超薄半導體鏡終于將進入消費者手中。

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

移動設備中的鏡頭常通過折射來收集和引導入射光，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：要制造一臺小型相機，需要一個短焦鏡頭；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形成各種像差，因此相機模塊制造商使用多個鏡片來進行補償，從而增加了相機的體積。

對于今天的鏡頭，相機尺寸和圖像質量朝著不同方向發展。使鏡頭更小更好的唯一方法是使用不同的技術取代折光鏡片。

這種技術是存在的。它便是超透鏡（metalens），該設備由哈佛大學研發，由Metalenz公司實現商業化，我是Metalenz公司的一名應用工程師。我們運用傳統的半導體加工技術，在平面上構建納米結構來制造超透鏡設備。這些納米結構利用一種叫做超表面光學的現象來引導和聚焦光線。超透鏡可以非常薄，僅有幾百微米厚，大約是人頭發直徑的2倍。我們可以將多個曲面鏡頭的功能整合在一個設備中，進一步解決空間緊張的問題，同時為移動設備中的相機開辟可能的新用途。

在講解超透鏡如何演進和工作前，先看看人們為取代傳統曲面透鏡所做的一些努力。

從概念上講，操縱光的任何設備都是通過改變光的三大基本特性來實現的，即相位、偏振和強度。1678年，克里斯蒂安?惠更斯提出了任何波或波動場都由這些屬性構成的想法，成為光學領域統領一切的指導原則。

18世紀初，世界上最強大的經濟體為了保護自身的航運利益，格外重視用更大、更強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構上起支撐作用的透鏡物理尺寸限制了燈塔光束的功率。

法國物理學家奧古斯丁-讓?菲涅耳意識到，如果把一個透鏡切成小平面，便可削減透鏡中心的大部分厚度，同時保持光學功率不變。菲涅耳透鏡代表了光學技術的重大進步，現在有許多應用，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，小平面的邊緣會形成雜散光。其次，帶小平面的表面比連續曲面更難制造和精確拋光。這對相機鏡頭是不可行的，產生優質圖像需要較高的表面精度。

另一種方法如今廣泛應用于3D傳感和機器視覺，其根源可追溯至現代物理學最著名的實驗之一：1802年托馬斯?楊進行的光衍射實驗。該實驗表明，光具有波的特性，相遇時可以根據波傳播的距離相互放大或抵消。衍射光學元件（DOE）基于此現象，利用光的波動性產生干涉圖案，即以點陣列、網格或任意數量的形狀形成的明與暗交替的區域。今天，許多移動設備使用衍射光學元件將激光束轉換為“結構光”。此種光圖案被投射，由圖像傳感器捕獲，然后通過算法創建場景的3D地圖。這些微小的衍射光學元件非常適合小型設備，但它們不能創建精細的圖像，所以應用再次受限。

此時，超透鏡登場了。超透鏡由哈佛大學費德里科?卡帕索（Federico Capasso）團隊開發，團隊中包括當時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上的不同。

超透鏡是扁平的玻璃表面，上面有一層半導體。在半導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，其控制水平是傳統折射透鏡無法做到的。

假如有一個長滿海草的淺沼澤，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場，許多智能設備利用這些肉眼看不見的點測量距離、繪制房間圖或人的面部圖；還可以根據偏振來進行光的分類（稍后會詳細介紹）。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用——捕捉圖像。

這一過程首先是用單色光源（即激光）照亮一個場景。（雖然使用超透鏡捕捉全彩色圖像在概念上是可能的，但它還處于實驗室內，距離商業化還有很長的路要走。）場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景。被反射回的光子撞在納米柱的頂部，將其能量轉化為振動。這種振動被稱為等離激元，沿著柱身傳播。當能量到達柱底時，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在納米柱上的光子具有相同性質；我們可以通過設計和分布納米柱來改變這些屬性。 ? ?

