传iPhone17使用的超表面镜头有哪些技术与量产难点？

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撰写：李星

有报道称，iPhone 17将在Dynamic Island上使用超表面镜头技术，特别是通过金属镜头缩小Face ID系统的切口空间。2024年12月，中国媒体My Drivers报道，iPhone 17 Pro将采用金属镜头技术，使Dynamic Island变窄 (iPhone 17 Pro leak unveils surprising metalens and slim bezels - Dataconomy)。这一说法由分析师Jeff Pu在2024年5月首次提出，指出iPhone 17 Pro Max将使用金属镜头缩小Face ID系统 (iPhone 17 Pro Leaked Images Reveal Major Design Overhaul)。然而，2025年1月25日，Ming-Chi Kuo在X上发布帖子，称iPhone 17系列的Dynamic Island大小“几乎没有变化”，与之前的缩小传闻相矛盾 (All iPhone 17 models to have the same size Dynamic Island as the iPhone 16 line)。这一争议反映了信息来源的差异，Kuo作为供应链分析师的可靠性较高，因此Dynamic Island大小可能保持不变的可能性较大。

此外，2023年4月，Kuo曾提到苹果计划从2024年起在iPad上使用金属镜头，iPhone则在2025-2026年跟进 (Apple's new Face ID technology: What to expect in 2024 - gHacks Tech News)，这与iPhone 17的时间线一致，增加了报告的可信度。但具体是否用于Dynamic Island的缩小，仍需进一步验证。

技术实现方式的深入探讨

超表面镜头（metasurface lens）是一种基于纳米结构的平面光学元件，通过操控光线的相位、偏振和幅度实现聚焦等功能，相较传统曲面镜头具有显著优势。传统镜头依赖曲率折射光线，而超表面镜头使用亚波长结构的阵列（如纳米柱）操控光线，厚度可薄至亚毫米 (What are Meta-Optics? - Metalenz)。这使得它们特别适合需要小型化的应用，如智能手机的相机模块和感测系统。    

在iPhone 17的Dynamic Island中，超表面镜头可能用于Face ID系统，包括点投影仪（dot projector）、红外相机和泛光照明器。点投影仪通过镜头投射点阵图案，红外相机捕捉反射光，超表面镜头可用于这两者的光学元件。

Metalenz已开发出用于3D深度感测的金属镜头，适用于类似Face ID的系统，其Polar ID技术使用超表面镜头测量光线的偏振，实现面部识别 (Face ID for Android phones? Here it comes, says Boston startup. - The Boston Globe)。这表明，超表面镜头在红外应用中的可行性较高，特别是在不需要高分辨率成像的场景。    

然而，是否能显著缩小Dynamic Island的尺寸，取决于镜头的横向尺寸和组件布局。研究显示，超表面镜头能减少厚度，但直径可能与传统镜头相当，甚至更大，具体取决于设计 (Multifunctional metasurface lens for imaging and Fourier transform - PMC)。   
Figure 1. Different mechanisms for lens design.

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(a,b) The evolution process from a conventional lens and a Fresnel lens to an ultrathin metasurface lens. The lens types in (a,b) are cylindrical and circular, respectively. (c) The multifunctional lens is designed by integrating two metasurface lenses with different polarities onto a single metasurface. Two sets of nanorod arrays corresponding to a cylindrical lens and a spherical lens are merged together with a displacement vector of (d/2, d/2). d is the distance between neighboring antennas with a value of 500 nm along x and y directions. Each nanorod is 200 nm long, 80 nm wide and 40 nm high. The size of the multifunctional metasurface lens is 333 μm × 333 μm. (d) Scanning electron microscopy (SEM) image of part of the multifunctional lens. The scale bar is 1 μm in the SEM image.    

