摄像头变小变平的新魔法——超透镜Metalens技术

原创 52RD 2022-11-29 15:30

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一直以来，由苹果开始兴起的凸起摄像头和突兀刘海屏潮流，备受用户吐槽。在业内，大家也都在增加摄像头、加大感光元件面积、优化计算摄影算法的道路上越走越远。

实际上，为了让镜头模组变小，有一些高校和企业选择改变传统光学镜头的思路，正在研究一种超镜头（Metalens）的应用，有望改善突起和突兀的问题，这种镜头尺寸更小、可以任意调控光波、可以像半导体芯片一样批量制造。

1621年，荷兰数学家威里布里德·斯涅尔首次发明了折射定律（也叫斯涅尔定律），这个我们大多数人初中学到的这条物理定律，也是我们如今用到的传统光学镜头的基础。

几百年后，人们研发出了超材料（Metamaterial），meta指超出另类之意，这种亚波长结构单元（尺寸小于作用波长）的人造材料，由“人工原子”组成物理结构而非化学成分组成，具有任何天然材料不具备的超出物理性质的电磁特性，如负折射率、零折射率这种奇特性质。

典型的超材料有：介电常数和磁导率双负的左手材料；类似于半导体晶体影响电子，控制光子的这种光子晶体；在超宽频带内工作隐身衣。这些均属于超材料，曾入选了美国《科学》杂志年度10项重大进展之一。2010年，科学杂志将超材料列入本世纪前10年的10项重要科学进展之一，后来也被美国国防部列为六大颠覆性基础研究领域之一。

图源：中国科学院光电技术研究所

超材料为多层堆叠的三维结构，加大了电磁波传输损耗，许多超材料有复杂的金属线，给制造组装也也带来了挑战。2011年，美国哈佛大学Federico Capasso教授团队首次提出了广义斯涅尔定律，“修订”了原来的定律，以此开始设想一种二维超材料——超表面（Metasurface），与传统的三维材料（天然、超材料）相比，超表面不仅也突破了传统材料电磁参数的局限性，也大幅度缩小了厚度。体积极小，重量轻，易于集成，大幅度降低了电磁波传输损耗，也可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控。

2016年，基于超表面概念，Federico Capasso教授团队发明了首个超透镜（Metalenses），展示了首个在可见光范围内有效工作的超透镜。他们设计的超透镜可以将光聚焦到一个直径约400nm的点上。与传统透镜相比，Federico Capasso教授团队使用了一种薄而扁平的结构，具有多个波导（引导电磁波的结构）——类似微小的柱子——由二氧化钛（TiO2）制成的约600nm长的特定图案排列而成，将这种波导称为“纳米鳍”。

超透镜示意图，图源：美国哈佛大学

发明超透镜的Federico Capasso教授，图源：美国哈佛大学

一方面，超透镜具有超薄的平面结构不会产生色差，也无色（任何波长光线可以同时穿过）,可以灵活精确调控光的相位、偏振、振幅。而另一方面，超透镜可以使用现有的半导体工厂大规模生产。

超透镜可以灵活调控光波的电磁特性，图源：哈佛大学

超透镜这项技术在被评为2016年美国科学杂志的最佳发现之一，2019年被世界经济论坛、科学美国人评为十大新兴技术之一。

2018年，韩国基础科学研究所（IBS）集成纳米结构物理中心的科学家们与英国伯明翰大学、韩国科学技术院（KAIST）的科学家们一起开发出具有可调功能的、信用卡般厚度的平面镜头。

图源：韩国基础科学研究所（IBS）

2019年，美国西北大学的科研团队开发出一种由金属纳米颗粒和聚合物组成的超透镜，无需改变纳米颗粒的结构，这种可伸缩的方法使得不同的透镜结构可以通过一步擦写制成，在多次擦写循环之后，不会带来明显的纳米特征退化。

从哈佛大学Federico Capasso教授的实验室2016年分拆出来成立的Metalenz公司，2021年与意法半导体正式签署合作协议，意法半导体的新款ToF传感器产品采用了Metalenz的超透镜技术，2022年意法半导体表示实现了批量量产出货，据其介绍，该系列ToF传感器广泛应用于智能手机、无人机、机器人和车辆等，迄今已经售出超过17亿个。

据不完全统计，在超透镜商业领域，国内方面，今年3月和6月迈塔兰斯和山河光电分别获数千万元Pre A轮融资，今年10月Metalenz也宣布获得完成了3000万美元B轮融资。

今年6月意法半导体的一篇推文中，Metalenz联合创始人兼首席执行官Rob Devlin曾表示，其超透镜技术已用于苹果高端手机的基于激光雷达的感知功能。

今年10月，Metalen获得融资后，Rob Devlin表示正在开发出更低成本的面部识别设备，“花一半的价格，买到一半的厚度”。