操縱光波，其控制水平是傳統(tǒng)折射透鏡無法做到的。

假如有一個(gè)長滿海草的淺沼澤，海浪來襲，海草前后搖擺，花粉飛入空中。如果把入射波比作光，把納米柱比作海草的莖，你就能想象出納米柱的特性（包括它的高度、厚度和與其他納米柱相鄰的位置）如何改變穿過透鏡的光的分布。

利用超透鏡的能力，我們可以通過多種方式改變和利用光：可以散射和投射光作為紅外點(diǎn)場(chǎng)，許多智能設(shè)備利用這些肉眼看不見的點(diǎn)測(cè)量距離、繪制房間圖或人的面部圖；還可以根據(jù)偏振來進(jìn)行光的分類（稍后會(huì)詳細(xì)介紹）。不過，要解釋如何使用這些超表面作為鏡頭，最好的辦法是看看我們最熟悉的鏡頭應(yīng)用——捕捉圖像。

這一過程首先是用單色光源（即激光）照亮一個(gè)場(chǎng)景。（雖然使用超透鏡捕捉全彩色圖像在概念上是可能的，但它還處于實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，距離商業(yè)化還有很長的路要走。）場(chǎng)景中的物體將光線向四面反射。有些光線被反射向超透鏡，超透鏡的納米柱朝外沖著場(chǎng)景。被反射回的光子撞在納米柱的頂部，將其能量轉(zhuǎn)化為振動(dòng)。這種振動(dòng)被稱為等離激元，沿著柱身傳播。當(dāng)能量到達(dá)柱底時(shí)，它以光子的形式存在，然后可被圖像傳感器捕獲。這些光子不需要和那些出現(xiàn)在納米柱上的光子具有相同性質(zhì)；我們可以通過設(shè)計(jì)和分布納米柱來改變這些屬性。 ? ?

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數(shù)十年來，世界各地的研究人員一直在探索超透鏡的概念。

1968年，蘇聯(lián)物理學(xué)家維克多?維塞拉戈在《蘇聯(lián)物理學(xué)進(jìn)展》（Soviet Physics Uspekhi）發(fā)表的一篇論文中提出了超材料的概念，他提出了假設(shè)：沒有什么能排除具有負(fù)折射率的物質(zhì)存在。此材料與光的相互作用與普通材料迥異。光通常以反射的形式從物質(zhì)上反射回來，但光可繞過超材料，就像水在溪流中繞過巨石一樣。直到2000年，超材料理論才在實(shí)驗(yàn)室中得以實(shí)現(xiàn)。那一年，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校的理查德?A. 謝爾比（Richard A. Shelby）和同事在微波區(qū)展示了一種負(fù)折射率的超材料。2001年，他們?cè)诿绹犊茖W(xué)》雜志上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)并引起了轟動(dòng)，因?yàn)槿藗冇纱讼胂蟪隽恕半[形斗篷”。（細(xì)想起來很有趣，但制造這樣的裝置需要精確制造并組裝成千上萬的超表面。）

哈佛大學(xué)的費(fèi)德里科?卡帕索（Federico Capa-sso）實(shí)驗(yàn)室發(fā)明了第一批利用可見光生成高質(zhì)量圖像的超透鏡。2016年，《科學(xué)》雜志上發(fā)表了一篇有關(guān)該技術(shù)的研究文章，立即引起了智能手機(jī)制造商的興趣。哈佛大學(xué)隨后將基礎(chǔ)知識(shí)產(chǎn)權(quán)獨(dú)家授權(quán)給Metalenz公司，現(xiàn)在，超透鏡已由Metalenz實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

那以后，哥倫比亞大學(xué)、加州理工學(xué)院和華盛頓大學(xué)的研究人員與清華大學(xué)合作，也展示了這項(xiàng)技術(shù)。

Metalenz所做的大部分開發(fā)工作均涉及對(duì)設(shè)備設(shè)計(jì)方式的精確調(diào)整。為將分辨率等圖像特征轉(zhuǎn)化為納米尺度的圖案，我們開發(fā)了工具，幫助計(jì)算光波與材料相互作用的方式。然后，我們將這些計(jì)算轉(zhuǎn)換為可用于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體加工設(shè)備的設(shè)計(jì)文件。

最初進(jìn)入移動(dòng)成像系統(tǒng)的光學(xué)超表面，在只有幾平方毫米的單一平面上有千萬個(gè)硅柱，每根硅柱都要經(jīng)過精確調(diào)整，接受正確的光相位，即使有先進(jìn)軟件的幫助，這一過程也十分艱難。下一代超透鏡不一定需要更多的硅柱，但硅柱的幾何形狀可能更復(fù)雜，比如具有傾斜的邊緣或不對(duì)稱的形狀。

2021年，Metalenz走出隱身模式，宣布準(zhǔn)備擴(kuò)大設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模。制造的挑戰(zhàn)程度沒有設(shè)計(jì)工作那么大，因?yàn)橹圃斐砻媸褂门c集成電路制造相同的材料、光刻和蝕刻工藝。

