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一块12英寸的Metalenz公司的晶圆，包含5000个元光学器件。图片来源：Metalenz公司
今天在巴黎的卢浮宫博物馆展出的 “坐着的文士” 雕像，描绘的是古埃及第四王朝某个贵族人士在来世之旅中的一个重要仆人。这座雕塑凝视着外面，他在腿上铺着的一卷纸莎草纸上永远写着字，看起来就像大约4500年前被埋在撒哈拉沙漠下的样子。
但这尊雕像最引人注目的是文士的眼睛。它们是原始的镜片，由透明石英雕刻而成，然后与其他材料组合，以复制人眼的外观，包括颜色、虹膜和瞳孔。这座雕像和古埃及的类似雕像通常都非常逼真，以至于当旁观者在雕像周围移动时，眼睛似乎会跟着他们走。
文士的眼睛展示了古埃及的技术、殡葬艺术和人体解剖学知识是如何在很久以前结合在一起，为世界提供了最早的透明镜片之一，以产生光学效果。第一个已知的镜子是黑曜石的形状和抛光件，可以追溯到人类历史上更远的地方，大约8000年前。
当然，今天，玻璃镜头无处不在，对扫描文件或用智能手机自拍等工作至关重要；用先进的光学玻璃和巨型望远镜中的镜头对宇宙进行成像；或使用精致的微型相机镜头看到身体内部，提供先进的医疗保健。
预计到2028年，玻璃光学行业的世界市场价值将达到250亿美元以上，它依靠大量训练有素的专业人员，使用先进的软件和硬件来生产光学元件，我们用这些元件看到了所有可以看到的东西。
但是，一场新的镜头制造革命正在进行中：也许是自玻璃以来的又一力作。它就是超构镜头，由排列在表面上的纳米结构或纳米鳍组成，能够以亚波长的分辨率捕捉图像，其质量可与最先进的商业物品相媲美。
这场革命的一个重要部分是，超构镜头可以大规模生产，使用深紫外光刻技术蚀刻在基板上 -- 与制造先进半导体芯片的工艺相同。这种可扩展性是至关重要的，特别是在消费电子领域的应用中，外形尺寸、成本和快速制造数百万个器件的能力是业务的关键部分。
超构镜头的创业者们看到了这种潜力，并正在努力将这些颠覆性的镜头技术推向市场。在不久的将来，他们预计手机将具有无与伦比的面部识别和拍照能力，所有这些都在一个信用卡大小的外形尺寸内；传感器可以捕获光的偏振信息，以获得前所未有的深度感知，甚至物体的分子构成；内窥镜相机如此微小和薄，可以穿入人类的支气管，它们可能在早期阶段检测肺癌，积极的治疗可以挽救生命。
正如哈佛大学的Federico Capasso及其同事在2016年首次描述的那样，超构表面是 "界面上的亚波长间隔移相器，可以对光的特性进行前所未有的控制"。
Capasso被认为是超构表面的科学和技术的先驱，他描述说，这主要是基于对光束如何利用费马原理以近乎任意的方式被塑造，以最小化光的光路的理解而取得的突破。他解释说，在传统的光学中，光传播过程中积累的渐进式相位偏移被用来塑造光束的波前，例如，用来聚焦光线。但这是使用厚而笨重的材料-- 如玻璃来完成的。
但他意识到，通过沿光路引入亚波长尺度的相位变化，可以获得塑造光线的新自由度。为此，他的研究小组试验了在光束上印记这种相位变化的不同方法：用光学薄金属天线阵列来重定向光线，随后在2016年，他与当时的研究生罗伯特-C-德夫林（Robert C. Devlin）和博士后Reza Khorasaninejad，通过光刻和原子层沉积定义的TiO2纳米鳍， 合作开发了第一个高性能超构镜头。在可见光下操作，他们展示了可与最先进的复杂和庞大的显微镜物镜相媲美的聚焦性能。
光学玻璃制造商应该感到紧张吗？
"在某种程度上，是的"，Devlin说，他现在是位于波士顿的Metalenz公司的首席执行官，该公司是他和Capasso共同创办的，拥有大约20项超构表面技术的专利。"我的意思是，在某些领域，超构表面将取代传统的透镜和传统的光学器件。但我们也在向代工厂发展，对吗？这是另一方面。这不仅仅是我们有一个新的透镜，而是透镜将在哪里被制造。"
他继续说："我认为，如果说永远不会有自埃及时代就存在的玻璃镜片的地方，那就有点过分了。有很多地方的超构表面提供了实质性的优势。玻璃透镜和塑料透镜- 你知道的，传统的模制折射透镜 - 仍有一些优势。但随着时间的推移，超构表面和在我们Metalenz公司所做的事情，将占据越来越多的市场份额。"
去年6月，Metalenz公司宣布，其平面超构表面光学器件正在意法半导体（ST）的半导体工厂中生产，这是第一个可用于商业用途的超构表面技术。意法半导体在宣布这项交易时说："这种超构光学器件能收集更多的光，在单层中提供多种功能，并在智能手机和其他设备中实现新形式的传感，同时占用更少的空间。“
在与Metalenz公司合作之前，意法半导体使用折射和衍射透镜制造了一个更传统的传感器器件模块。"他们正在将Metalenz公司的技术加入到他们的模块中，"，Devlin说。"[以前的传感器]已经用在大约200种智能手机中，还有笔记本电脑和其他应用。这是整个与消费者互动的光学设备的范围。他们已经售出了超过20亿个传统的器件。因此，这是一个相当大的量，我们的超构表面将会直接影响消费者。"
