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另外一个META——未来之眼超构透镜
2023/09/27
前世今生
——君子性非异也善假于物也
自从人类出现开始就一直在利用工具作为自己身体的延伸。
透镜作为眼睛系统的延伸最早可以追溯到2700年前古亚述帝国中由石英磨制而成的Nimrud透镜，它的放大倍数大约为三倍。
Nimrud透镜【图片来源网络】
1608年，荷兰的眼镜工匠发现，一片凸透镜+一片凹透镜组合，可以产生放大图像的效果，并以此为原理制造了有记录的第一支光学望远镜。次年，伽利略改善了原始的设计，并且首次将其用于天文学用途。
伽利略望远镜【图片来源网络】
随着设计和加工技术的不断发展，在现代生活中，透镜更是广泛应用于我们的生产生活中，广泛到大家对它的印象固化，变成每个人必备却不被重视的工具。如我们的照相机，眼镜，更精密的仪器比如光学显微镜、光刻机等等都离不开透镜对光的控制。
光刻机
手机镜头组
光学显微镜
照相机镜头组
然而，我们今天使用的镜头，除了在进光量、相差、色差等成像质量方面有所进步，在原理上，和1839年路易·达盖尔第一次拍到人时所使用的镜头并无本质上的区别。对于成像光学系统而言，技术一直没有本质上的进步，仿佛基础科技被“智子”锁死了一般。
第一张拍到人的照片，摄于1839年。图片来源：Louis Daguerre/public domai
他们都不可避免的面临同一个问题色差；当复色光进入棱镜后，由于它对各种频率的光具有不同折射率，各种色光的传播方向有不同程度的偏折，因而在离开棱镜时就各自分散，形成这在成像时会导致图像失真，分辨率低等问题。
色差示意图【图片来源百度百科】
色差导致图像变形同时由于透镜的基本原理是依靠不同厚度对光进行控制，复杂的成像系统需要多个不同厚度和材质的曲面透镜叠加在一起。这不可避免的导致系统体积庞大、复杂度高。另外传统镜头在成像时，整颗镜头都可以等效成一个凸透镜。但镜头不能只由一个凸透镜组成，因为它存在像差和色差。于是镜头需要由多片镜片组成，每一片都有各自的职责，有的负责偏转光线，有的负责消除色差，有的负责消除畸变。每一片镜片都需要经过复杂的研磨过程，装配时也需要极高的精度。毕竟，光学可是人类掌握的最精密的学科，制造芯片的光刻机，探测引力波的激光干涉仪，都是光学仪器——精密的背后，是居高不下的成本。
摄像头的应用越来越广泛，我们对高质量图像的需求与日俱增。不论是自动驾驶，还是无人机避障，都需要大量成像数据。就算现在手机镜头尺寸较小，也能依靠流水线大批量生产降低成本。但受到传统光学镜头原理上的限制，它必须由多片镜片实现，厚度和成本总是无法降低到令人满意的程度。
复杂成像系统【图片来源网络】
后世带——超构透镜
近几年，一种新型透镜可以解决上述问题—哈佛大学Capasso提出的超构透镜，它打破了传统透镜利用只能材料厚度控制光的限制。一经提出便迅速成为研究热点，在2016年也荣登国际著名期刊Science的封面文章，2019年成为世界经济论十大科学进展之一。
我们需要的并不是镜头本身，而是镜头最终在传感器上呈现的图像。如果有什么轻薄简单的结构可以替代传统镜头，那自然是再好不过。而超构透镜（metalens）就是这样的光学仪器。
看到“meta”，最多让人想到的是元宇宙。但其实，材料学领域很早之前就已经用上这个名词了。超构透镜的“metalens”也是衍生于超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）这两个概念。“Metamaterial”一词源自希腊语“meta”，意为“超越”。超材料超越了普通材料的范畴，具备普通物质不具备的特性。与其说超材料是一种物质，不如说它是一种由金属、硅和塑料等常规物质构成的特殊的人造结构。如果把这种结构整体看成一种物质，它就可能具有特殊的性质，比如可能具有负的折射率。
由电子显微镜采集的一种可能的超镜头模式示例。（图片来源：Science）
超材料微观结构的尺度决定了它能与什么波长的光相互作用。如果将微观结构做到几十几百纳米的尺度，那它就是可见光的超材料。同时，为了提高光的透射率，可以将所有微观结构都做到一个二维表面上，超材料就变成了超表面，其中的每一个微观结构看起来都像一个微小的支柱，作用相当于波导管。超表面可以改变光传播的方向，把它当作镜头来用，就是超镜头。
由电子显微镜采集的一种可能的超镜头模式示例。（图片来源：SCIENCE · 18 Jul 2014 · Vol 345, Issue 6194 · pp. 298-302）
一般而言，光学系统为了成像，需要的是汇聚光的能力。光是一种电磁波，波具有相位属性，同一个相位的电磁波组成的平面被称为波阵面。超镜头上的微观结构，可以按形状、排列方式调整入射电磁波的相位，从而控制波阵面的形状。只要超镜头的微观结构将波阵面的形状调整到汇聚的形状，那它的效果就相当于一片凸透镜，就可以成像。
传统镜头是需要精细研磨的透镜，而超镜头是一种超薄的平面结构。具有厚度的透镜会因为材料对不同颜色光的折射率不同而产生色差，而超表面则因为本身超薄，所有波长的光几乎同时通过镜头，并不会产生色差，它其实是一种消色差镜头。并且，更具优势的是，超表面生产起来其实并不是很难。对微观重复结构的制造能力的提升，正是过去几十年电子技术进步的最主要动力。事实上，超表面可以由现有的半导体代工厂大规模生产。所以，如果超镜头的技术成熟，我们只需要将感受光线的传感器、提供厚度的玻璃和弯折光线的超镜头叠在一起，就能得到一个近乎完美的镜头。它能成像，无色差，还没有复杂的镜组结构，厚度也要薄了不少——并且，成本还更低。
