走向超镜头（Metalens）时代：超镜头正在如何重塑光学元件的未来

超材料（Metamaterial）概念已经出现一段时间了，但在过去的两年中，科技和制造领域实现的突破性发展快速激增，可能很快就会迎来基于超镜头的光学技术和功能的全新时代。“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围，在某种意义上已经改变了材料的自然特性。

超镜头是一种微小的光学元件，跟传统镜头一样可以操纵电磁波（光），但它们比一张纸还要薄。由于体积小、易于大规模制造且生产成本效益高，并且具有使多种光学应用发生革命性改变的潜力，这项技术令许多行业的开发人员感到兴奋不已。

超材料和超镜头及其工作原理简介。

小型化技术

随着计算机芯片以及其他电子组件的日益小型化，现代技术发展史一直在朝着小型化方向稳步前进。举例来说，NASA在1969年登月时使用的所有计算能力远远小于您现在装在口袋中的普通手机的计算能力。

然而，在超材料出现之前，业界一直没有办法大幅度缩小相机、显微镜、望远镜以及其他光学设备中所使用镜头的尺寸。镜头尺寸一直受到玻璃或塑料（在最近数十年中）的材料特性（折射率和色散）的限制。从本质上讲，我们仍在使用中世纪的工具（玻璃镜头）和 19世纪的光学技术，除了实现更高的成型和磨削精度外，我们一直无法对这些技术加以改进。¹

超镜头结构

传统镜头是通过使光波发生弯曲来工作的。镜头是由不同厚度的区域构成的，因此当波阵面穿过镜头时，镜头不同部分的光波会以不同的角度发生折射。通常将多个单独的镜头堆叠在一起（称为复合镜头），以特定的方式引导和控制光线。

 

典型的凸（会聚）镜头使光波弯曲以在焦点处汇合。（图片： Mini Physics）

相比传统镜头，超镜头的概念是一种单个薄而扁平的结构，具有多个波导管（看起来像微小的支柱），这些波导管以特定的模式排列。这些支柱也被比作天线，它们是由二氧化钛（TiO2）制成的纳米元件，长度约为600纳米（nm），比并排放置的10个氢原子的长度还短。

由于超镜头是扁平的（平面），并且超薄，因此它们不会产生色差（它们是一种“消色差”镜头），因为所有波长的光几乎都同时通过。与具有固定色散的玻璃或其他传统材料相反，它们的优点还包括可调色散（控制光色如何分散的能力）。此外，超表面可以在现有的CMOS半导体代工厂大规模生产，从而实现光学系统大规模并行晶圆级集成。²

 

 

由电子显微镜采集的两种可能的超镜头模式示例。（图片来源：科学杂志 视频）

超镜头发展突破

2016年，哈佛大学 John A. Paulsen工程与应用科学学院（SEAS）的研究人员展示了首款能够在可见光范围内高效工作的平面镜头，覆盖从红色到蓝色的整个光谱，这是超镜头发展史上的一个重要里程碑。由Federico Capasso领导的SEAS团队将波导管称为“纳米翼片”，他们将超镜头设计成将光聚焦到直径约400 nm的单个点上。他们设计的超镜头是首款能够聚焦整个可见光光谱的镜头，并提供比目前任何商用镜头都更佳的光学性能。

继这项发展之后，2018年，来自华盛顿大学和台湾国立清华大学的一个团队宣布开发了首款二维超镜头，其中，纳米结构的尺寸与通过该结构的光波长相同。

 

由华盛顿大学/台湾研究人员开发的四种超薄超镜头在显微镜下呈现出来。（图片：Nano Letter）

不久之后，哥伦比亚大学工程团队开发了首款平面镜头，该镜头可将各种发生任何偏振的颜色正确聚焦到同一焦点，且无需任何其他元件。他们开发的平面镜头的厚度仅有1微米，利用“超原子”将波长范围为1.2至1.7微米（在不可见的近红外范围内）的光线聚焦到同一焦点上。

“使用单个超镜头在近红外光中进行宽带成像，显示出镜头具有校正色差的能力，并且我们可使用类似于集成电路行业中使用的平面制造技术来制造超镜头。”³

自那时起，其他超镜头的发展就变得异常迅猛，我们几乎可以将2019年称为“超镜头年”。

• 1月，哈佛大学SEAS团队宣布开发了新的“偏振不敏感超镜头，其由非对称纳米鳍片组成，能够在可见光谱范围内以消色差的方式聚焦光线，不会产生像差。”⁴以前，超镜头只能聚焦圆形非偏振光，导致与偏振不匹配的入射光损失了一半。
• 5月，麻省理工学院（MIT） 的数学家们发表了他们的研究成果，他们开发了一种计算技术，该技术可快速确定超镜头纳米元素的最佳组成和排列。这将使制造商能够设计超镜头模式以满足特定的目标，比如控制颜色或创建不同形状的光束
• 7月，密歇根大学的研究人员宣布开发了一项新技术，该技术使用一组超镜头将光线聚焦为特定的模式，而不是单个点。这种方法对任何光束成形应用都具有意义，比如激光切割、退火处理和选择性结晶。
• 同样在7月，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）的研究人员开发了一种扭曲超镜头薄膜堆的方法，以进一步控制光的特性。举例来说，他们开发了一种双焦点超镜头，其具有可控焦距和强度比。

与超镜头相关的发展突破包括晶圆级光学元件的兴起。微光学组件的晶圆级制造和集成使微结构技术能够应用于相机模块制造。本质上，我们可以使用半导体工艺制造相机镜头，以将单个微镜头压印在晶圆上。虽然晶圆级相机模块在对位形状和厚度/均匀性方面具有严格的公差范围，但它们可以提供更高效的大批量制造。

超镜头应用

超镜头技术现在有可能会使相机、显示器以及其他光学设备发生革命性改变。一些令人兴奋的潜在应用包括：

• 芯片制造—芯片制造商可以采用密歇根大学的光线模式创建方法，他们利用光线将特定的图案雕刻到硅片表面上。使用超镜头将有可能更高效地产生更复杂的图案，并且缺陷率低。
• AR/VR/MR—XR系统开发人员目前仍在努力解决将大型硬件系统集成到头戴式设备中的挑战。超镜头提供了将微型光学元件集成到小型高性能轻质头戴式设备和智能眼镜中的前景
• 医学—超镜头的增强光学功能可以实现比以往更精确的诊断成像、更高分辨率的成像工具（比如内窥镜）和新的显微镜外形，从而使放射科医生、内科医生和实验室技术人员能够看到以前不可见的细节。

 

来自哈佛大学医学院的一个团队一直致力于开发“光学相干断层成像术”（OCT）和纳米光学内窥镜，以实现超高分辨率诊断成像功能。（图片 来源）

然而，仍然面临一些需要克服的挑战：“费用仍然很高，因为很难将纳米级元素精确地放置在厘米级芯片上……到目前为止，超镜头不能像传统镜头那样高效地传输光线，这对于像全彩色成像这样的应用来说是一项重要的功能。此外，由于它们的尺寸太小，以致无法捕获大量光线，这意味着，至少到目前为止，它们不适合拍摄高质量的照片。”⁵

尽管如此，超技术在光学、成像和显示系统的持续发展方面拥有广阔的前景。Radiant在亮度和色度的精确测量方面拥有20多年的丰富经验，并且我们一直致力于全尺寸和纳米级光学和显示系统的检测。为此，我们很期待看到下一步的发展。

 

引用文献

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。