由电子显微镜采集的一种可能的超镜头模式示例 。
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 。
【相机|为什么手机镜头总要凸出来，就不能按进去吗？科学家：在按了】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 。
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
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 。
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