颠覆性的优势
一：便宜，超透镜采用标准的半导体元件制程，而且制造材料也跟集成电路芯片密切相关，现有的半导体制备工艺就足够应对。这代表着超透镜未来完全可以实现大规模量产，而且不像传统透镜，需要精细打磨、抛光，因此价格会比目前的镜头更便宜。
标准半导体制造工艺【图片来源网络】
二：结构简单，相比于传统的多片式透镜组，超透镜可以把所有功能集中在一两个超表面上，简化透镜组设计与封装，目前单个超透镜可以将所有白光波长聚焦到同一点，有效地解决了色差问题，通过深度学习等算法的加持，成像质量并不逊色于体积比它大50万倍的传统相机镜头。
消色差超构透镜【图片来源网络】
三：超薄、超轻，一般镜头透镜直径大约是厘米量级，而目前开发的超透镜厚度在百纳米至微米级，比普通镜片薄1万倍，可以集成在各种电子元器件中，同时带来的轻重量优势。
超构透镜【图片来源网络】
在未来超构透镜有望彻底颠覆传统光学系统中繁琐的透镜组，使得手机、相机、监控摄像头等产品都变得更小、更薄、更轻。现代科技发挥的总体趋势是集成化、小型化，对于透镜这个最常见的光学元件来说，平面的才是未来的。
双焦透镜的成像原理示意图（图片来源：Kelley/NIST）
新恒利达投资团队认为：超构透镜会成为光学领域确定性的发展方向，但时间节点的判断尤为关键。我们在判断项目的过程中，此类公司是否具备量产能力和落地能力是我们要重点判断的因素，一旦具备好的应用落地场景，则会有很高的估值弹性空间。
【超镜头应用】
1.Capasso, F.，“Flat optics: from high-performance metalenses to structured light”，来自 SPIE西部光电展（SPIE Photonics West）的主题演讲，2018年5月9日。
2.Devlin, R.，“Optical Metasurfaces: From Fundamental Science to Application”，德雷克塞尔大学（Drexel University）工程学院，2019年2月13日。
3.Chen, W.等人，“A broadband achromatic polarization-insensitive metalens consisting of anisotropic nanostructures”，《自然通信》（Nature Communications）10，第#355篇文章，2019年1月21日。
4.Evarts, H.，“Revolutionary Ultra-thin “Meta-lens” Enables Full-color Imaging”，哥伦比亚工程（ Columbia Engineering），2018年10月3日。
5.Moscatelli, A.，“Tiny Lenses Will Enable Design of Miniature Optical Devices”，《科学美国人》（Scientific American），2019年7月1日。
6.42. X. Luo et al., “Recent advances of wide-angle metalenses: principle, design, and applications,” Nanophotonics 11, 1–20 (2022).
7.43. L. Li et al., “Chromatic dispersion manipulation based on metasurface devices in the mid-infrared region,” Chin. Opt. Lett. 18,
8.082401 (2020).
9.44. J. W. Goodman, Introduction to Fourier Optics, Roberts and
10.Company Publishers, Greenwood Village (2005).
11.45. S. D. Alaruri, “Calculating the modulation transfer function of
12.an optical imaging system incorporating a digital camera from
13.slanted-edge images captured under variable illumination levels:
14.Fourier transforms application using MATLAB,” Optik 127,
15.5820–5824 (2016).
16.46. L. Nikolova and P. S. Ramanujam, Polarization Holography,
17.Cambridge University Press, Cambridge (2009).
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