超透镜技术（Metalenes），一种在哈佛大学开发并在Metalenz商业应用的一种技术 。它利用传统的半导体加工技术在平面上构建纳米结构来制造这些器件。这些纳米结构使用一种叫做超表面光学的现象来引导和聚焦光线。这些镜片非常薄，只有几百微米厚，大约是人类头发厚度的两倍。而且可以通过将多个曲面镜头的功能整合到一个设备中，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用途的可能性。    

在今天的计算机、电话和其他移动设备中，传感器、处理器、存储单元等越来越多的功能单元在占据有限的空间。摄像头占据了这个宝贵空间的很大一部分——几乎每个小工具都需要一个摄像头，或者两个、三个，甚至更多。

镜头通常通过折射来收集和引导入射光，使用透明材料（通常是塑料）中的曲线来弯曲光线。因此，这些镜头的尺寸不能比他们现有的尺寸缩小太多。因为要使照相机小，那么镜头必须有短焦距，但是镜头的焦距越短，对透镜的曲率要求越大，最终的结果是透镜中心的厚度也就越大。这些高度弯曲的镜头也会受到各种像差的影响，所以相机模块制造商使用多个镜头来补偿，客观上增加了相机的体积。

如今的摄像机的尺寸和图像质量正朝着不同的方向发展。使透镜更小、更好的唯一方法是用不同的技术取代折射透镜。

这种技术是存在的。这是超透镜技术（Metalenes），一种在哈佛大学开发并在Metalenz商业应用的一种技术 。它利用传统的半导体加工技术在平面上构建纳米结构来制造这些器件。这些纳米结构使用一种叫做超表面光学的现象来引导和聚焦光线。这些镜片非常薄，只有几百微米厚，大约是人类头发厚度的两倍。而且可以通过将多个曲面镜头的功能整合到一个设备中，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用途的可能性。

数百年的镜头替代品

在介绍超透镜（metalens）是如何进化而来以及其工作原理之前，先了解一下之前几个替代传统曲面镜头的尝试。

从概念上讲，任何操纵光的装置都是通过改变光的三个基本属性：相位、偏振和强度来实现的。1678年Christiaan Huygens提出波或者波场都可以采用上述三个光的基本特性去描述，这成了光学发展的基础原理。

在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投影透镜的灯塔，以帮助保护它们的航运利益。然而，随着这些投影透镜变大，它们的重量也变大了。因此，透镜的物理尺寸和重量需要能够被送到灯塔的顶部并且稳定可靠的安装，成为限制了灯塔发展的决定性因素

法国物理学家 Augustin-Jean Fresnel意识到，如果他将透镜切割成多个小平面，透镜中心的大部分厚度可以被去除，但仍然保持相同的光学能力。菲涅耳透镜代表了光学技术的重大进步，现在被用于许多应用，包括汽车前灯和刹车灯，高架投影仪，以及灯塔投影镜头。然而，菲涅耳透镜有局限性。一方面，平面的边缘成为杂散光的来源。另一方面，刻面表面比连续曲面更难精确地制造和抛光。然而如果需要产生良好的图像质量，对透镜的表面精度要求就越高，很明显菲涅尔透镜不能满足这个要求。

另一种方法，现在广泛应用于3D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（Thomas Young）1802年的衍射实验。这个实验表明，光的行为就像波一样，当波相遇时，它们可以根据波传播的距离相互放大或抵消。基于这一现象的所谓衍射光学元件（DOE）利用光的波动特性来创建干涉图案——也就是说，黑暗和光明的交替区域，以点阵列、网格或任意数量的形状的形式出现。今天，许多移动设备使用DOE将激光束转换成“结构光。”这种光模式被投射，由图像传感器捕获，然后通过算法创建场景的3D地图。这些微小的DOE非常适合小的小工具，但它们不能用来创建详细的图像。所以，这种DOEs的应用也是有限的。

