变革传统光学元件，超构透镜加速商业化

在巴黎卢浮宫博物馆展出的古埃及“书记官坐像（Seated Scribe）”是一尊石灰石彩绘雕像，高53.7厘米，是埃及古王国时期雕刻艺术的最高水平代表之一。“书记官”向外凝视，在他腿上摊开着一卷纸莎草书，像是随时准备做记录。这座雕塑看起来就像4500年前刚埋入撒哈拉沙漠时一样栩栩如生。

不过，该雕像最引人注目的是书记官的眼睛。它们可以说是最原始的镜片，由透明石英雕刻而成，然后与其它材料组装在一起复制人眼的外观，包括着色、虹膜和瞳孔。古埃及的这尊雕像以及其它相似雕像如此生动，以至于当围观者在雕像周围走动时，雕像的眼神似乎会跟着转动。

这座书记官雕像的眼睛展示了古埃及的科技、殡葬艺术和人体解剖学知识在久远的那个年代就有如此造诣，他们制造了第一个产生光学效果的透明镜片。第一批已知的镜片（切割并抛光的黑曜石）甚至可以追溯到8000年前。

如今，玻璃镜片无处不在，它们对于文档扫描或手机拍照等任务至关重要；巨型望远镜中应用了先进的光学玻璃和反射镜对宇宙进行成像；医生还使用可以看到身体内部的微型相机镜头来提供先进的医疗诊断。

预计到2028年，玻璃光学行业的全球市场规模将达到250亿美元以上。该行业需要训练有素的专业技术人员利用先进的软件和硬件来生产光学元件。利用这些光学元件可以帮助我们看到所有能够看到一切。

据麦姆斯咨询介绍，光学元件制造的一场新革命已经到来，或将成为继玻璃之后的第二个重要突破。那便是超构透镜（Metalens），它们由亚波长纳米结构或纳米鳍（nanofin）组成排列在图像传感器表面上，其成像品质逐渐接近最先进的商业透镜。

对于这一变革很重要的是，超构透镜可以大规模量产，使用深紫外光刻技术蚀刻到衬底上（与制造先进半导体芯片的工艺相同）。这种可扩展性非常重要，尤其是对于消费电子应用。对于这些应用，尺寸、成本和快速批量制造能力是一项创新技术成败的关键。

超构光学厂商的创始人们看到了这项技术的潜力，并正在努力将这项颠覆性的光学元件技术推向市场。在不久的将来，凭借超构光学技术，他们预计智能手机将具有无与伦比的人脸识别和拍照性能；传感器将能够捕捉光偏振信息，实现前所未有的深度感知，甚至是物体的分子构成；而内窥镜摄像头将进一步变小变薄，以至于可以插入人体支气管，更早期地检测癌症，通过积极治疗挽救更多生命。

Metalenz的一片12英寸晶圆上包含了5000个超构光学元件

正如哈佛大学Federico Capasso教授及其同事在2016年首次提出的，超构表面（Metasurface）是“界面上亚波长间隔的移相器，可以前所未有的控制光的特性。”

Federico Capasso被认为是超构表面科学和技术的先驱者，基于如何利用费马原理对光束进行任意整形以最小化光路的理解，他认为该技术是一项重大突破。他解释称，在传统光学中，光传播过程中累积的逐渐相移被用于塑造光束的波前，例如聚焦光。但这是利用厚而笨重的材料（例如玻璃）实现的。

但他意识到，通过沿光路在亚波长尺度上引入相位变化，可以获得塑造光的新自由度。为此，其团队尝试了不同方法在光束上加入这种相移，用扁平的纳米天线阵列来重新定向光。随后在2016年，与当时的研究生Robert C. Devlin（开发了由光刻和原子层沉积定义的TiO2纳米鳍超构表面）以及博士后研究员Reza Khorasaninejad合作共同开发了第一个高性能超构透镜。在可见光下工作时，展示了与当时最先进的复杂且笨重的显微镜物镜相当的聚焦性能。

光学玻璃制造商感到了压力

“在某种程度上来说，光学玻璃制造商感受到了来自超构透镜的压力。”Devlin说，他现在已经是Metalenz的首席执行官，该公司由他和Capasso教授共同创立，拥有大约20项超构表面技术专利。他补充说：“我的意思是，在某些领域，超构表面将取代传统的透镜和传统的光学元件。另外，这种超构光学元件可以在IC代工厂量产制造，这个意义很重大。”

他继续说：“在很多应用中，超构表面可以提供实质优势。尽管玻璃和塑料光学元件仍然存在一些优势，但随着时间的推移，超构表面以及我们正在Metalenz做的产品将占据越来越多的市场份额。”

去年6月，Metalenz宣布，其平面超构表面光学器件正在意法半导体（STMicroelectronic）的半导体工厂制造，成为第一款可商业化的超构表面技术。意法半导体在宣布这项交易时表示：“超构光学元件可以在一层中收集更多的光，提供多种功能，并在智能手机和其他设备中实现新的传感方式，同时还占用更少的空间。”

