Whoscored中文官网 | 编译自 IEEE Spectrum
超构透镜终于进入了消费者的手中
这张用扫描电子显微镜拍摄的超构透镜的图像，显示了用于操纵光线的纳米柱的尺寸和布局的变化。来源：METALENZ公司
在今天的电脑、手机和其他移动设备中，越来越多的传感器、处理器和其他电子器件正在争夺空间。占据这些宝贵空间的很大一部分是相机：几乎每个小工具都需要一个相机，或者两个、三个，甚至更多。而相机中最耗费空间的部分是镜片。
我们的移动设备中的镜头通常通过折射来收集和引导进入的光线，使用透明材料（通常是塑料）中的曲面来弯曲光线。所以这些镜头不可能比它们现在的尺寸收缩得更多： 为了使相机变小，镜头必须有较短的焦距；但焦距越短，曲率越大，因此中心的厚度也越大。这些高度弯曲的镜头也受到各种像差的影响，因此相机模块制造商使用多个镜片来补偿，这增加了相机的体积。
使用今天的镜头，相机的尺寸和图像质量被拉向不同的方向。使镜头更小、更好的唯一方法是用不同的技术取代折光镜。
这种技术是存在的。它就是超构透镜（metalens），一种由哈佛大学开发并在Metalenz公司商业化的设备，我在那里是一名应用工程师。我们使用传统的半导体加工技术创造这些器件，在一个平面上建立纳米结构。这些纳米结构使用一种叫做元表面光学的现象来引导和聚焦光线。这些透镜可以非常薄--几百微米厚，大约是人类头发厚度的两倍。而且，我们可以将多个弧形透镜的功能结合到我们的一个器件中，进一步解决空间紧张的问题，并为移动设备中的相机开辟新的用途的可能性。
几个世纪以来的镜片替代品
在我告诉你超构透镜是如何演变的，以及它是如何工作的之前，请考虑一下以前为取代传统的弧形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。任何波或波场都可以由这些属性构成的想法是由克里斯蒂安-惠更斯在1678年提出的，并且是所有光学的指导原则。
在这个单一的超构透镜 [在镊子尖端]，柱子的直径小于500纳米。放大图中左下方的黑框代表了2.5微米。来源：METALENZ公司
18世纪初，世界上最强大的经济体非常重视建造具有更大和更强大的投影透镜的灯塔，以帮助保护其航运利益。然而，随着这些投影透镜越来越大，其重量也越来越重。因此，能够被提升到灯塔顶部并在结构上得到支撑的透镜的物理尺寸，对灯塔所能产生的光束的功率造成限制。
法国物理学家奥古斯丁-让-菲涅尔意识到，如果他把透镜切成面，那么透镜的大部分中心厚度就可以被去除，但仍能保持相同的光学功率。菲涅尔透镜代表了光学技术的一个重大改进，现在被用于大量的应用中，包括汽车前灯和刹车灯、高空投影仪以及灯塔的投影镜头。然而，菲涅尔透镜也有局限性。首先，切面的平坦边缘成为杂散光的来源。另一个原因是，刻面比连续弯曲的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高，这对相机镜头来说是不可行的。
另一种方法，现在广泛用于三维传感和机器视觉，其根源可以追溯到现代物理学中最著名的实验之一： 托马斯-杨1802年的衍射演示。这个实验表明，光的行为像波一样，当波相遇时，它们可以相互放大或抵消，这取决于波走了多远。基于这一现象的所谓衍射光学元件（DOE）利用光的波浪特性来创造一个干涉图案 - 即黑暗和光明的交替区域，其形式是一个点阵、一个网格或任何数量的形状。今天，许多移动设备使用DOE将激光束转换成 "结构光"。这种光线模式被投射出来，被图像传感器捕捉，然后被算法用来创建场景的三维地图。这些微小的DOE可以很好地装入小工具中，但它们不能被用来创建详细的图像。因此，同样，应用是有限的。
进入超构透镜
由哈佛大学的Federico Capasso教授领导的团队，当时的研究生Rob Devlin、研究助理Reza Khorasaninejad、Wei Ting Chen等人在哈佛大学开发的超构透镜，其工作方式与其他任何方法都有根本的不同。
