[科普]納米結(jié)構(gòu)改變了微型相機和投影儀
超薄半導(dǎo)體鏡終于將進入消費者手中。
在今天的電腦、電話和其他移動設(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。相機占據(jù)了這寶貴空間中很大的一部分：幾乎各個電子設(shè)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(shè)備中的鏡頭常順利獲得折射來收集和引導(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(zhì)量朝著不同方向開展。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），該設(shè)備由哈佛大學研發(fā)，由Metalenz公司實現(xiàn)商業(yè)化，我是Metalenz公司的一名應(yīng)用工程師。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 運用傳統(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。 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以將多個曲面鏡頭的功能整合在一個設(shè)備中，進一步解決空間緊張的問題，同時為移動設(shè)備中的相機開辟可能的新用途。
在講解超透鏡如何演進和工作前，先看看人們?yōu)槿〈鷤鹘y(tǒng)曲面透鏡所做的一些努力。
從概念上講，操縱光的任何設(shè)備都是順利獲得改變光的三大基本特性來實現(xiàn)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(gòu)成的想法，成為光學領(lǐng)域統(tǒng)領(lǐng)一切的指導(dǎo)原則。
18世紀初，世界上最強大的經(jīng)濟體為了保護自身的航運利益，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(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(shù)的重大進步，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。第一時間，小平面的邊緣會形成雜散光。其次，帶小平面的表面比陸續(xù)在曲面更難制造和精確拋光。這對相機鏡頭是不可行的，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傳感和機器視覺，其根源可追溯至現(xiàn)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(jù)波傳播的距離相互放大或抵消。衍射光學元件（DOE）基于此現(xiàn)象，利用光的波動性產(chǎn)生干涉圖案，即以點陣列、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，許多移動設(shè)備使用衍射光學元件將激光束轉(zhuǎn)換為“結(jié)構(gòu)光”。此種光圖案被投射，由圖像傳感器捕獲，然后順利獲得算法創(chuàng)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(shè)備，但它們不能創(chuàng)建精細的圖像，所以應(yīng)用再次受限。
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(fā)，團隊中包括當時正在讀研究生的羅布?德夫林（Rob Devlin）、研究助理雷扎?霍拉薩尼內(nèi)賈德（Reza Khorasaninejad）和陳韋亭（Wei Ting Chen，音）等人，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， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以順利獲得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(shè)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(jù)偏振來進行光的分類（稍后會詳細介紹）。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 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 最熟悉的鏡頭應(yīng)用——捕捉圖像。
這一過程第一時間是用單色光源（即激光）照亮一個場景。（雖然使用超透鏡捕捉全彩色圖像在概念上是可能的，但它還處于實驗室內(nèi)，距離商業(yè)化還有很長的路要走。）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。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(xiàn)在納米柱上的光子具有相同性質(zhì)； ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以順利獲得設(shè)計和分布納米柱來改變這些屬性。
這個超透鏡單體(用子夾住)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(dǎo)體層構(gòu)成。
數(shù)十年來，世界各地的研究人員不斷在探索超透鏡的概念。
1968年，蘇聯(lián)物理學家維克多?維塞拉戈在《蘇聯(lián)物理學進展》（Soviet Physics Uspekhi）發(fā)表的一篇論文中提出了超材料的概念，他提出了假設(shè)：沒有什么能排除具有負折射率的物質(zhì)存在。此材料與光的相互作用與普通材料迥異。光通常以反射的形式從物質(zhì)上反射回來，但光可繞過超材料，就像水在溪流中繞過巨石一樣。直到2000年，超材料理論才在實驗室中得以實現(xiàn)。那一年，美國加州大學圣地亞哥分校的理查德?A. 謝爾比（Richard A. Shelby）和同事在微波區(qū)展示了一種負折射率的超材料。2001年，他們在美國《科學》雜志上發(fā)表了這一發(fā)現(xiàn)并引起了轟動，因為人們由此想象出了“隱形斗篷”。（細想起來很有趣，但制造這樣的裝置需要精確制造并組裝成千上萬的超表面。）
