在巴黎盧浮宮博物館展出的古埃及“書記官坐像（Seated Scribe）”是一尊石灰石彩繪雕像，高53.7厘米，是埃及古王國時期雕刻藝術的最高水平代表之一。“書記官”向外凝視，在他腿上攤開著一卷紙莎草書，像是隨時準備做記錄。這座雕塑看起來就像4500年前剛埋入撒哈拉沙漠時一樣栩栩如生。

不過，該雕像最引人注目的是書記官的眼睛。它們可以說是最原始的鏡片，由透明石英雕刻而成，然后與其它材料組裝在一起復制人眼的外觀，包括著色、虹膜和瞳孔。古埃及的這尊雕像以及其它相似雕像如此生動，以至于當圍觀者在雕像周圍走動時，雕像的眼神似乎會跟著轉動。

這座書記官雕像的眼睛展示了古埃及的科技、殯葬藝術和人體解剖學知識在久遠的那個年代就有如此造詣，他們制造了第一個產生光學效果的透明鏡片。第一批已知的鏡片（切割并拋光的黑曜石）甚至可以追溯到8000年前。

如今，玻璃鏡片無處不在，它們對于文檔掃描或手機拍照等任務至關重要；巨型望遠鏡中應用了先進的光學玻璃和反射鏡對宇宙進行成像；醫生還使用可以看到身體內部的微型相機鏡頭來提供先進的醫療診斷。

預計到2028年，玻璃光學行業的全球市場規模將達到250億美元以上。該行業需要訓練有素的專業技術人員利用先進的軟件和硬件來生產光學元件。利用這些光學元件可以幫助我們看到所有能夠看到一切。

據麥姆斯咨詢介紹，光學元件制造的一場新革命已經到來，或將成為繼玻璃之后的第二個重要突破。那便是超構透鏡（Metalens），它們由亞波長納米結構或納米鰭（nanofin）組成排列在圖像傳感器表面上，其成像品質逐漸接近最先進的商業透鏡。

對于這一變革很重要的是，超構透鏡可以大規模量產，使用深紫外光刻技術蝕刻到襯底上（與制造先進半導體芯片的工藝相同）。這種可擴展性非常重要，尤其是對于消費電子應用。對于這些應用，尺寸、成本和快速批量制造能力是一項創新技術成敗的關鍵。

超構光學廠商的創始人們看到了這項技術的潛力，并正在努力將這項顛覆性的光學元件技術推向市場。在不久的將來，憑借超構光學技術，他們預計智能手機將具有無與倫比的人臉識別和拍照性能；傳感器將能夠捕捉光偏振信息，實現前所未有的深度感知，甚至是物體的分子構成；而內窺鏡攝像頭將進一步變小變薄，以至于可以插入人體支氣管，更早期地檢測癌癥，通過積極治療挽救更多生命。

Metalenz的一片12英寸晶圓上包含了5000個超構光學元件

正如哈佛大學Federico Capasso教授及其同事在2016年首次提出的，超構表面（Metasurface）是“界面上亞波長間隔的移相器，可以前所未有的控制光的特性。”

Federico Capasso被認為是超構表面科學和技術的先驅者，基于如何利用費馬原理對光束進行任意整形以最小化光路的理解，他認為該技術是一項重大突破。他解釋稱，在傳統光學中，光傳播過程中累積的逐漸相移被用于塑造光束的波前，例如聚焦光。但這是利用厚而笨重的材料（例如玻璃）實現的。

但他意識到，通過沿光路在亞波長尺度上引入相位變化，可以獲得塑造光的新自由度。為此，其團隊嘗試了不同方法在光束上加入這種相移，用扁平的納米天線陣列來重新定向光。隨后在2016年，與當時的研究生Robert C. Devlin（開發了由光刻和原子層沉積定義的TiO2納米鰭超構表面）以及博士后研究員Reza Khorasaninejad合作共同開發了第一個高性能超構透鏡。在可見光下工作時，展示了與當時最先進的復雜且笨重的顯微鏡物鏡相當的聚焦性能。

光學玻璃制造商感到了壓力

“在某種程度上來說，光學玻璃制造商感受到了來自超構透鏡的壓力。”Devlin說，他現在已經是Metalenz的首席執行官，該公司由他和Capasso教授共同創立，擁有大約20項超構表面技術專利。他補充說：“我的意思是，在某些領域，超構表面將取代傳統的透鏡和傳統的光學元件。另外，這種超構光學元件可以在IC代工廠量產制造，這個意義很重大。”

他繼續說：“在很多應用中，超構表面可以提供實質優勢。盡管玻璃和塑料光學元件仍然存在一些優勢，但隨著時間的推移，超構表面以及我們正在Metalenz做的產品將占據越來越多的市場份額。”

去年6月，Metalenz宣布，其平面超構表面光學器件正在意法半導體（STMicroelectronic）的半導體工廠制造，成為第一款可商業化的超構表面技術。意法半導體在宣布這項交易時表示：“超構光學元件可以在一層中收集更多的光，提供多種功能，并在智能手機和其他設備中實現新的傳感方式，同時還占用更少的空間。”