在与Metalenz合作之前，意法半导体采用折射和衍射透镜制造传统的传感器模组。“现在，意法半导体正在将Metalenz的超构表面光学技术添加到飞行时间（ToF）传感器模组中。”Devlin说，“他们的传感器模组已经应用于200种智能手机、笔记本电脑和其他应用中。这是一种让消费者与其产品交互的一整套光学设备，目前出货量已经超过20亿颗。这是一个相当大的市场，我们的超构表面有机会直接影响用户体验。”

对于加拿大材料科学公司META Materials来说，改进5G宽带通信只是其超构表面技术的一个近期应用，该技术面向定制化应用通过人工智能（AI）软件设计工具得到了增强。META Materials的产品并非旨在取代玻璃，他们将超构表面集成于透明薄膜，进而以高度可控的方式移动光学或无线电频率，从而在根本上强化玻璃及其它表面的功能性。

META Materials超构表面的扫描电子显微镜（SEM）图像，其超构表面是利用电子束光刻和干法蚀刻技术制造而成的。

5G应用和自动驾驶等先进应用

META Materials的Rob Stone表示：“众所周知，5G信号在室外尤其是室内的传播和穿透能力表现不佳。因为信号的频率更高，它们可以携带更多数据。但信号的覆盖范围较小，如果遇到环境中的物体，很容易被吸收或衰减。”

但他表示，通过META Materials的NANOWEB透明导电膜可以解决这些问题，“NANOWEB是透明的，我们可以将其设置在窗户等建筑物的表面，建筑物上方信号塔发出的信号能够通过其他建筑物的表面反射，进而将信号引导到5G信号无法到达的盲区。”

Stone继续介绍：“在建筑内部，这些NANOWEB透明导电膜可以控制反射角度，以获取走廊上的信号，并使其在拐角处转弯，穿过大厅，进入会议室。得益于其透明特性，可以在不干扰建筑的情况下覆盖建筑。并且，还可以在上面喷漆。此外，这一切都是无源的，它们不需要布线，也不需要电源。”

相同的平台还可以用于高级驾驶辅助系统（ADAS）的透明加热器。“高端新款车型上的激光雷达和雷达可以提供先进的安全功能，例如自动巡航控制和半自动驾驶等。但如果有一点雾或冰雪挡住传感器窗口，所有这些功能都可能失效。”这种情况下，NANOWEB平台可以提供不干扰激光雷达或雷达的加热和EMI屏蔽功能。该技术可以为车辆的所有传感器窗口、整个挡风玻璃或天窗除冰或除雾。

Stone说：“我们还可以应用电致变色技术将天窗调整至所需要的透明度，甚至可以不影响采光和视线的情况下在玻璃中嵌入5G天线。”

当然，NANOWEB透明导电膜的商业成功还在于其可扩展的制造能力，透明膜的卷对卷（R2R）制造，确保了纳米结构波导（结合高导电性和高透明度）的完整性。

对于其它初创公司，成功的路径是利用新型表面（无论是否采用超构表面）来设计传统折射透镜无法实现的创新光学系统。例如，医疗器械公司LeadOptik正在制造一种纤薄3D成像探头，利用先进的衍射光学技术进行微创癌症检测。与超构透镜一样，它们也是平面光学元件，通过表面特征整形光束以获得期望的效果。

LeadOptik将多个平面光学元件组装在光纤尖端，以构建一种3D医学成像探头

LeadOptik的目标是充分利用折射光学技术，并将其与先进的衍射光学技术相结合，以实现一些超构表面的特性。其中，最重要的是应用平面光学元件，LeadOptik创始人、首席执行官Khorasaninejad说：“我们可以构建一种亚毫米尺度的自适应聚焦技术。这项核心技术实现了世界上第一个多焦点3D成像探头，它可以到达肺部的任何位置并进行高分辨率成像。”

缩微的尺寸很重要。首先，在大多数情况下，癌症都是从肺部外围开始的，那里的气道直径很小，任何其他技术都很难到达。其次，当我们需要将3D成像探头与手术器械集成时，总是希望成像探头占用更少的空间。Khorasaninejad说：“因为，我们肯定不能干扰到手术器械的机械部分。”

就LeadOptik的3D成像探头而言，它就像光纤尖端的微型可变焦显微镜，其目标是通过人类肺部的通道导航，能够高度准确的定位癌症病灶并测量深度信息（例如癌症病灶的位置和大小）。

对于外科医生来说，深度是至关重要的信息，因为外科医生希望切除足够多的病变组织，使癌症不会复发。如果所讨论的癌症发生在大脑中，则信息更为关键。但该公司目前的重点是为医生提供一种工具，以更好地诊断肺癌。肺癌是目前恶性肿瘤死亡原因之首。

Khorasaninejad表示，LeadOptik的医学成像技术有很多潜在应用，例如诊断其他类型的癌症。但对于一家试图获得FDA批准的年轻公司来说，“我们真的只要做对并做好一件事就行了。”

对于像Metalenz、LeadOptik这样的初创公司来说，他们获得的风险投资和大公司的兴趣表明了超构透镜的吸引力。无论是否应用玻璃，市场对光学元件的功能和微型化永远没有尽头。即使再过一千年，古埃及书记官的“眼睛”仍将见证我们前进的每一个脚印。

审核编辑 ：李倩