在加拿大META（Meta Materials Inc.）公司，改善5G宽带通信只是其超构表面技术的一个近期应用，该技术通过人工智能软件设计工具来增强定制应用。虽然他们的产品不是以取代玻璃为目标，但他们在透明薄膜上放置超构表面，可以以高度可控的方式移动光学或无线电频率，从根本上提高玻璃和其他表面的功能。
META公司的采购镜头的扫描电子显微镜图像，使用电子束平版印刷和干式蚀刻技术制作。图片来源：META公司
例如，回到智能手机上。
"5G信号在户外尤其是室内的传播和穿透能力是出了名的"，META公司的Rob Stone说。"因为[信号]的频率更高，它们可以携带更多的数据。这就是5G的承诺：以无线方式实现宽带速度。但信号的范围较短，如果它遇到环境中的物体，它很容易被吸收或衰减。"
但有了公司的NANOWEB透明导光膜，他说："我们可以把从基站上开始的信号，在某个建筑物的上方，从街对面的建筑物的侧面反弹出去。由于它是透明的，我们可以把它放在窗户上，把信号引导到第一座建筑物的阴影下，在那里没有5G信号，由此来填补街道上的死角。"
Stone继续说，“在建筑物内，该薄膜可以控制反射的角度，使正在走道上的信号在拐角处弯曲，沿着大厅，进入会议室。而且这都是无源的。它是一种透明的塑料薄膜，所以它可以覆盖在建筑表面上而不干扰它。你可以在它上面画画。不需要布线，不需要电源。"
同样的NANOWEB透明导光膜可用于高级驾驶辅助系统的透明加热器。"高端新车上的激光雷达和雷达给你带来了美妙的安全功能 - 你知道的自动巡航控制和半自动驾驶- 如果有一点点雾或冰雪，传感器窗口被挡住，那所有这些都没有用了。"另一方面，META公司的NANOWEB透明导光膜可以提供透明的加热和EMI屏蔽，不会干扰激光雷达或雷达。该技术可以为汽车的整个挡风玻璃或天窗除冰或除雾。
Stone说："我们可以应用电致变色技术将天窗遮挡到所需的透明度，我们可以将5G天线嵌入玻璃中，不会破坏视线- 所有这些都是人眼看不见的。“
META公司商业成功的秘诀还在于其可扩展的制造技术 - 透明薄膜可以卷对卷生产，以保持纳米结构波导的完整性，将高导光性和高透明度结合起来。
对于其他初创公司来说，其方法是使用新的表面 - 无论是否是超构表面 - 来设计一个创新的光学系统，这是用折射镜无法实现的。例如，医疗设备公司LeadOptik正在使用先进的衍射光学技术，为微创检测肺癌建造一个纤维薄的三维成像探头。像超构镜头一样，这些是平面光学器件，依靠表面特征以理想的方式塑造光束，以达到理想的效果。
LeadOptik公司将几个平面光学元件组装在光纤顶端，以创建一个三维医疗成像探头。图片来源：LeadOptik公司
LeadOptik公司的目标是利用在折射光学方面所做的一切，并将其与先进的衍射光学结合起来，以包括超构表面的一些魔术。最重要的是平面光学元件。创始人兼首席执行官Khorasaninejad说："我们可以在亚毫米的外形尺寸中建立一种自适应聚焦技术。这项核心技术实现了世界首创的多焦点三维成像探头，可以到达肺部的任何地方并进行高分辨率成像。“
为什么尺寸很重要？首先，在大多数情况下，肺癌是从肺的外围开始的，那里的气道直径非常小，任何其他技术都难以到达。第二，每次你想把成像探针与手术设备结合起来时，你总是希望成像探针占用更少的空间。Khorasaninejad说，"你不希望干扰你的手术设备的机械部分"。
就LeadOptik公司的三维成像探针而言，它就像光纤顶端的微型可变焦显微镜，其目标是在人体肺部的通道中进行导航，并能够定位癌症病灶，高度准确地测量深度信息- 例如，定位（相对于气道）和癌症病灶的大小。
这种深度对外科医生来说是至关重要的信息，因为他们希望能切除足够的病变组织，使癌症不再复发。如果有关的癌症发生在大脑中，这些信息甚至更为关键。但该公司目前的重点是为医生提供一种工具，以更好地诊断肺癌，肺癌的致命性是接下来最致命的癌症的三倍。
Khorasaninejad说，LeadOptik公司的医学成像技术有很多潜在的应用，包括诊断其他类型的癌症。但对于一个试图为新设备赢得FDA批准的年轻公司来说，他说，"我们真的只需要做对一件事"。
对于像Metalenz、LeadOptik等初创公司来说，他们所吸引的风险资本资金和大公司的兴趣表明，超构镜头的魔力正在发挥作用。不管有没有玻璃，我们的设备似乎永远不可能足够小，也不可能有足够的功能来满足市场的需求。但一千年后，值得考虑的是，卑微的“坐着的文士” 雕像和他的透明石英眼球，很可能仍在关注我们的一举一动。
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