起床上厕所，你买的新手机放在桌子上，没有手机外壳，突出身体的镜头让它在桌子上非常不稳定。突然，电话来了，你的手机不断地震动，爬到桌子上。当你从厕所出来的那一刻，它在你的注视下掉到了地上。随着手机屏幕的破碎，是绅士对金钱的热爱。
我不知道从什么时候开始，人们的手机背面突出的镜头模块就很常见了，没有人嘲笑为什么镜头突出了这么多的身体。在没有手机外壳的情况下，有些手机由于镜头模块太突出，新闻提醒的振动甚至可以让手机从桌子上滑下来。从大哥到现在的智能手机，手机已经薄了这么多年了，我们不能让镜头变薄一点吗？
还真不行。电子元件的小型化使我们逐渐进入了信息时代。我们可以在比指甲盖小的芯片上建立一个与整个城市相当的复杂结构，使无数的电流完全按照工程师制定的规则移动。但是，我们今天使用的镜头，除了在进光量、相差、色差等成像质量上有所提高，原则上是和的 1839 年路易・达盖尔第一次拍摄人们使用的镜头没有本质区别。对于成像光学系统来说，技术并没有取得本质的进步，仿佛基础技术已经被了“智子”锁定一般。
当传统镜头成像时，整个镜头可以等效成凸透镜。但镜头不仅可以由凸透镜组成，因为它有像差和色差。镜头需要由多个镜头组成，每个镜头都有自己的责任，有的负责偏转光线，有的负责消除色差，有的负责消除畸变。每个镜头都需要复杂的研磨过程和高精度的组装。毕竟，光学是人类掌握的最精确的学科。制造芯片的光刻机和探测引力波的激光干扰仪都是光学仪器 ——精度背后，成本居高不下。
摄像头的应用越来越广泛，我们对高质量图像的需求日益增加。自动驾驶和无人机避障都需要大量的成像数据。即使手机镜头尺寸小，也可以依靠流水线大规模生产来降低成本。然而，由于传统光学镜头原理的限制，它必须由多个镜头实现，厚度和成本总是不能降低到令人满意的程度。
超镜头
我们需要的不是镜头本身，而是镜头最终在传感器上呈现的图像。如果有任何简单的结构来取代传统的镜头，那就太好了。超级镜头（metalens）就是这样的光学仪器。
看到“meta”，最让人想起的是元宇宙。但事实上，这个名词在材料学领域早就被使用了。超镜头的“metalens”也源于超材料（metaMaterial）和超表面（metasurface）这两个概念。“MetaMaterial”这个词来自希腊语“meta”，意为“超越”。超材料超出了普通材料的范畴，具有普通材料所不具备的特性。超材料与其说是一种物质，不如说是由金属、硅、塑料等传统物质组成的特殊人造结构。假如这种结构被视为一种物质，它可能具有特殊的性质，如负折射率。
超材料微结构的尺度决定了它能与波长的光相互作用。若将微构达到几十百纳米的尺度，则为可见光超材料。同时，为了提高光的透射率，所有的微结构都可以达到二维表面，超材料变成超表面，每个微结构看起来都像一个小柱，相当于波导管。超表面可以改变光传播的方向，用作镜头，即超镜头。
一般来说，光学系统需要收集光的能力来成像。光是一种具有相位属性的电磁波，由相位电磁波组成的平面称为波阵面。超级镜头上的微观结构，射电磁波的相位可根据形状和排列进行调整，以控制波阵的形状。只要超镜头的微观结构将波阵面的形状调整到聚集的形状，其效果就相当于凸透镜，可以成像。
传统镜头是需要精细研磨的镜头，超镜头是超薄的平面结构。由于材料对不同颜色光的折射率不同，具有厚度的透镜会产生色差，而超表面则是超薄。几乎所有波长的光都同时通过镜头，不会产生色差。它实际上是一种消色差镜头。而且，更有优势的是，生产超表面并不难。提高微观重复结构的制造能力是近几十年电子技术进步的主要动力。事实上，现有半导体代工厂可大规模生产超表面。
因此，如果超镜头技术成熟，我们只需要将感觉光的传感器、提供厚度的玻璃和弯曲光的超镜头叠加在一起即可获得近乎完美的镜头。它可以成像，没有色差，没有复杂的镜组结构，厚度要薄得多 —— 而且，成本更低。
Meta 的诅咒
不过，meta 这个词似乎有魔咒。一切与之相关的东西看起来都很有前途，但似乎离现实生活中的落地不近。超镜头技术总是给人一种噱头大于现实的感觉，很少有人能真正给出超镜头技术的实际商业时间。然而，这种现象正在迅速变化。
上周，南京大学李涛团队利用超透镜技术创造了一种超薄、成像质量优良的单层集成超镜头阵列广角相机（single-layer metalens array integrated wide-angle camera，MIWC）。相关结果发表在 Optica 杂志上。MIWC 相机尺寸为 1×1×0.3 厘米，视角为 120°。与以往单个超镜头相机相比，MIWC 相机中的超镜头阵列可以弥补不同超镜头边缘画质下降的问题，实现更高的成像质量。同时，因为相机只有 CMOS 光传感器和超镜头阵列有望降低大规模生产成本。未来，研究团队计划将阵列中单个超镜头的直径从 0.3 毫米提升到 1 到 5 从而进一步提高成像质量。
人们在拍摄人像照片时往往需要“大光圈”浅景深模糊了照片背景，突出了主题。但是对于获取数据，相机的景深越大越好。最理想的状态是同时看到遥远和附近的物体。南京大学徐婷团队在《自然》中・受三叶虫复眼的启发，他们通过超镜头技术开发了一种双焦镜头超大景深微型相机，可同时在单张照片上对齐 3 厘米以内和 1.7 公里外物体的清晰成像。相关研究发表在《自然》中・通讯》。
罗马不是一天建成的，超镜头的发展也需要时间。现在，超表面的发展越来越快。也许我们可以期待，在超表面技术的帮助下，我们可以回到手机镜头不突出的时代。
参考链接：
https://www.eurekalert.org/news-releases/949421
https://www.radiantvisionsystems.com/zh-hans/blog/going-meta-how-metalenses-are-reshaping-future-optics
https://opg.optica.org/optica/home.cfm
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29568-y#auth-Ting-Xu
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/79/7/076401/meta
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