超构透镜是一个平坦的玻璃表面，上面有一个半导体层。蚀刻在半导体上的是几百纳米高的柱子阵列。这些纳米柱子能够以传统折射镜不可能达到的控制程度来操纵光波。
想象一下，在一片浅水沼泽中，站满了海草。一个来袭的波浪使海草来回摇摆，使花粉飞向空中。如果你把传入的波看作是光能，把纳米柱看作是海草的茎，你就能想象出纳米柱的特性，包括它的高度、厚度和与其他纳米柱的位置，是如何改变从透镜中出现的光的分布。
一片12英寸的晶圆可以容纳多达10,000个超构透镜，使用单一的半导体层制造。来源：METALENZ公司
我们可以利用超构透镜的能力，以多种方式重新定向和改变光线。我们可以将光散射并投射成一个红外点的领域。眼睛看不见，这些点在许多智能设备中被用来测量距离，绘制一个房间或一个人脸。我们可以根据光的偏振来分类（稍后会有更多的介绍）。但是，解释我们如何将这些元表面用作镜头的最好方法，可能是看一看最熟悉的镜头应用：捕捉图像。
这个过程开始于用一个单色光源：激光，照亮一个场景。(虽然在概念上使用超构透镜来捕捉全彩图像是可能的，但这仍然是一个实验室的实验，离商业化还很远。) 场景中的物体将光线反射到各个地方。其中一些光返回到超构透镜，超构透镜被指着，柱子向外，指向场景。这些返回的光子击中了柱子的顶部，并将其能量转移到振动中。这些振动被称为质子，沿着柱子向下移动。当这些能量到达柱子的底部时，它以光子的形式流出，然后可以被图像传感器捕获。这些光子不需要具有与进入支柱的光子相同的属性；我们可以通过设计和分配支柱的方式改变这些属性。
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构透镜的概念。
在1968年发表在《Soviet Physics Uspekhi》上的一篇论文中，俄罗斯物理学家维克多-维塞拉戈将超材料的概念放在了地图上，他假设没有什么可以排除一种表现出负折射率的材料的存在。这种材料与光的互动方式与普通材料非常不同。通常情况下，光会以反射的形式从材料上反弹，而它会像水绕过溪流中的巨石一样绕过这种类型的超材料。
直到2000年，超材料的理论才在实验室中得到实施。那一年，加州大学圣地亚哥分校的理查德-A-谢尔比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《Science》杂志上发表了这一发现，引起了人们对隐形斗篷的想象。（虽然引人深思，但创造这样一个装置需要精确地制造和组装成千上万的超表面。）
第一个用可见光创造高质量图像的超构透镜出自哈佛大学的Federico Capasso实验室。该技术于2016年展示，并在《Science》杂志上发表研究描述，立即引起了智能手机制造商的兴趣。哈佛大学随后将这一基础知识产权独家授权给Metalenz公司，现在已经实现了商业化。
一个超构透镜[右]可以取代一叠传统的透镜[左]简化了制造，大大减少了透镜封装的尺寸。来源：METALENZ公司
此后，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。
超构透镜所做的大部分开发工作涉及对设备设计方式的微调。为了将分辨率等图像特征转化为纳米级图案，我们开发了一些工具来帮助计算光波与材料的交互方式。然后，我们将这些计算结果转换成可用于标准半导体加工设备的设计文件。
第一轮进入移动成像系统的光学元表面在一个只有几毫米见方的单一平面上有大约1000万个硅柱，每个柱子都被精确地调整为接受正确的光相，即使有先进软件的帮助，这也是一个艰苦的过程。未来几代的超构透镜不一定会有更多的支柱，但它们可能会有更复杂的几何形状，如倾斜的边缘或不对称的形状。
超构透镜迁移到智能手机上
超构透镜在2021年走出了隐身模式，宣布它正准备扩大设备的生产规模。制造并不像设计那么大的挑战，因为该公司使用与制造集成电路相同的材料、光刻技术和蚀刻工艺制造元表面。
