變革傳統(tǒng)光學(xué)元件，超構(gòu)透鏡加速商業(yè)化

在巴黎盧浮宮博物館展出的古埃及“書(shū)記官坐像（Seated Scribe）”是一尊石灰石彩繪雕像，高53.7厘米，是埃及古王國(guó)時(shí)期雕刻藝術(shù)的最高水平代表之一?！皶?shū)記官”向外凝視，在他腿上攤開(kāi)著一卷紙莎草書(shū)，像是隨時(shí)準(zhǔn)備做記錄。這座雕塑看起來(lái)就像4500年前剛埋入撒哈拉沙漠時(shí)一樣栩栩如生。

不過(guò)，該雕像最引人注目的是書(shū)記官的眼睛。它們可以說(shuō)是最原始的鏡片，由透明石英雕刻而成，然后與其它材料組裝在一起復(fù)制人眼的外觀，包括著色、虹膜和瞳孔。古埃及的這尊雕像以及其它相似雕像如此生動(dòng)，以至于當(dāng)圍觀者在雕像周?chē)邉?dòng)時(shí)，雕像的眼神似乎會(huì)跟著轉(zhuǎn)動(dòng)。

這座書(shū)記官雕像的眼睛展示了古埃及的科技、殯葬藝術(shù)和人體解剖學(xué)知識(shí)在久遠(yuǎn)的那個(gè)年代就有如此造詣，他們制造了第一個(gè)產(chǎn)生光學(xué)效果的透明鏡片。第一批已知的鏡片（切割并拋光的黑曜石）甚至可以追溯到8000年前。

如今，玻璃鏡片無(wú)處不在，它們對(duì)于文檔掃描或手機(jī)拍照等任務(wù)至關(guān)重要；巨型望遠(yuǎn)鏡中應(yīng)用了先進(jìn)的光學(xué)玻璃和反射鏡對(duì)宇宙進(jìn)行成像；醫(yī)生還使用可以看到身體內(nèi)部的微型相機(jī)鏡頭來(lái)提供先進(jìn)的醫(yī)療診斷。

預(yù)計(jì)到2028年，玻璃光學(xué)行業(yè)的全球市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到250億美元以上。該行業(yè)需要訓(xùn)練有素的專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員利用先進(jìn)的軟件和硬件來(lái)生產(chǎn)光學(xué)元件。利用這些光學(xué)元件可以幫助我們看到所有能夠看到一切。

據(jù)麥姆斯咨詢(xún)介紹，光學(xué)元件制造的一場(chǎng)新革命已經(jīng)到來(lái)，或?qū)⒊蔀槔^玻璃之后的第二個(gè)重要突破。那便是超構(gòu)透鏡（Metalens），它們由亞波長(zhǎng)納米結(jié)構(gòu)或納米鰭（nanofin）組成排列在圖像傳感器表面上，其成像品質(zhì)逐漸接近最先進(jìn)的商業(yè)透鏡。

對(duì)于這一變革很重要的是，超構(gòu)透鏡可以大規(guī)模量產(chǎn)，使用深紫外光刻技術(shù)蝕刻到襯底上（與制造先進(jìn)半導(dǎo)體芯片的工藝相同）。這種可擴(kuò)展性非常重要，尤其是對(duì)于消費(fèi)電子應(yīng)用。對(duì)于這些應(yīng)用，尺寸、成本和快速批量制造能力是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)成敗的關(guān)鍵。

超構(gòu)光學(xué)廠商的創(chuàng)始人們看到了這項(xiàng)技術(shù)的潛力，并正在努力將這項(xiàng)顛覆性的光學(xué)元件技術(shù)推向市場(chǎng)。在不久的將來(lái)，憑借超構(gòu)光學(xué)技術(shù)，他們預(yù)計(jì)智能手機(jī)將具有無(wú)與倫比的人臉識(shí)別和拍照性能；傳感器將能夠捕捉光偏振信息，實(shí)現(xiàn)前所未有的深度感知，甚至是物體的分子構(gòu)成；而內(nèi)窺鏡攝像頭將進(jìn)一步變小變薄，以至于可以插入人體支氣管，更早期地檢測(cè)癌癥，通過(guò)積極治療挽救更多生命。

