小编的手机镜头突出程度还不是很高，但已经不能平放在桌子上了。
起身上厕所，你新买的iphone 13 Pro Max 1TB国行远峰蓝放在桌子上，没带手机壳，突出机身的镜头让它在桌子上很不稳定。突然，电话来了，你的手机不断震动，向桌边蠕动。在你从厕所出来的一瞬间，它在你的注视下摔向地面。随手机屏幕一起碎裂的，是君子爱财的心。
不知道从什么时候起，人们手机背面突出的镜头模组感到司空见惯了，再也没有人吐槽为什么镜头突出机身这么多。不带手机壳的情况下，有的手机因为镜头模组突出过多，消息提醒的震动甚至能让手机从桌子上滑下来。从大哥大到现在的智能手机，这么多年来手机已经薄了这么多，难道我们就不能把镜头做薄一点吗？
还真不行。电子部件的小型化让我们逐渐步入了信息时代，我们可以在比指甲盖还小的芯片上建立起堪比整个城市的复杂结构，让其中无数条电流都在纳秒的时间尺度上完全按照工程师制定的规则移动。但是，我们今天使用的镜头，除了在进光量、相差、色差等成像质量方面有所进步，在原理上，和1839年路易·达盖尔第一次拍到人时所使用的镜头并无本质上的区别。对于成像光学系统而言，技术一直没有本质上的进步，仿佛基础科技被“智子”锁死了一般。
第一张拍到人的照片，摄于1839年。图片来源：Louis Daguerre/public domain
传统镜头在成像时，整颗镜头都可以等效成一个凸透镜。但镜头不能只由一个凸透镜组成，因为它存在像差和色差。于是镜头需要由多片镜片组成，每一片都有各自的职责，有的负责偏转光线，有的负责消除色差，有的负责消除畸变。每一片镜片都需要经过复杂的研磨过程，装配时也需要极高的精度。毕竟，光学可是人类掌握的最精密的学科，制造芯片的光刻机，探测引力波的激光干涉仪，都是光学仪器——精密的背后，是居高不下的成本。
摄像头的应用越来越广泛，我们对高质量图像的需求与日俱增。不论是自动驾驶，还是无人机避障，都需要大量成像数据。就算现在手机镜头尺寸较小，也能依靠流水线大批量生产降低成本。但受到传统光学镜头原理上的限制，它必须由多片镜片实现，厚度和成本总是无法降低到令人满意的程度。
超镜头
我们需要的并不是镜头本身，而是镜头最终在传感器上呈现的图像。如果有什么轻薄简单的结构可以替代传统镜头，那自然是再好不过。而超镜头（metalens）就是这样的光学仪器。
看到“meta”，最多让人想到的是元宇宙。但其实，材料学领域很早之前就已经用上这个名词了。超镜头的“metalens”也是衍生于超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）这两个概念。“Metamaterial”一词源自希腊语“meta”，意为“超越”。超材料超越了普通材料的范畴，具备普通物质不具备的特性。与其说超材料是一种物质，不如说它是一种由金属、硅和塑料等常规物质构成的特殊的人造结构。如果把这种结构整体看成一种物质，它就可能具有特殊的性质，比如可能具有负的折射率。
由电子显微镜采集的一种可能的超镜头模式示例。（图片来源：Science）
超材料微观结构的尺度决定了它能与什么波长的光相互作用。如果将微观结构做到几十几百纳米的尺度，那它就是可见光的超材料。同时，为了提高光的透射率，可以将所有微观结构都做到一个二维表面上，超材料就变成了超表面，其中的每一个微观结构看起来都像一个微小的支柱，作用相当于波导管。超表面可以改变光传播的方向，把它当作镜头来用，就是超镜头。
由电子显微镜采集的一种可能的超镜头模式示例。（图片来源：SCIENCE · 18 Jul 2014 · Vol 345, Issue 6194 ）
一般而言，光学系统为了成像，需要的是汇聚光的能力。光是一种电磁波，波具有相位属性，同一个相位的电磁波组成的平面被称为波阵面。超镜头上的微观结构，可以按形状、排列方式调整入射电磁波的相位，从而控制波阵面的形状。只要超镜头的微观结构将波阵面的形状调整到汇聚的形状，那它的效果就相当于一片凸透镜，就可以成像。
凸透镜可以通过改变波阵面汇聚光，波阵面也可以。图片来源：Oleg Alexandrov/wikimedia
传统镜头是需要精细研磨的透镜，而超镜头是一种超薄的平面结构。具有厚度的透镜会因为材料对不同颜色光的折射率不同而产生色差，而超表面则因为本身超薄，所有波长的光几乎同时通过镜头，并不会产生色差，它其实是一种消色差镜头。并且，更具优势的是，超表面生产起来其实并不是很难。对微观重复结构的制造能力的提升，正是过去几十年电子技术进步的最主要动力。事实上，超表面可以由现有的半导体代工厂大规模生产。
所以，如果超镜头的技术成熟，我们只需要将感受光线的传感器、提供厚度的玻璃和弯折光线的超镜头叠在一起，就能得到一个近乎完美的镜头。它能成像，无色差，还没有复杂的镜组结构，厚度也要薄了不少——并且，成本还更低。
Meta的诅咒
不过，meta这个词仿佛有魔咒一般，一切和它沾边的东西看上去前景都那么美好，但距离在实际生活中落地，似乎都有不近的距离。超镜头技术一直给人一种噱头大于实际的感觉，很少有人能真的给出超镜头技术的实际商用时间。不过，这种现象正在快速转变。
上周，南京大学李涛团队使用超透镜技术，制造了一种超薄、且成像质量优秀的集成单层超镜头阵列广角相机（single-layer metalens array integrated wide-angle camera，MIWC）。相关成果发表在Optica杂志上。MIWC相机尺寸为1×1×0.3厘米，视角为120°。与以往单个超镜头相机相比，MIWC相机中的超镜头阵列可以弥补不同超镜头边缘画质下降的问题，实现了更高的成像质量。同时，因为该相机仅有CMOS光传感器和超镜头阵列两个部件组成，有望在大规模生产中降低成本。未来，研究团队计划将阵列中单个超镜头的直径从0.3毫米提升到1到5毫米，从而进一步提升成像质量。
传统单个超镜头相机和MIWC相机的成像质量对比。图片来源：Tao Li, Nanjing University
拍摄人像照片时，人们往往需要“大光圈”带来的浅景深，模糊掉照片背景从而突出主体。但对获取数据而言，相机的景深则是越大越好，能同时看清遥远的和近处的物体是最理想的状态。昨天，南京大学徐挺团队在《自然·通讯》上发文，他们受到三叶虫复眼的启发，用超镜头技术研发出了一种具有双焦镜头的超大景深微型相机，可以在单张照片上同时对3厘米以内和1.7千米以外的物体清晰成像。相关研究发表于《自然·通讯》。
双焦透镜的成像原理示意图（图片来源：Kelley/NIST）
罗马不是一天建成的，超镜头的发展也需要时间。现在，超表面的发展越来越快，或许可以期待，在超表面技术的帮助下，我们能回到那个手机镜头不突出的年代。
撰文：王昱
审校：二七
参考链接：
https://www.eurekalert.org/news-releases/949421
https://www.radiantvisionsystems.com/zh-hans/blog/going-meta-how-metalenses-are-reshaping-future-optics
https://opg.optica.org/optica/home.cfm
https://www.nature.com/articles/s41467-022-29568-y#auth-Ting-Xu
https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/79/7/076401/meta