超透镜（Metalens）

在哈佛大学，由Federico Capasso 教授，当时的研究生 Rob Devlin ，研究助理 Reza Khorasaninejad ， Wei Ting Chen 等领导的团队开发的，超透镜的工作方式与其他方法有根本的不同。

Metalens是一个在顶部有半导体层的平面玻璃表面。蚀刻在半导体上的是几百纳米高的柱子阵列。这些纳米柱可以在一定程度上控制光波，这是传统折射透镜无法做到的。

想象一下，一片浅浅的沼泽地里长满了水中的海草。来袭的海浪使海草来回摇摆，将花粉抛向空中。如果你把入射波想象成光能，把纳米柱想象成海草的茎，你就可以想象纳米柱的特性，包括它的高度、厚度和与其他纳米柱相邻的位置，可能会如何改变透镜发出的光的分布。

我们可以利用超透镜的能力，以多种方式重定向和改变光线。我们可以散射和投射光作为一个红外点的领域。这些点被眼睛看不见，在许多智能设备中被用来测量距离，绘制房间或脸部的地图。我们可以用它的偏振度来分类光(稍后会有更多的讨论)。但是，解释我们如何使用这些元曲面作为透镜的最好方法可能是通过查看最熟悉的镜头应用程序捕捉图像。

这个过程从用单色光源（激光）照亮一个场景开始。（虽然使用metalens捕捉全彩图像在概念上是可行的，但这仍然是一个实验室实验项目，离商业化还很远）场景中的物体将光线反射到各处。一些光线返回到超透镜上，超透镜是尖的，柱子伸出，朝向场景。这些返回的光子击中柱子的顶部，并将其能量转化为振动。被称为等离子体的振动沿着柱子传播。当能量到达柱子底部时，它以光子的形式存在，然后可以被图像传感器捕捉到。这些光子不需要具有与进入光柱的光子相同的特性；我们可以通过设计和分布光柱的方式来改变这些特性。

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透镜。在论文发表于1968年在苏联物理学，俄罗斯物理学家维克托·维斯拉戈提出超材料的想法，并且表示负折射率的材料是可能存在的。这种材料与光的相互作用与普通材料非常不同。光通常以反射的形式从材料上反弹，但是它会绕过这种类型的超材料，就像水流绕过巨石一样。

直到2000年，超材料理论才在实验室实现。那一年，理查德·A·谢尔比和同事们在美国加州大学圣地亚哥分校，在微波区展示了一种负折射率超材料。他们将这一发现发表在2001年科学, 在人们想象隐形斗篷的时候引起了轰动。（创造这样一个设备需要精确地制造和组装数千个超曲面，这一点虽然耐人寻味。）

第一个用可见光创建高质量图像的超透镜来自费德里科·卡帕索在哈佛大学的实验室。在2016年进行了演示，并对发表在《科学》杂志，这项技术立即引起了智能手机制造商的兴趣。随后，哈佛大学将这一基础知识产权独家授权给了Metalenz公司，目前该产品已经在该公司实现了商业化。

自那以后，哥伦比亚大学、加州理工和华盛顿大学的研究人员与清华大学合作，也展示了这项技术。

大部分的开发工作Metalenz确实涉及到对器件设计方式的微调。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相互作用的方式。然后，我们将这些计算转换为可用于标准半导体加工设备的设计文件。

进入移动成像系统的第一波光学超表面，在一个只有几毫米见方的平面上，有大约1000万个硅柱，每个硅柱都精确地调整以接受正确的光的相位，即使在先进软件的帮助下，这也是一个艰苦的过程。未来几代的metalens不一定会有更多的支柱，但他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。