Metalenz的一片12英寸晶圓上包含了5000個(gè)超構(gòu)光學(xué)元件

正如哈佛大學(xué)Federico Capasso教授及其同事在2016年首次提出的，超構(gòu)表面（Metasurface）是“界面上亞波長(zhǎng)間隔的移相器，可以前所未有的控制光的特性?！?/p>

Federico Capasso被認(rèn)為是超構(gòu)表面科學(xué)和技術(shù)的先驅(qū)者，基于如何利用費(fèi)馬原理對(duì)光束進(jìn)行任意整形以最小化光路的理解，他認(rèn)為該技術(shù)是一項(xiàng)重大突破。他解釋稱(chēng)，在傳統(tǒng)光學(xué)中，光傳播過(guò)程中累積的逐漸相移被用于塑造光束的波前，例如聚焦光。但這是利用厚而笨重的材料（例如玻璃）實(shí)現(xiàn)的。

但他意識(shí)到，通過(guò)沿光路在亞波長(zhǎng)尺度上引入相位變化，可以獲得塑造光的新自由度。為此，其團(tuán)隊(duì)嘗試了不同方法在光束上加入這種相移，用扁平的納米天線陣列來(lái)重新定向光。隨后在2016年，與當(dāng)時(shí)的研究生Robert C. Devlin（開(kāi)發(fā)了由光刻和原子層沉積定義的TiO2納米鰭超構(gòu)表面）以及博士后研究員Reza Khorasaninejad合作共同開(kāi)發(fā)了第一個(gè)高性能超構(gòu)透鏡。在可見(jiàn)光下工作時(shí)，展示了與當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的復(fù)雜且笨重的顯微鏡物鏡相當(dāng)?shù)木劢剐阅堋?/p>

光學(xué)玻璃制造商感到了壓力

“在某種程度上來(lái)說(shuō)，光學(xué)玻璃制造商感受到了來(lái)自超構(gòu)透鏡的壓力。”Devlin說(shuō)，他現(xiàn)在已經(jīng)是Metalenz的首席執(zhí)行官，該公司由他和Capasso教授共同創(chuàng)立，擁有大約20項(xiàng)超構(gòu)表面技術(shù)專(zhuān)利。他補(bǔ)充說(shuō)：“我的意思是，在某些領(lǐng)域，超構(gòu)表面將取代傳統(tǒng)的透鏡和傳統(tǒng)的光學(xué)元件。另外，這種超構(gòu)光學(xué)元件可以在IC代工廠量產(chǎn)制造，這個(gè)意義很重大?！?/p>

他繼續(xù)說(shuō)：“在很多應(yīng)用中，超構(gòu)表面可以提供實(shí)質(zhì)優(yōu)勢(shì)。盡管玻璃和塑料光學(xué)元件仍然存在一些優(yōu)勢(shì)，但隨著時(shí)間的推移，超構(gòu)表面以及我們正在Metalenz做的產(chǎn)品將占據(jù)越來(lái)越多的市場(chǎng)份額?！?/p>

去年6月，Metalenz宣布，其平面超構(gòu)表面光學(xué)器件正在意法半導(dǎo)體（STMicroelectronic）的半導(dǎo)體工廠制造，成為第一款可商業(yè)化的超構(gòu)表面技術(shù)。意法半導(dǎo)體在宣布這項(xiàng)交易時(shí)表示：“超構(gòu)光學(xué)元件可以在一層中收集更多的光，提供多種功能，并在智能手機(jī)和其他設(shè)備中實(shí)現(xiàn)新的傳感方式，同時(shí)還占用更少的空間?！?/p>