在與Metalenz合作之前，意法半導體采用折射和衍射透鏡制造傳統的傳感器模組。“現在，意法半導體正在將Metalenz的超構表面光學技術添加到飛行時間（ToF）傳感器模組中。”Devlin說，“他們的傳感器模組已經應用于200種智能手機、筆記本電腦和其他應用中。這是一種讓消費者與其產品交互的一整套光學設備，目前出貨量已經超過20億顆。這是一個相當大的市場，我們的超構表面有機會直接影響用戶體驗。”

對于加拿大材料科學公司META Materials來說，改進5G寬帶通信只是其超構表面技術的一個近期應用，該技術面向定制化應用通過人工智能（AI）軟件設計工具得到了增強。META Materials的產品并非旨在取代玻璃，他們將超構表面集成于透明薄膜，進而以高度可控的方式移動光學或無線電頻率，從而在根本上強化玻璃及其它表面的功能性。

META Materials超構表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，其超構表面是利用電子束光刻和干法蝕刻技術制造而成的。

5G應用和自動駕駛等先進應用

META Materials的Rob Stone表示：“眾所周知，5G信號在室外尤其是室內的傳播和穿透能力表現不佳。因為信號的頻率更高，它們可以攜帶更多數據。但信號的覆蓋范圍較小，如果遇到環境中的物體，很容易被吸收或衰減。”

但他表示，通過META Materials的NANOWEB透明導電膜可以解決這些問題，“NANOWEB是透明的，我們可以將其設置在窗戶等建筑物的表面，建筑物上方信號塔發出的信號能夠通過其他建筑物的表面反射，進而將信號引導到5G信號無法到達的盲區。”

Stone繼續介紹：“在建筑內部，這些NANOWEB透明導電膜可以控制反射角度，以獲取走廊上的信號，并使其在拐角處轉彎，穿過大廳，進入會議室。得益于其透明特性，可以在不干擾建筑的情況下覆蓋建筑。并且，還可以在上面噴漆。此外，這一切都是無源的，它們不需要布線，也不需要電源。”

相同的平臺還可以用于高級駕駛輔助系統（ADAS）的透明加熱器。“高端新款車型上的激光雷達和雷達可以提供先進的安全功能，例如自動巡航控制和半自動駕駛等。但如果有一點霧或冰雪擋住傳感器窗口，所有這些功能都可能失效。”這種情況下，NANOWEB平臺可以提供不干擾激光雷達或雷達的加熱和EMI屏蔽功能。該技術可以為車輛的所有傳感器窗口、整個擋風玻璃或天窗除冰或除霧。

Stone說：“我們還可以應用電致變色技術將天窗調整至所需要的透明度，甚至可以不影響采光和視線的情況下在玻璃中嵌入5G天線。”

當然，NANOWEB透明導電膜的商業成功還在于其可擴展的制造能力，透明膜的卷對卷（R2R）制造，確保了納米結構波導（結合高導電性和高透明度）的完整性。

對于其它初創公司，成功的路徑是利用新型表面（無論是否采用超構表面）來設計傳統折射透鏡無法實現的創新光學系統。例如，醫療器械公司LeadOptik正在制造一種纖薄3D成像探頭，利用先進的衍射光學技術進行微創癌癥檢測。與超構透鏡一樣，它們也是平面光學元件，通過表面特征整形光束以獲得期望的效果。

LeadOptik將多個平面光學元件組裝在光纖尖端，以構建一種3D醫學成像探頭

LeadOptik的目標是充分利用折射光學技術，并將其與先進的衍射光學技術相結合，以實現一些超構表面的特性。其中，最重要的是應用平面光學元件，LeadOptik創始人、首席執行官Khorasaninejad說：“我們可以構建一種亞毫米尺度的自適應聚焦技術。這項核心技術實現了世界上第一個多焦點3D成像探頭，它可以到達肺部的任何位置并進行高分辨率成像。”

縮微的尺寸很重要。首先，在大多數情況下，癌癥都是從肺部外圍開始的，那里的氣道直徑很小，任何其他技術都很難到達。其次，當我們需要將3D成像探頭與手術器械集成時，總是希望成像探頭占用更少的空間。Khorasaninejad說：“因為，我們肯定不能干擾到手術器械的機械部分。”

就LeadOptik的3D成像探頭而言，它就像光纖尖端的微型可變焦顯微鏡，其目標是通過人類肺部的通道導航，能夠高度準確的定位癌癥病灶并測量深度信息（例如癌癥病灶的位置和大小）。

對于外科醫生來說，深度是至關重要的信息，因為外科醫生希望切除足夠多的病變組織，使癌癥不會復發。如果所討論的癌癥發生在大腦中，則信息更為關鍵。但該公司目前的重點是為醫生提供一種工具，以更好地診斷肺癌。肺癌是目前惡性腫瘤死亡原因之首。

Khorasaninejad表示，LeadOptik的醫學成像技術有很多潛在應用，例如診斷其他類型的癌癥。但對于一家試圖獲得FDA批準的年輕公司來說，“我們真的只要做對并做好一件事就行了。”

對于像Metalenz、LeadOptik這樣的初創公司來說，他們獲得的風險投資和大公司的興趣表明了超構透鏡的吸引力。無論是否應用玻璃，市場對光學元件的功能和微型化永遠沒有盡頭。即使再過一千年，古埃及書記官的“眼睛”仍將見證我們前進的每一個腳印。

審核編輯 ：李倩