為什么手機鏡頭總要凸出來，就不能按進去嗎？

     不知道從什么時候起，人們手機背面突出的鏡頭模組感到司空見慣了，再也沒有人吐槽為什么鏡頭突出機身這么多。不帶手機殼的情況下，有的手機因為鏡頭模組突出過多，消息提醒的震動甚至能讓手機從桌子上滑下來。從大哥大到現在的智能手機，這么多年來手機已經薄了這么多，難道我們就不能把鏡頭做薄一點嗎？

還真不行。電子部件的小型化讓我們逐漸步入了信息時代，我們可以在比指甲蓋還小的芯片上建立起堪比整個城市的復雜結構，讓其中無數條電流都在納秒的時間尺度上完全按照工程師制定的規則移動。但是，我們今天使用的鏡頭，除了在進光量、相差、色差等成像質量方面有所進步，在原理上，和1839年路易·達蓋爾第一次拍到人時所使用的鏡頭并無本質上的區別。對于成像光學系統而言，技術一直沒有本質上的進步，仿佛基礎科技被“智子”鎖死了一般。


傳統鏡頭在成像時，整顆鏡頭都可以等效成一個凸透鏡。但鏡頭不能只由一個凸透鏡組成，因為它存在像差和色差。于是鏡頭需要由多片鏡片組成，每一片都有各自的職責，有的負責偏轉光線，有的負責消除色差，有的負責消除畸變。每一片鏡片都需要經過復雜的研磨過程，裝配時也需要極高的精度。畢竟，光學可是人類掌握的最精密的學科，制造芯片的光刻機，探測引力波的激光干涉儀，都是光學儀器——精密的背后，是居高不下的成本。

攝像頭的應用越來越廣泛，我們對高質量圖像的需求與日俱增。不論是自動駕駛，還是無人機避障，都需要大量成像數據。就算現在手機鏡頭尺寸較小，也能依靠流水線大批量生產降低成本。但受到傳統光學鏡頭原理上的限制，它必須由多片鏡片實現，厚度和成本總是無法降低到令人滿意的程度。

超鏡頭

我們需要的并不是鏡頭本身，而是鏡頭最終在傳感器上呈現的圖像。如果有什么輕薄簡單的結構可以替代傳統鏡頭，那自然是再好不過。而超鏡頭（metalens）就是這樣的光學儀器。

看到“meta”，最多讓人想到的是元宇宙。但其實，材料學領域很早之前就已經用上這個名詞了。超鏡頭的“metalens”也是衍生于超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）這兩個概念。“Metamaterial”一詞源自希臘語“meta”，意為“超越”。超材料超越了普通材料的范疇，具備普通物質不具備的特性。與其說超材料是一種物質，不如說它是一種由金屬、硅和塑料等常規物質構成的特殊的人造結構。如果把這種結構整體看成一種物質，它就可能具有特殊的性質，比如可能具有負的折射率。


超材料微觀結構的尺度決定了它能與什么波長的光相互作用。如果將微觀結構做到幾十幾百納米的尺度，那它就是可見光的超材料。同時，為了提高光的透射率，可以將所有微觀結構都做到一個二維表面上，超材料就變成了超表面，其中的每一個微觀結構看起來都像一個微小的支柱，作用相當于波導管。超表面可以改變光傳播的方向，把它當作鏡頭來用，就是超鏡頭。


由電子顯微鏡采集的一種可能的超鏡頭模式示例。（圖片來源：SCIENCE · 18 Jul 2014 · Vol 345， Issue 6194 · pp。 298-302）

一般而言，光學系統為了成像，需要的是匯聚光的能力。光是一種電磁波，波具有相位屬性，同一個相位的電磁波組成的平面被稱為波陣面。超鏡頭上的微觀結構，可以按形狀、排列方式調整入射電磁波的相位，從而控制波陣面的形狀。只要超鏡頭的微觀結構將波陣面的形狀調整到匯聚的形狀，那它的效果就相當于一片凸透鏡，就可以成像。


傳統鏡頭是需要精細研磨的透鏡，而超鏡頭是一種超薄的平面結構。具有厚度的透鏡會因為材料對不同顏色光的折射率不同而產生色差，而超表面則因為本身超薄，所有波長的光幾乎同時通過鏡頭，并不會產生色差，它其實是一種消色差鏡頭。并且，更具優勢的是，超表面生產起來其實并不是很難。對微觀重復結構的制造能力的提升，正是過去幾十年電子技術進步的最主要動力。事實上，超表面可以由現有的半導體代工廠大規模生產。

所以，如果超鏡頭的技術成熟，我們只需要將感受光線的傳感器、提供厚度的玻璃和彎折光線的超鏡頭疊在一起，就能得到一個近乎完美的鏡頭。它能成像，無色差，還沒有復雜的鏡組結構，厚度也要薄了不少——并且，成本還更低。

Meta的詛咒

不過，meta這個詞仿佛有魔咒一般，一切和它沾邊的東西看上去前景都那么美好，但距離在實際生活中落地，似乎都有不近的距離。超鏡頭技術一直給人一種噱頭大于實際的感覺，很少有人能真的給出超鏡頭技術的實際商用時間。不過，這種現象正在快速轉變。

上周，南京大學李濤團隊使用超透鏡技術，制造了一種超薄、且成像質量優秀的集成單層超鏡頭陣列廣角相機（single-layer metalens array integrated wide-angle camera，MIWC）。相關成果發表在Optica雜志上。MIWC相機尺寸為1×1×0.3厘米，視角為120°。與以往單個超鏡頭相機相比，MIWC相機中的超鏡頭陣列可以彌補不同超鏡頭邊緣畫質下降的問題，實現了更高的成像質量。同時，因為該相機僅有CMOS光傳感器和超鏡頭陣列兩個部件組成，有望在大規模生產中降低成本。未來，研究團隊計劃將陣列中單個超鏡頭的直徑從0.3毫米提升到1到5毫米，從而進一步提升成像質量。


拍攝人像照片時，人們往往需要“大光圈”帶來的淺景深，模糊掉照片背景從而突出主體。但對獲取數據而言，相機的景深則是越大越好，能同時看清遙遠的和近處的物體是最理想的狀態。昨天，南京大學徐挺團隊在《自然·通訊》上發文，他們受到三葉蟲復眼的啟發，用超鏡頭技術研發出了一種具有雙焦鏡頭的超大景深微型相機，可以在單張照片上同時對3厘米以內和1.7千米以外的物體清晰成像。相關研究發表于《自然·通訊》。


羅馬不是一天建成的，超鏡頭的發展也需要時間。現在，超表面的發展越來越快，或許可以期待，在超表面技術的幫助下，我們能回到那個手機鏡頭不突出的年代。