在與Metalenz合作之前，意法半導(dǎo)體采用折射和衍射透鏡制造傳統(tǒng)的傳感器模組?！艾F(xiàn)在，意法半導(dǎo)體正在將Metalenz的超構(gòu)表面光學(xué)技術(shù)添加到飛行時(shí)間（ToF）傳感器模組中?！盌evlin說(shuō)，“他們的傳感器模組已經(jīng)應(yīng)用于200種智能手機(jī)、筆記本電腦和其他應(yīng)用中。這是一種讓消費(fèi)者與其產(chǎn)品交互的一整套光學(xué)設(shè)備，目前出貨量已經(jīng)超過(guò)20億顆。這是一個(gè)相當(dāng)大的市場(chǎng)，我們的超構(gòu)表面有機(jī)會(huì)直接影響用戶體驗(yàn)?！?/p>

對(duì)于加拿大材料科學(xué)公司META Materials來(lái)說(shuō)，改進(jìn)5G寬帶通信只是其超構(gòu)表面技術(shù)的一個(gè)近期應(yīng)用，該技術(shù)面向定制化應(yīng)用通過(guò)人工智能（AI）軟件設(shè)計(jì)工具得到了增強(qiáng)。META Materials的產(chǎn)品并非旨在取代玻璃，他們將超構(gòu)表面集成于透明薄膜，進(jìn)而以高度可控的方式移動(dòng)光學(xué)或無(wú)線電頻率，從而在根本上強(qiáng)化玻璃及其它表面的功能性。

META Materials超構(gòu)表面的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，其超構(gòu)表面是利用電子束光刻和干法蝕刻技術(shù)制造而成的。

5G應(yīng)用和自動(dòng)駕駛等先進(jìn)應(yīng)用

META Materials的Rob Stone表示：“眾所周知，5G信號(hào)在室外尤其是室內(nèi)的傳播和穿透能力表現(xiàn)不佳。因?yàn)樾盘?hào)的頻率更高，它們可以攜帶更多數(shù)據(jù)。但信號(hào)的覆蓋范圍較小，如果遇到環(huán)境中的物體，很容易被吸收或衰減?！?/p>

但他表示，通過(guò)META Materials的NANOWEB透明導(dǎo)電膜可以解決這些問(wèn)題，“NANOWEB是透明的，我們可以將其設(shè)置在窗戶等建筑物的表面，建筑物上方信號(hào)塔發(fā)出的信號(hào)能夠通過(guò)其他建筑物的表面反射，進(jìn)而將信號(hào)引導(dǎo)到5G信號(hào)無(wú)法到達(dá)的盲區(qū)?！?/p>

Stone繼續(xù)介紹：“在建筑內(nèi)部，這些NANOWEB透明導(dǎo)電膜可以控制反射角度，以獲取走廊上的信號(hào)，并使其在拐角處轉(zhuǎn)彎，穿過(guò)大廳，進(jìn)入會(huì)議室。得益于其透明特性，可以在不干擾建筑的情況下覆蓋建筑。并且，還可以在上面噴漆。此外，這一切都是無(wú)源的，它們不需要布線，也不需要電源?！?/p>

相同的平臺(tái)還可以用于高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的透明加熱器?！案叨诵驴钴?chē)型上的激光雷達(dá)和雷達(dá)可以提供先進(jìn)的安全功能，例如自動(dòng)巡航控制和半自動(dòng)駕駛等。但如果有一點(diǎn)霧或冰雪擋住傳感器窗口，所有這些功能都可能失效?！边@種情況下，NANOWEB平臺(tái)可以提供不干擾激光雷達(dá)或雷達(dá)的加熱和EMI屏蔽功能。該技術(shù)可以為車(chē)輛的所有傳感器窗口、整個(gè)擋風(fēng)玻璃或天窗除冰或除霧。

Stone說(shuō)：“我們還可以應(yīng)用電致變色技術(shù)將天窗調(diào)整至所需要的透明度，甚至可以不影響采光和視線的情況下在玻璃中嵌入5G天線?！?/p>