In order to create the multifunctional lens, two independent designs regarding the positive cylindrical lens and the negative spherical lens are firstly carried out. The phase function for the positive cylindrical lens is

and that for the negative spherical lens is

where λ is the incident wavelength and f is the focal length. Eqs (1) and (2) are sampled and encoded onto two separate nanorod arrays as shown in Fig. 1(a,b), respectively. Under the illumination of RCP light, the desired phase profile is generated by the scattered LCP light from the nanorod arrays. Based on the unique methodology we proposed recently²⁸, the two nanorod arrays are then merged together to construct the multifunctional lens [Fig. 1(c)].      
Figure 3. Imaging property of the multifunctional lens.

Figure 4. Real images obtained on the multifunctional lens under the LCP incident light.    

因此，缩小Dynamic Island可能需要更紧凑的组件排列，而不仅仅是镜头的厚度减少。    

Metalenz的Polar ID 利用元光学技术提取面部轮廓细节等附加信息，并从单个图像中检测人体组织活性。单幅图像中的识别和认证。分辨率比现有的面部身份验证解决方案高得多，因此即使您戴着太阳镜和外科口罩，该系统仍然可以工作。 Polar ID 在 940 纳米的近红外波段工作，可在任何照明条件（白天和夜间、室内和室外）下实现安全的人脸解锁。 

供应链配套情况的全面评估

当前，智能手机相机镜头的传统供应商包括Largan Precision、Sunny Optical和Genius Electronic Optical，主要生产玻璃或塑料曲面镜头。而超表面镜头的供应主要由新兴公司如Metalenz主导。Metalenz已与STMicroelectronics合作，将其金属镜头用于3D感测系统，2022年实现百万级别的出货量 (Metalenz ships millions of its tiny cameras and powers up with $30M B round | TechCrunch)。2023年6月，Metalenz与UMC合作，将超表面光学推向开放市场，标志着大规模生产的可能性 (Metalenz Launches its Metasurface Optics on the Open Market in Partnership with UMC)。    

如果苹果采用超表面镜头，Metalenz和其合作伙伴将成为主要受益者，而传统镜头供应商可能面临市场份额的下降。供应链的转变需要时间，当前超表面镜头的生产能力尚未完全满足智能手机的亿级需求，制造工艺如电子束光刻仍面临成本和效率挑战 (Thin metasurfaces instead of thick lenses - Fraunhofer IOF)。

以下是关键供应商的对比表：

行业投资建议的战略分析

鉴于超表面镜头技术的潜力，投资者应关注Metalenz等领先公司的动态，其与UMC的合作可能带来生产规模的扩大，特别是在智能手机和AR/VR领域的应用。传统镜头供应商如Largan Precision和Sunny Optical可能需要转型，投资于超表面技术或多元化业务，以应对潜在的市场变化。

如果iPhone 17确实采用超表面镜头，这将推动相关技术在智能手机行业的普及，长期来看可能影响光学元件市场的格局。建议投资者密切关注2025年9月iPhone 17发布时的官方信息，以评估技术应用的实际进展。此外，关注Metalenz的合作伙伴如STMicroelectronics和Qualcomm的动态，可能提供更多投资机会。   

总得来说，从行业的技术储备来看，iPhone 17使用超表面镜头技术的可能性存在，但Dynamic Island大小是否缩小仍不确定。技术上，超表面镜头适合Face ID系统，可能带来更薄的设计；供应链上，Metalenz是关键玩家，传统供应商面临挑战；投资上，建议关注新兴技术和传统供应商的转型动态。  