事實(shí)上，超透鏡的制造要求甚至比非常簡單的微芯片還要低，因?yàn)樗鼈冎恍枰粋€(gè)光刻掩模，而微處理器則需要幾十個(gè)。這使得超透鏡更不易出現(xiàn)缺陷，成本也更低廉。此外，光學(xué)超表面的特征尺寸以數(shù)百納米為單位，而代工廠習(xí)慣于制造小于10納米的芯片。

而且，與塑料透鏡不同，超透鏡可在生產(chǎn)其他智能手機(jī)芯片的同一家代工廠生產(chǎn)。這意味著它們可以直接在現(xiàn)場(chǎng)與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相機(jī)芯片集成，而不必運(yùn)到另一個(gè)地方，這進(jìn)一步降低了成本。

2022年，意法半導(dǎo)體宣布將Metalenz的超表面技術(shù)集成在其FlightSense模塊中。前幾代FlightSense已用于150余種型號(hào)的智能手機(jī)、無人機(jī)、機(jī)器人和車輛，以探測(cè)距離。內(nèi)置Metalenz技術(shù)的此類產(chǎn)品已進(jìn)入消費(fèi)者手中，但意法半導(dǎo)體并未公布具體細(xì)節(jié)。

事實(shí)上，當(dāng)前一代超透鏡技術(shù)（在近紅外波長下工作）的最突出效果在于距離感知。對(duì)于此項(xiàng)應(yīng)用，許多消費(fèi)電子公司使用飛行時(shí)間系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩組光學(xué)器件：一個(gè)發(fā)射光，一個(gè)接收光。用于發(fā)射的光學(xué)器件更為復(fù)雜。該技術(shù)需要多個(gè)透鏡，它們將收集的激光轉(zhuǎn)換成平行光波，光學(xué)工程師稱之為準(zhǔn)直光束；還需要一個(gè)衍射光柵，將準(zhǔn)直光束變?yōu)辄c(diǎn)陣場(chǎng)。單個(gè)超透鏡便可取代所有的發(fā)射和接收光學(xué)器件，節(jié)省了設(shè)備空間并降低了成本。

在照明條件不良的情況下，超透鏡能很好地完成點(diǎn)陣場(chǎng)的工作，因?yàn)榕c傳統(tǒng)透鏡相比，它可用較少的能量照亮大片的區(qū)域，將更多光引導(dǎo)至所希望的位置。

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傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)最多只能收集物體的空間位置、顏色、亮度等信息。

然而，光還攜帶著一種信息：光波在空中傳播時(shí)的方向，即偏振。未來的超透鏡應(yīng)用將利用該項(xiàng)技術(shù)能力的優(yōu)勢(shì)，檢測(cè)光的偏振。

物體反射光的偏振傳遞了該物體的各種信息，包括表面紋理、表面材料類型，以及光線在反射回傳感器前穿透該材料的深度。在開發(fā)超透鏡之前，機(jī)器視覺系統(tǒng)需要復(fù)雜的光學(xué)機(jī)械子系統(tǒng)來收集偏振信息。這些系統(tǒng)通常會(huì)在傳感器前使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的偏振器，偏振器的結(jié)構(gòu)像柵欄一樣，只允許以特定角度定向的波通過。然后，監(jiān)測(cè)旋轉(zhuǎn)角度如何影響到達(dá)傳感器的光量。

相比之下，超透鏡不需要柵欄，所有入射光都能通過。然后，使用單個(gè)的光學(xué)元件，基于光的偏振，將光定向至圖像傳感器的指定區(qū)域。例如，若光線沿x軸偏振，超表面的納米結(jié)構(gòu)將把光引導(dǎo)到圖像傳感器的某個(gè)區(qū)域。若光線沿x軸45度偏振，光將被引導(dǎo)至別的區(qū)域。然后，軟件可以用所有偏振狀態(tài)信息重建圖像。

利用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以用集成在智能手機(jī)、汽車甚至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中的微型偏振分析設(shè)備取代昂貴的大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。智能手機(jī)的偏振儀可以用于鑒別戒指上的石頭是鉆石還是玻璃，混凝土已經(jīng)硬化還是需要更多時(shí)間，一根昂貴的曲棍球棒是否值得購買，是否存在微小裂縫等。微型偏振儀可以用來檢測(cè)橋的支撐梁是否有倒塌的危險(xiǎn)，道路上的斑塊是黑色的冰還是潮濕的水漬，一片綠色是灌木叢還是隱藏坦克的油漆。此類設(shè)備還可以幫助實(shí)現(xiàn)防欺詐面部識(shí)別，因?yàn)楣鈴囊粋€(gè)人的2D照片上反射的角度不同于3D面部，從硅膠面具上反射的角度也不同于皮膚。手持偏振儀還可以改善遠(yuǎn)程醫(yī)療診斷，例如偏振可用于檢查組織腫瘤病變。

但就像智能手機(jī)本身一樣，很難預(yù)測(cè)超透鏡將把我們帶向何處。2008年蘋果公司推出iPhone時(shí)，沒人能料到會(huì)出現(xiàn)優(yōu)步這樣的公司。同樣，也許超透鏡最令人興奮的應(yīng)用是我們現(xiàn)在還無法想象的。

作者：Robert Gobron ?

審核編輯：黃飛