哈佛大學的費德里科?卡帕索（Federico Capa-sso）實驗室發(fā)明了第一批利用可見光生成高質(zhì)量圖像的超透鏡。2016年，《科學》雜志上發(fā)表了一篇有關(guān)該技術(shù)的研究文章，立即引起了智能手機制造商的興趣。哈佛大學隨后將基礎(chǔ)知識產(chǎn)權(quán)獨家授權(quán)給Metalenz公司，現(xiàn)在，超透鏡已由Metalenz實現(xiàn)商業(yè)化。
那以后，哥倫比亞大學、加州理工學院和華盛頓大學的研究人員與清華大學合作，也展示了這項技術(shù)。
Metalenz所做的大部分開發(fā)工作均涉及對設(shè)備設(shè)計方式的精確調(diào)整。為將分辨率等圖像特征轉(zhuǎn)化為納米尺度的圖案， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 開發(fā)了工具，幫助計算光波與材料相互作用的方式。然后， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 將這些計算轉(zhuǎn)換為可用于標準半導(dǎo)體加工設(shè)備的設(shè)計文件。
最初進入移動成像系統(tǒng)的光學超表面，在只有幾平方毫米的單一平面上有千萬個硅柱，每根硅柱都要經(jīng)過精確調(diào)整，接受正確的光相位，即使有先進軟件的幫助，這一過程也十分艱難。下一代超透鏡不一定需要更多的硅柱，但硅柱的幾何形狀可能更復(fù)雜，比如具有傾斜的邊緣或不對稱的形狀。
2021年，Metalenz走出隱身模式，宣布準備擴大設(shè)備的生產(chǎn)規(guī)模。制造的挑戰(zhàn)程度沒有設(shè)計工作那么大，因為制造超表面使用與集成電路制造相同的材料、光刻和蝕刻工藝。
事實上，超透鏡的制造要求甚至比非常簡單的微芯片還要低，因為它們只需要一個光刻掩模，而微處理器則需要幾十個。這使得超透鏡更不易出現(xiàn)缺陷，成本也更低廉。此外，光學超表面的特征尺寸以數(shù)百納米為單位，而代工廠習慣于制造小于10納米的芯片。
而且，與塑料透鏡不同，超透鏡可在生產(chǎn)其他智能手機芯片的同一家代工廠生產(chǎn)。這意味著它們可以直接在現(xiàn)場與互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）相機芯片集成，而不必運到另一個地方，這進一步降低了成本。
2022年，意法半導(dǎo)體宣布將Metalenz的超表面技術(shù)集成在其FlightSense模塊中。前幾代FlightSense已用于150余種型號的智能手機、無人機、機器人和車輛，以探測距離。內(nèi)置Metalenz技術(shù)的此類產(chǎn)品已進入消費者手中，但意法半導(dǎo)體并未公布具體細節(jié)。
事實上，當前一代超透鏡技術(shù)（在近紅外波長下工作）的最突出效果在于距離感知。對于此項應(yīng)用，許多消費電子公司使用飛行時間系統(tǒng)，該系統(tǒng)有兩組光學器件：一個發(fā)射光，一個接收光。用于發(fā)射的光學器件更為復(fù)雜。該技術(shù)需要多個透鏡，它們將收集的激光轉(zhuǎn)換成平行光波，光學工程師稱之為準直光束；還需要一個衍射光柵，將準直光束變?yōu)辄c陣場。單個超透鏡便可取代所有的發(fā)射和接收光學器件，節(jié)省了設(shè)備空間并降低了成本。
在照明條件不良的情況下，超透鏡能很好地完成點陣場的工作，因為與傳統(tǒng)透鏡相比，它可用較少的能量照亮大片的區(qū)域，將更多光引導(dǎo)至所希望的位置。
超表面光學器件(左圖)能夠從光中捕獲偏振信息，揭示材料的特性并給予深度信息。一個單一的超光學器件(右圖)結(jié)合一組激光發(fā)射器，可為3D傳感創(chuàng)建點狀或線狀的高對比度近紅外圖案
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：光波在空中傳播時的方向，即偏振。未來的超透鏡應(yīng)用將利用該項技術(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，機器視覺系統(tǒng)需要復(fù)雜的光學機械子系統(tǒng)來收集偏振信息。這些系統(tǒng)通常會在傳感器前使用一個旋轉(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順利獲得。然后，監(jiān)測旋轉(zhuǎn)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，所有入射光都能順利獲得。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(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。
利用這項技術(shù)， ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 可以用集成在智能手機、汽車甚至增強現(xiàn)實眼鏡中的微型偏振分析設(shè)備取代昂貴的大型實驗室設(shè)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(jīng)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(shè)備還可以幫助實現(xiàn)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(yī)療診斷，例如偏振可用于檢查組織腫瘤病變。
但就像智能手機本身一樣，很難預(yù)測超透鏡將把 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 帶向何處。2008年蘋果公司推出iPhone時，沒人能料到會出現(xiàn)優(yōu)步這樣的公司。同樣，也許超透鏡最令人興奮的應(yīng)用是 ■十大网投正规信誉官网■十大网投靠谱平台 現(xiàn)在還無法想象的。
作者：Robert Gobron
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