原文作者：Robert Gobron

傳統的成像系統最多只能收集物體的空間位置、顏色、亮度等信息，但僅有幾百微米厚的超透鏡，在極大地節省了空間的同時，還能夠收集光的偏振信息，進一步地檢測到表面紋理、材料類型、穿透深度，將在多種領域發揮巨大的作用。

讓鏡頭更小更好的方法

在今天的電腦、電話和其他移動設備中，越來越多的傳感器、處理器和其他電子設備在搶奪空間。相機占據了這寶貴空間中很大的一部分：幾乎各個電子設備都需要一個或者兩三個相機，甚至更多。相機中最占用空間的是鏡頭。

移動設備中的鏡頭常通過折射來收集和引導入射光，使用透明材料（通常是塑料）的曲線使光線彎曲。因此這些鏡頭無法再縮小了：要制造一臺小型相機，需要一個短焦鏡頭；但焦距越短，曲率越大，因而中心也越厚。高度彎曲的鏡頭也會形成各種像差，因此相機模塊制造商使用多個鏡片來進行補償，從而增加了相機的體積。

對于今天的鏡頭，相機尺寸和圖像質量朝著不同方向發展。使鏡頭更小更好的唯一方法是使用不同的技術取代折光鏡片。

這種技術是存在的。它便是超透鏡（metalens），研究人員運用傳統的半導體加工技術，在平面上構建納米結構來制造超透鏡設備。這些納米結構利用一種叫做超表面光學的現象來引導和聚焦光線。超透鏡可以非常薄，僅有幾百微米厚，大約是人頭發直徑的2倍。我們可以將多個曲面鏡頭的功能整合在一個設備中，進一步解決空間緊張的問題，同時為移動設備中的相機開辟可能的新用途。

傳統曲面透鏡的變革

從概念上講，操縱光的任何設備都是通過改變光的三大基本特性來實現的，即相位、偏振和強度。1678年，克里斯蒂安?惠更斯提出了任何波或波動場都由這些屬性構成的想法，成為光學領域統領一切的指導原則。

18世紀初，一些國家格外重視用更大、更強的投射透鏡建造燈塔，然而，隨著這些投射透鏡越來越大，它們的重量也越來越重。因此，可放置于燈塔頂部并在結構上起支撐作用的透鏡物理尺寸限制了燈塔光束的功率。

法國物理學家奧古斯丁-讓?菲涅耳意識到，如果把一個透鏡切成小平面，便可削減透鏡中心的大部分厚度，同時保持光學功率不變。菲涅耳透鏡代表了光學技術的重大進步，現在有許多應用，包括汽車前燈和剎車燈、頭頂投影儀，還有燈塔投射透鏡。然而，菲涅耳透鏡有其局限性。首先，小平面的邊緣會形成雜散光。其次，帶小平面的表面比連續曲面更難制造和精確拋光。這對相機鏡頭是不可行的，產生優質圖像需要較高的表面精度。

另一種方法如今廣泛應用于3D傳感和機器視覺，其根源可追溯至現代物理學最著名的實驗之一：1802年托馬斯?楊進行的光衍射實驗。該實驗表明，光具有波的特性，相遇時可以根據波傳播的距離相互放大或抵消。衍射光學元件（DOE）基于此現象，利用光的波動性產生干涉圖案，即以點陣列、網格或任意數量的形狀形成的明與暗交替的區域。今天，許多移動設備使用衍射光學元件將激光束轉換為“結構光”。此種光圖案被投射，由圖像傳感器捕獲，然后通過算法創建場景的3D地圖。這些微小的衍射光學元件非常適合小型設備，但它們不能創建精細的圖像，所以應用再次受限。

超透鏡閃亮登場

此時，超透鏡登場了。超透鏡由哈佛大學費德里科?卡帕索（Federico Capasso）團隊開發，它的工作方式與其他任何一種方法均有本質上的不同。

超透鏡是扁平的玻璃表面，上面有一層半導體。在半導體上蝕刻出一排排幾百納米高的柱體。這些納米柱可以操縱光波，其控制水平是傳統折射透鏡無法做到的。

假如有一個長滿海草的淺沼澤，海浪來襲，海草前后搖擺，花粉飛入空中。如果把入射波比作光，把納米柱比作海草的莖，你就能想象出納米柱的特性（包括它的高度、厚度和與其他納米柱相鄰的位置）如何改變穿過透鏡的光的分布。

利用超透鏡的能力，我們可以通過多種方式改變和利用光：可以散射和投射光作為紅外點場，許多智能設備利用這些肉眼看不見的點測量距離、繪制房間圖或人的面部圖；還可以根據偏振來進行光的分類。不過，要解釋如何使用這些超表面作為鏡頭，最好的辦法是看看我們最熟悉的鏡頭應用——捕捉圖像。

這一過程首先是用單色光源（即激光）照亮一個場景。場景中的物體將光線向四面反射。有些光線被反射向超透鏡，超透鏡的納米柱朝外沖著場景。被反射回的光子撞在納米柱的頂部，將其能量轉化為振動。這種振動被稱為等離激元，沿著柱身傳播。當能量到達柱底時，它以光子的形式存在，然后可被圖像傳感器捕獲。這些光子不需要和那些出現在納米柱上的光子具有相同性質，通過設計和分布納米柱可以改變這些屬性。

這個超透鏡單體(用鑷子夾住)中的柱體直徑小于500納米。放大圖比例尺為2.5微米。一個12英寸的晶圓可容納多達1萬個超透鏡，它們由單一的半導體層構成。

檢測光偏振的微型利器

傳統的成像系統最多只能收集物體的空間位置、顏色、亮度等信息。然而，光還攜帶著一種信息：光波在空中傳播時的方向，即偏振。未來的超透鏡應用將利用該項技術能力的優勢，檢測光的偏振。

物體反射光的偏振傳遞了該物體的各種信息，包括表面紋理、表面材料類型，以及光線在反射回傳感器前穿透該材料的深度。在開發超透鏡之前，機器視覺系統需要復雜的光學機械子系統來收集偏振信息。這些系統通常會在傳感器前使用一個旋轉的偏振器，偏振器的結構像柵欄一樣，只允許以特定角度定向的波通過。然后，監測旋轉角度如何影響到達傳感器的光量。

相比之下，超透鏡不需要柵欄，所有入射光都能通過。然后，使用單個的光學元件，基于光的偏振，將光定向至圖像傳感器的指定區域。例如，若光線沿x軸偏振，超表面的納米結構將把光引導到圖像傳感器的某個區域。若光線沿x軸45度偏振，光將被引導至別的區域。然后，軟件可以用所有偏振狀態信息重建圖像。

利用這項技術，我們可以用集成在智能手機、汽車甚至增強現實眼鏡中的微型偏振分析設備取代昂貴的大型實驗室設備。智能手機的偏振儀可以用于鑒別戒指上的石頭是鉆石還是玻璃，混凝土已經硬化還是需要更多時間，一根昂貴的曲棍球棒是否值得購買，是否存在微小裂縫等。微型偏振儀可以用來檢測橋的支撐梁是否有倒塌的危險，道路上的斑塊是黑色的冰還是潮濕的水漬，一片綠色是灌木叢還是隱藏坦克的油漆。此類設備還可以幫助實現防欺詐面部識別，因為光從一個人的2D照片上反射的角度不同于3D面部，從硅膠面具上反射的角度也不同于皮膚。手持偏振儀還可以改善遠程醫療診斷，例如偏振可用于檢查組織腫瘤病變。未來，超透鏡的應用是或許會令我們更加興奮。

編輯：黃飛