超表面镜头技术与量产工艺分析

材料选择

超表面透镜的材料选择是其光学性能和应用领域的基础，取决于工作波长、折射率和损耗特性。研究表明，材料可分为以下几类：

1.介质材料：

o二氧化钛（TiO2）：因其高折射率（约2.5-2.7）和可见光透明性，广泛用于可见光范围的超表面透镜 (Optical metasurfaces: new generation building blocks for multi-functional optics | Light: Science & Applications)。例如，TiO2纳米鳍用于660 nm波长的金属透镜 (Optical metasurfaces: new generation building blocks for multi-functional optics | Light: Science & Applications)。

o氮化镓（GaN）：同样具有高折射率，适用于可见光和近红外波段，特别在高功率应用中因其热稳定性和宽带隙特性而受青睐 (Design and fabrication of the metasurface lens: (a) A unit cell... | Download Scientific Diagram)。

o氢化非晶硅（a-Si:H）：高折射率且与半导体工艺兼容，常用在红外应用中 (Design and fabrication of the metasurface lens: (a) A unit cell... | Download Scientific Diagram)。    

2.金属材料：

o金和银：因其支持表面等离子体的能力，广泛用于等离子体超表面，特别是在可见光和近红外波段 (Electromagnetic metasurface - Wikipedia)。然而，在可见光范围内，金和银存在吸收损耗，限制了效率。

o铝：成本较低，适用于紫外和可见光应用，因其在短波长下具有较好的反射率 (Metamaterial Lensing Devices - PMC)。

3.复合材料：

o高折射率纳米复合材料：如掺杂氧化锆（ZrO2）纳米颗粒的聚合物，结合了聚合物的加工便利性和无机材料的折射率优势，特别适用于紫外波段 (Tailoring high-refractive-index nanocomposites for manufacturing of ultraviolet metasurfaces | Microsystems & Nanoengineering)。例如，使用80 wt% ZrO2 NPs在MIBK中的转换效率可达62.3% at 325 nm (Tailoring high-refractive-index nanocomposites for manufacturing of ultraviolet metasurfaces | Microsystems & Nanoengineering)。

o其他复合材料如量子点嵌入的树脂，用于发光超表面，增强光致发光特性 (Printable Light-Emitting Metasurfaces with Enhanced Directional Photoluminescence - PubMed)。

材料选择还需考虑加工兼容性、热稳定性和成本。例如，聚合物基材料如PDMS适合柔性超表面，但折射率较低，可能需要复合材料提升性能 (Frontiers | A Review on Metasurface: From Principle to Smart Metadevices)。    

制造技术

超表面透镜的制造技术从原型制作到量产经历了多种方法，具体如下：

1.电子束光刻（EBL）：

oEBL是一种高分辨率光刻技术，可实现亚纳米级特征尺寸，适合原型制作和小型生产 (Thin metasurfaces instead of thick lenses - Fraunhofer IOF)。例如，Fraunhofer IOF使用EBL制作直径近30厘米的超表面，创下世界纪录 (Thin metasurfaces instead of thick lenses - Fraunhofer IOF)。

o缺点是生产速度慢，成本高，不适合大规模量产 (An overview of metasurface fabrication - Planopsim)。

2.深紫外（DUV）投影光刻：

oDUV投影光刻是半导体行业标准技术，可生产大面积超表面，特征尺寸可达20纳米 (Metasurfaces and flat optics | Capasso Group)。Capasso Group展示了使用DUV投影光刻制造厘米级全玻璃金属透镜，聚焦可见光 (Metasurfaces and flat optics | Capasso Group)。

o优点是与现有芯片制造设施兼容，适合量产，但设备和工艺开发成本高 (Recent Advances in MEMS Metasurfaces and Their Applications on Tunable Lens - PMC)。

3.纳米压印光刻（NIL）：

oNIL是一种高吞吐量、低成本的制造方法，通过将模具压入阻剂材料转移图案 (Nanoimprint lithography for high-throughput fabrication of metasurfaces - PMC)。例如，nanoimprinted TiO2 metasurfaces用于全彩成像，显示出量产潜力 (Nanoimprinted TiO2 Metasurfaces with Reduced Meta-Atom Aspect Ratio and Enhanced Performance for Holographic Imaging - PMC)。    

o优点包括高分辨率（亚100纳米）和成本效益，适合大规模生产 (UV-Nanoimprint and Deep Reactive Ion Etching of High Efficiency Silicon Metalenses: High Throughput at Low Cost with Excellent Resolution and ... - MDPI)。

o挑战在于模具耐久性和图案转移的均匀性 (An overview of metasurface fabrication - Planopsim)。

其他方法如双光子聚合（two-photon polymerization）也用于实验室规模的3D打印，但生产效率较低，不适合量产 (An overview of metasurface fabrication - Planopsim)。