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數十年來，世界各地的研究人員一直在探索超透鏡的概念。

1968年，蘇聯物理學家維克多?維塞拉戈在《蘇聯物理學進展》（Soviet Physics Uspekhi）發表的一篇論文中提出了超材料的概念，他提出了假設：沒有什么能排除具有負折射率的物質存在。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，超材料理論才在實驗室中得以實現。那一年，美國加州大學圣地亞哥分校的理查德?A. 謝爾比（Richard A. Shelby）和同事在微波區展示了一種負折射率的超材料。2001年，他們在美國《科學》雜志上發表了這一發現并引起了轟動，因為人們由此想象出了“隱形斗篷”。（細想起來很有趣，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。）

哈佛大學的費德里科?卡帕索（Federico Capa-sso）實驗室發明了第一批利用可見光生成高質量圖像的超透鏡。2016年，《科學》雜志上發表了一篇有關該技術的研究文章，立即引起了智能手機制造商的興趣。哈佛大學隨后將基礎知識產權獨家授權給Metalenz公司，現在，超透鏡已由Metalenz實現商業化。

那以后，哥倫比亞大學、加州理工學院和華盛頓大學的研究人員與清華大學合作，也展示了這項技術。

Metalenz所做的大部分開發工作均涉及對設備設計方式的精確調整。為將分辨率等圖像特征轉化為納米尺度的圖案，我們開發了工具，幫助計算光波與材料相互作用的方式。然后，我們將這些計算轉換為可用于標準半導體加工設備的設計文件。

最初進入移動成像系統的光學超表面，在只有幾平方毫米的單一平面上有千萬個硅柱，每根硅柱都要經過精確調整，接受正確的光相位，即使有先進軟件的幫助，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雜，比如具有傾斜的邊緣或不對稱的形狀。

2021年，Metalenz走出隱身模式，宣布準備擴大設備的生產規模。制造的挑戰程度沒有設計工作那么大，因為制造超表面使用與集成電路制造相同的材料、光刻和蝕刻工藝。

事實上，超透鏡的制造要求甚至比非常簡單的微芯片還要低，因為它們只需要一個光刻掩模，而微處理器則需要幾十個。這使得超透鏡更不易出現缺陷，成本也更低廉。此外，光學超表面的特征尺寸以數百納米為單位，而代工廠習慣于制造小于10納米的芯片。

而且，與塑料透鏡不同，超透鏡可在生產其他智能手機芯片的同一家代工廠生產。這意味著它們可以直接在現場與互補金屬氧化物半導體（CMOS）相機芯片集成，而不必運到另一個地方，這進一步降低了成本。

2022年，意法半導體宣布將Metalenz的超表面技術集成在其FlightSense模塊中。前幾代FlightSense已用于150余種型號的智能手機、無人機、機器人和車輛，以探測距離。內置Metalenz技術的此類產品已進入消費者手中，但意法半導體并未公布具體細節。

事實上，當前一代超透鏡技術（在近紅外波長下工作）的最突出效果在于距離感知。對于此項應用，許多消費電子公司使用飛行時間系統，該系統有兩組光學器件：一個發射光，一個接收光。用于發射的光學器件更為復雜。該技術需要多個透鏡，它們將收集的激光轉換成平行光波，光學工程師稱之為準直光束；還需要一個衍射光柵，將準直光束變為點陣場。單個超透鏡便可取代所有的發射和接收光學器件，節省了設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陣場的工作，因為與傳統透鏡相比，它可用較少的能量照亮大片的區域，將更多光引導至所希望的位置。

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傳統的成像系統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：光波在空中傳播時的方向，即偏振。未來的超透鏡應用將利用該項技術能力的優勢，檢測光的偏振。

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。在開發超透鏡之前，機器視覺系統需要復雜的光學機械子系統來收集偏振信息。這些系統通常會在傳感器前使用一個旋轉的偏振器，偏振器的結構像柵欄一樣，只允許以特定角度定向的波通過。然后，監測旋轉角度如何影響到達傳感器的光量。

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

利用這項技術，我們可以用集成在智能手機、汽車甚至增強現實眼鏡中的微型偏振分析設備取代昂貴的大型實驗室設備。智能手機的偏振儀可以用于鑒別戒指上的石頭是鉆石還是玻璃，混凝土已經硬化還是需要更多時間，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橋的支撐梁是否有倒塌的危險，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。此類設備還可以幫助實現防欺詐面部識別，因為光從一個人的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程醫療診斷，例如偏振可用于檢查組織腫瘤病變。

但就像智能手機本身一樣，很難預測超透鏡將把我們帶向何處。2008年蘋果公司推出iPhone時，沒人能料到會出現優步這樣的公司。同樣，也許超透鏡最令人興奮的應用是我們現在還無法想象的。

作者：Robert Gobron ?

審核編輯：黃飛