讓鏡頭更小更好的方法——超透鏡

原文作者：Robert Gobron

傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)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(jié)省了空間的同時(shí)，還能夠收集光的偏振信息，進(jìn)一步地檢測到表面紋理、材料類型、穿透深度，將在多種領(lǐng)域發(fā)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(dòng)設(shè)備中，越來越多的傳感器、處理器和其他電子設(shè)備在搶奪空間。相機(jī)占據(jù)了這寶貴空間中很大的一部分：幾乎各個(gè)電子設(shè)備都需要一個(gè)或者兩三個(gè)相機(jī)，甚至更多。相機(jī)中最占用空間的是鏡頭。

移動(dòng)設(shè)備中的鏡頭常通過折射來收集和引導(dǎo)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(tái)小型相機(jī)，需要一個(gè)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(huì)形成各種像差，因此相機(jī)模塊制造商使用多個(gè)鏡片來進(jìn)行補(bǔ)償，從而增加了相機(jī)的體積。

對(duì)于今天的鏡頭，相機(jī)尺寸和圖像質(zhì)量朝著不同方向發(fā)展。使鏡頭更小更好的唯一方法是使用不同的技術(shù)取代折光鏡片。

這種技術(shù)是存在的。它便是超透鏡（metalens），研究人員運(yùn)用傳統(tǒng)的半導(dǎo)體加工技術(shù)，在平面上構(gòu)建納米結(jié)構(gòu)來制造超透鏡設(shè)備。這些納米結(jié)構(gòu)利用一種叫做超表面光學(xué)的現(xiàn)象來引導(dǎo)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(fā)直徑的2倍。我們可以將多個(gè)曲面鏡頭的功能整合在一個(gè)設(shè)備中，進(jìn)一步解決空間緊張的問題，同時(shí)為移動(dòng)設(shè)備中的相機(jī)開辟可能的新用途。

傳統(tǒng)曲面透鏡的變革

從概念上講，操縱光的任何設(shè)備都是通過改變光的三大基本特性來實(shí)現(xiàn)的，即相位、偏振和強(qiáng)度。1678年，克里斯蒂安?惠更斯提出了任何波或波動(dòng)場都由這些屬性構(gòu)成的想法，成為光學(xué)領(lǐng)域統(tǒng)領(lǐng)一切的指導(dǎo)原則。

18世紀(jì)初，一些國家格外重視用更大、更強(qiáng)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(jié)構(gòu)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(xué)家奧古斯丁-讓?菲涅耳意識(shí)到，如果把一個(gè)透鏡切成小平面，便可削減透鏡中心的大部分厚度，同時(shí)保持光學(xué)功率不變。菲涅耳透鏡代表了光學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步，現(xiàn)在有許多應(yīng)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(huì)形成雜散光。其次，帶小平面的表面比連續(xù)曲面更難制造和精確拋光。這對(duì)相機(jī)鏡頭是不可行的，產(chǎn)生優(yōu)質(zhì)圖像需要較高的表面精度。

另一種方法如今廣泛應(yīng)用于3D傳感和機(jī)器視覺，其根源可追溯至現(xiàn)代物理學(xué)最著名的實(shí)驗(yàn)之一：1802年托馬斯?楊進(jìn)行的光衍射實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)表明，光具有波的特性，相遇時(shí)可以根據(jù)波傳播的距離相互放大或抵消。衍射光學(xué)元件（DOE）基于此現(xiàn)象，利用光的波動(dòng)性產(chǎn)生干涉圖案，即以點(diǎn)陣列、網(wǎng)格或任意數(shù)量的形狀形成的明與暗交替的區(qū)域。今天，許多移動(dòng)設(shè)備使用衍射光學(xué)元件將激光束轉(zhuǎn)換為“結(jié)構(gòu)光”。此種光圖案被投射，由圖像傳感器捕獲，然后通過算法創(chuàng)建場景的3D地圖。這些微小的衍射光學(xué)元件非常適合小型設(shè)備，但它們不能創(chuàng)建精細(xì)的圖像，所以應(yīng)用再次受限。

超透鏡閃亮登場

此時(shí)，超透鏡登場了。超透鏡由哈佛大學(xué)費(fèi)德里科?卡帕索（Federico Capasso）團(tuán)隊(duì)開發(fā)，它的工作方式與其他任何一種方法均有本質(zhì)上的不同。

超透鏡是扁平的玻璃表面，上面有一層半導(dǎo)體。在半導(dǎo)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(tǒng)折射透鏡無法做到的。

假如有一個(gè)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(diǎn)場，許多智能設(shè)備利用這些肉眼看不見的點(diǎn)測量距離、繪制房間圖或人的面部圖；還可以根據(jù)偏振來進(jìn)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(yīng)用——捕捉圖像。

這一過程首先是用單色光源（即激光）照亮一個(gè)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(zhuǎn)化為振動(dòng)。這種振動(dòng)被稱為等離激元，沿著柱身傳播。當(dāng)能量到達(dá)柱底時(shí)，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(xiàn)在納米柱上的光子具有相同性質(zhì)，通過設(shè)計(jì)和分布納米柱可以改變這些屬性。

這個(gè)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(gè)12英寸的晶圓可容納多達(dá)1萬個(gè)超透鏡，它們由單一的半導(dǎo)體層構(gòu)成。

檢測光偏振的微型利器

傳統(tǒng)的成像系統(tǒng)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(shí)的方向，即偏振。未來的超透鏡應(yīng)用將利用該項(xiàng)技術(shù)能力的優(yōu)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(fā)超透鏡之前，機(jī)器視覺系統(tǒng)需要復(fù)雜的光學(xué)機(jī)械子系統(tǒng)來收集偏振信息。這些系統(tǒng)通常會(huì)在傳感器前使用一個(gè)旋轉(zhuǎn)的偏振器，偏振器的結(jié)構(gòu)像柵欄一樣，只允許以特定角度定向的波通過。然后，監(jiān)測旋轉(zhuǎn)角度如何影響到達(dá)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(gè)的光學(xué)元件，基于光的偏振，將光定向至圖像傳感器的指定區(qū)域。例如，若光線沿x軸偏振，超表面的納米結(jié)構(gòu)將把光引導(dǎo)到圖像傳感器的某個(gè)區(qū)域。若光線沿x軸45度偏振，光將被引導(dǎo)至別的區(qū)域。然后，軟件可以用所有偏振狀態(tài)信息重建圖像。

利用這項(xiàng)技術(shù)，我們可以用集成在智能手機(jī)、汽車甚至增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡中的微型偏振分析設(shè)備取代昂貴的大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備。智能手機(jī)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(jīng)硬化還是需要更多時(shí)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(xiǎn)，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(shè)備還可以幫助實(shí)現(xiàn)防欺詐面部識(shí)別，因?yàn)楣鈴囊粋€(gè)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(yuǎn)程醫(yī)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(yīng)用是或許會(huì)令我們更加興奮。

編輯：黃飛