當(dāng)然，NANOWEB透明導(dǎo)電膜的商業(yè)成功還在于其可擴(kuò)展的制造能力，透明膜的卷對(duì)卷（R2R）制造，確保了納米結(jié)構(gòu)波導(dǎo)（結(jié)合高導(dǎo)電性和高透明度）的完整性。

對(duì)于其它初創(chuàng)公司，成功的路徑是利用新型表面（無(wú)論是否采用超構(gòu)表面）來(lái)設(shè)計(jì)傳統(tǒng)折射透鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)的創(chuàng)新光學(xué)系統(tǒng)。例如，醫(yī)療器械公司LeadOptik正在制造一種纖薄3D成像探頭，利用先進(jìn)的衍射光學(xué)技術(shù)進(jìn)行微創(chuàng)癌癥檢測(cè)。與超構(gòu)透鏡一樣，它們也是平面光學(xué)元件，通過(guò)表面特征整形光束以獲得期望的效果。

LeadOptik將多個(gè)平面光學(xué)元件組裝在光纖尖端，以構(gòu)建一種3D醫(yī)學(xué)成像探頭

LeadOptik的目標(biāo)是充分利用折射光學(xué)技術(shù)，并將其與先進(jìn)的衍射光學(xué)技術(shù)相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)一些超構(gòu)表面的特性。其中，最重要的是應(yīng)用平面光學(xué)元件，LeadOptik創(chuàng)始人、首席執(zhí)行官Khorasaninejad說(shuō)：“我們可以構(gòu)建一種亞毫米尺度的自適應(yīng)聚焦技術(shù)。這項(xiàng)核心技術(shù)實(shí)現(xiàn)了世界上第一個(gè)多焦點(diǎn)3D成像探頭，它可以到達(dá)肺部的任何位置并進(jìn)行高分辨率成像。”

縮微的尺寸很重要。首先，在大多數(shù)情況下，癌癥都是從肺部外圍開(kāi)始的，那里的氣道直徑很小，任何其他技術(shù)都很難到達(dá)。其次，當(dāng)我們需要將3D成像探頭與手術(shù)器械集成時(shí)，總是希望成像探頭占用更少的空間。Khorasaninejad說(shuō)：“因?yàn)?，我們肯定不能干擾到手術(shù)器械的機(jī)械部分?！?/p>

就LeadOptik的3D成像探頭而言，它就像光纖尖端的微型可變焦顯微鏡，其目標(biāo)是通過(guò)人類(lèi)肺部的通道導(dǎo)航，能夠高度準(zhǔn)確的定位癌癥病灶并測(cè)量深度信息（例如癌癥病灶的位置和大?。?。

對(duì)于外科醫(yī)生來(lái)說(shuō)，深度是至關(guān)重要的信息，因?yàn)橥饪漆t(yī)生希望切除足夠多的病變組織，使癌癥不會(huì)復(fù)發(fā)。如果所討論的癌癥發(fā)生在大腦中，則信息更為關(guān)鍵。但該公司目前的重點(diǎn)是為醫(yī)生提供一種工具，以更好地診斷肺癌。肺癌是目前惡性腫瘤死亡原因之首。

Khorasaninejad表示，LeadOptik的醫(yī)學(xué)成像技術(shù)有很多潛在應(yīng)用，例如診斷其他類(lèi)型的癌癥。但對(duì)于一家試圖獲得FDA批準(zhǔn)的年輕公司來(lái)說(shuō)，“我們真的只要做對(duì)并做好一件事就行了?！?/p>

對(duì)于像Metalenz、LeadOptik這樣的初創(chuàng)公司來(lái)說(shuō)，他們獲得的風(fēng)險(xiǎn)投資和大公司的興趣表明了超構(gòu)透鏡的吸引力。無(wú)論是否應(yīng)用玻璃，市場(chǎng)對(duì)光學(xué)元件的功能和微型化永遠(yuǎn)沒(méi)有盡頭。即使再過(guò)一千年，古埃及書(shū)記官的“眼睛”仍將見(jiàn)證我們前進(jìn)的每一個(gè)腳印。

審核編輯 ：李倩