事实上，超构透镜的制造要求甚至低于非常简单的微芯片，因为它们只需要一个光刻掩模，而微处理器则需要几十个。这使得它们不容易出现缺陷，而且成本较低。此外，光学元表面的特征尺寸是以数百纳米为单位的，而代工厂习惯于制造特征小于10纳米的芯片。
而且，与塑料透镜不同，超构透镜可以在生产其他用于智能手机的芯片的相同代工厂中制造。这意味着它们可以在现场直接与CMOS相机芯片集成，而不是运到另一个地方，这进一步降低了它们的成本。
单个元透镜与激光发射器阵列相结合，可用于创建三维传感中使用的高对比度、近红外点或线图案。来源：METALENZ公司
2022年，意法半导体公司宣布将Metalenz公司的元表面技术整合到其FlightSense模块中。前几代的FlightSense已经被用于150多种型号的智能手机、无人机、机器人和车辆，以探测距离。虽然意法半导体公司没有公布具体细节，但这种内含Metalenz公司的技术的产品已经在消费者手中。
事实上，距离感测是当前一代超构透镜技术的一个甜蜜点，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，它有两个光学元件：一个是发射光，一个是接收光。发射的光学元件更为复杂。这涉及到多个透镜，它们从激光器中收集光线，并将其转化为平行的光波，或如光学工程师所称的准直光束。这也需要一个衍射光栅，将准直光束变成一个点状的区域。一个超构透镜可以取代所有这些发射和接收光学器件，节省设备内的空间，并降低成本。
而且，超构透镜在困难的照明条件下能更好地完成点阵工作，因为它能用比传统透镜更低的功率照亮更广泛的区域，把更多的光引导到你想要的地方。
未来是偏振的
传统的成像系统，充其量只能收集有关物体的空间位置及其颜色和亮度的信息。但光携带着另一种类型的信息：光波在空间传播时的方向，即偏振。未来的超构透镜应用将利用该技术检测偏振光的能力。
反射到物体上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，以及光在反弹到传感器之前穿透该材料的深度。在开发超构透镜之前，一个机器视觉系统需要复杂的光学机械子系统来收集偏振信息。这些系统通常在传感器前旋转一个偏振器，其结构像栅栏一样，只允许以某种角度定向的波通过。然后，它们监测旋转的角度如何影响到达传感器的光量。
超构表面光学器件能够从光中捕捉偏振信息，揭示材料的特性并提供深度信息。
相比之下，超构透镜不需要栅栏；所有进入的光线都能通过。然后，它可以根据其偏振状态，使用单一的光学元件被重新定向到图像传感器的特定区域。例如，如果光线沿X轴偏振，元表面的纳米结构将把光线导向图像传感器的一个部分。然而，如果它与X轴成45度偏振，光线将被引导到另一个部分。然后，软件可以用其所有偏振状态的信息来重建图像。
利用这项技术，我们可以采用整合到智能手机、汽车甚至增强现实眼镜中的微小偏振分析装置，来取代以前大型和昂贵的实验室设备。基于智能手机的偏振仪可以让你确定戒指中的石头是钻石还是玻璃，混凝土是否已经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含有微裂纹。微型极化仪可用于确定一座桥梁的支撑梁是否有故障的风险，道路上的一块地方是黑冰还是只是湿的，或者一块绿色的地方是否真的是灌木丛或被用来隐藏坦克的油漆表面。这些设备还可以帮助实现防骗的面部识别，因为光线从一个人的二维照片上反射的角度与三维脸部不同，从硅胶面具上反射的角度也与皮肤不同。手持偏振器可以改善远程医疗诊断，例如，偏振被用于肿瘤学，以检查组织变化。
但是，就像智能手机本身一样，很难预测超构透镜会把我们带向何处。当苹果公司在2008年推出iPhone时，没有人能够预测到它会催生像Uber这样的公司。同样地，也许超构透镜最令人兴奋的应用是我们今天还无法想象的。
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