量产工艺与参数

量产工艺主要依赖NIL和DUV投影光刻，以下是详细过程和关键参数：

纳米压印光刻（NIL）工艺

1.模具制作：

o使用EBL或DUV光刻制作高分辨率模具，模具材料通常为硅或石英，确保耐用性 (Nanoimprint lithography for high-throughput fabrication of metasurfaces - PMC)。    

o模具特征尺寸需与超表面结构匹配，通常为亚波长尺度。

2.阻剂涂布：

o在基板上涂布阻剂材料，如高折射率聚合物或溶胶-凝胶 (Tailoring high-refractive-index nanocomposites for manufacturing of ultraviolet metasurfaces | Microsystems & Nanoengineering)。

o涂布厚度需控制在亚微米级，确保图案转移精度。

3.压印：

o在特定温度和压力下将模具压入阻剂，温度通常为室温至150°C，压力为10-100 MPa，具体取决于阻剂类型 (Nanoimprint lithography for high-throughput fabrication of metasurfaces - PMC)。

o压印时间通常为几秒至几分钟。

4.固化：

o对于UV-NIL，使用紫外光固化，强度为10-100 mW/cm²，时间为几秒至几分钟 (UV-Nanoimprint and Deep Reactive Ion Etching of High Efficiency Silicon Metalenses: High Throughput at Low Cost with Excellent Resolution and ... - MDPI)。

o对于热NIL，固化温度为80-150°C，时间为5-30分钟 (An overview of metasurface fabrication - Planopsim)。

5.模具释放：

o在固化后分离模具，需确保无粘附，确保图案完整性 (Nanoimprinted TiO2 Metasurfaces with Reduced Meta-Atom Aspect Ratio and Enhanced Performance for Holographic Imaging - PMC)。    

6.后处理：

o如蚀刻将图案转移至底层材料（如硅或TiO2），使用深反应离子蚀刻（DRIE）或等离子体蚀刻 (UV-Nanoimprint and Deep Reactive Ion Etching of High Efficiency Silicon Metalenses: High Throughput at Low Cost with Excellent Resolution and ... - MDPI)。

o后处理可包括金属沉积以增强光学性能。

关键参数表

DUV投影光刻工艺

1.掩模设计：

o设计包含超表面图案的掩模，特征尺寸需满足分辨率要求 (Metasurfaces and flat optics | Capasso Group)。    

2.光阻涂布：

o涂布光敏阻剂，厚度通常为100-500 nm (Recent Advances in MEMS Metasurfaces and Their Applications on Tunable Lens - PMC)。

3.曝光：

o使用193 nm或248 nm DUV光源，曝光剂量为10-50 mJ/cm²，数值孔径（NA）为0.6-0.9 (Recent Advances in MEMS Metasurfaces and Their Applications on Tunable Lens - PMC)。

4.显影：

o使用显影液去除曝光或未曝光的阻剂，显影时间为30-60秒。

5.蚀刻：

o将图案转移至底层材料，蚀刻深度需精确控制以匹配设计 (Metamaterial Lensing Devices - PMC)。

关键参数表

超表面透镜的材料选择、制造技术和量产工艺及参数体现了其在光学领域的潜力。介质材料如TiO2和GaN适合可见光应用，金属如金和银用于红外等离子体应用。制造技术以EBL为原型制作，DUV和NIL为量产主选，NIL因成本效益高而更具优势。量产工艺需优化温度、压力和固化条件，确保高分辨率和均匀性。