Metalenses迁移到智能手机

Metalenz在2021年宣布正在准备扩大设备的生产。制造没有设计那么大的挑战，因为该公司使用的材料、光刻和蚀刻工艺来制造集成电路。

事实上，超透镜的制造要求甚至比一个非常简单的微芯片还要低，因为它们只需要一个光刻掩模，而微处理器需要几十个掩模。这使得它们更不容易出现缺陷，也更便宜。此外，光学超表面上的特征尺寸以数百纳米测量，而代工厂习惯于制造小于10纳米的特征芯片。

而且，与塑料镜片不同的是，超透镜可以为智能手机生产其他芯片的同一家工厂生产。这意味着它们可以在现场直接与CMOS相机芯片集成，而不必运送到另一个位置，这进一步降低了成本。

在2022年意法半导体微电子宣布将Metalenz的元表面技术集成到FlightSense模块中。前几代FlightSense已被用于150多种型号的智能手机、无人机、机器人和车辆的距离检测。虽然意法半导体没有透露具体细节，但这种内置了Metalenz技术的产品已经进入消费者手中。

事实上，距离感测是目前这一代工作在近红外波长的metalens技术的最佳选择。对于这个应用程序，许多消费电子产品公司使用飞行时间系统，它有两个光学部件：一个传输光，一个接收光。透射光学系统更复杂。这些技术包括多个透镜，它们收集来自激光器的光，并将其转换成平行光波，或者光学工程师称之为平行光束。这也需要一个衍射光栅，将准直光束变成一个点场。一个单一的超透镜可以取代所有这些发射和接收光学器件，节省了设备内的空间，并降低了成本。

在恶劣的光线条件下，Metal ens可以更好地完成点场的工作，因为它可以用比传统镜头更少的功率照亮更广的区域，将更多的光引导到你想要的地方。

未来是两极分化的

传统的成像系统，充其量只能收集关于物体的空间位置及其颜色和亮度的信息。但是光携带着另一种类型的信息：光波在空间中传播时的方向——也就是偏振。未来的metalens应用将利用该技术检测偏振光的能力。

被物体反射的光的偏振传递了关于该物体的各种信息，包括表面纹理、表面材料的类型，以及光在反射回传感器之前穿透材料的深度。在超透镜出现之前，机器视觉系统需要复杂的光机械子系统来收集偏振信息。它们通常会在传感器前面旋转一个偏振器——结构类似栅栏，只允许定向在某个角度的波通过。然后，他们监测旋转角度如何影响击中传感器的光量。

相比之下，超透镜不需要栅栏，所有的光线都会透过。然后利用单个光学元件，根据图像传感器的偏振状态，将其重定向到图像传感器的特定区域。例如，如果光沿X轴偏振，则变质体表面的纳米结构将将光定向到图像传感器的某一段。然而，如果它在离X轴45度处被偏振，那么光就会被指向另一个部分。软件可以利用图像中所有偏振态的信息来重建图像。

利用这一技术，我们可以用集成到智能手机、汽车甚至增强现实眼镜中的微型偏振分析设备取代此前庞大而昂贵的实验室设备。基于智能手机的旋光仪可以让你确定戒指上的石头是钻石还是玻璃，混凝土是固化还是需要更多时间，或者一根昂贵的曲棍球棒是否值得购买或是否存在微裂纹。微型旋光仪可以用来确定桥梁的支撑梁是否有损坏的危险，道路上的一个小块是黑冰还是只是湿的，或者一个绿色的小块实际上是灌木丛还是用来隐藏坦克的油漆表面。这些设备还可以帮助实现防欺骗的面部识别，因为光从一个人的2D照片反射的角度不同于从3D面部反射的角度，从硅胶面具反射的光也不同于从皮肤反射的光。手持偏振器可以改善远程医疗诊断——例如，偏振用于肿瘤学检查组织变化。

但就像智能手机本身一样，很难预测超材料传感器会把我们带向何方。当苹果在2008年推出iPhone时，没有人能预料到它会催生出Uber这样的公司。同样的，也许最令人兴奋的超透镜应用是我们现在还无法想象的。

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