為什么手機(jī)鏡頭總要凸出來，就不能按進(jìn)去嗎？

     不知道從什么時(shí)候起，人們手機(jī)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(jī)身這么多。不帶手機(jī)殼的情況下，有的手機(jī)因?yàn)殓R頭模組突出過多，消息提醒的震動(dòng)甚至能讓手機(jī)從桌子上滑下來。從大哥大到現(xiàn)在的智能手機(jī)，這么多年來手機(jī)已經(jīng)薄了這么多，難道我們就不能把鏡頭做薄一點(diǎn)嗎？

還真不行。電子部件的小型化讓我們逐漸步入了信息時(shí)代，我們可以在比指甲蓋還小的芯片上建立起堪比整個(gè)城市的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，讓其中無數(shù)條電流都在納秒的時(shí)間尺度上完全按照工程師制定的規(guī)則移動(dòng)。但是，我們今天使用的鏡頭，除了在進(jìn)光量、相差、色差等成像質(zhì)量方面有所進(jìn)步，在原理上，和1839年路易·達(dá)蓋爾第一次拍到人時(shí)所使用的鏡頭并無本質(zhì)上的區(qū)別。對(duì)于成像光學(xué)系統(tǒng)而言，技術(shù)一直沒有本質(zhì)上的進(jìn)步，仿佛基礎(chǔ)科技被“智子”鎖死了一般。


傳統(tǒng)鏡頭在成像時(shí)，整顆鏡頭都可以等效成一個(gè)凸透鏡。但鏡頭不能只由一個(gè)凸透鏡組成，因?yàn)樗嬖谙癫詈蜕?。于是鏡頭需要由多片鏡片組成，每一片都有各自的職責(zé)，有的負(fù)責(zé)偏轉(zhuǎn)光線，有的負(fù)責(zé)消除色差，有的負(fù)責(zé)消除畸變。每一片鏡片都需要經(jīng)過復(fù)雜的研磨過程，裝配時(shí)也需要極高的精度。畢竟，光學(xué)可是人類掌握的最精密的學(xué)科，制造芯片的光刻機(jī)，探測(cè)引力波的激光干涉儀，都是光學(xué)儀器——精密的背后，是居高不下的成本。

攝像頭的應(yīng)用越來越廣泛，我們對(duì)高質(zhì)量圖像的需求與日俱增。不論是自動(dòng)駕駛，還是無人機(jī)避障，都需要大量成像數(shù)據(jù)。就算現(xiàn)在手機(jī)鏡頭尺寸較小，也能依靠流水線大批量生產(chǎn)降低成本。但受到傳統(tǒng)光學(xué)鏡頭原理上的限制，它必須由多片鏡片實(shí)現(xiàn)，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(xiàn)的圖像。如果有什么輕薄簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)可以替代傳統(tǒng)鏡頭，那自然是再好不過。而超鏡頭（metalens）就是這樣的光學(xué)儀器。

看到“meta”，最多讓人想到的是元宇宙。但其實(shí)，材料學(xué)領(lǐng)域很早之前就已經(jīng)用上這個(gè)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(gè)概念?！癕etamaterial”一詞源自希臘語(yǔ)“meta”，意為“超越”。超材料超越了普通材料的范疇，具備普通物質(zhì)不具備的特性。與其說超材料是一種物質(zhì)，不如說它是一種由金屬、硅和塑料等常規(guī)物質(zhì)構(gòu)成的特殊的人造結(jié)構(gòu)。如果把這種結(jié)構(gòu)整體看成一種物質(zhì)，它就可能具有特殊的性質(zhì)，比如可能具有負(fù)的折射率。


超材料微觀結(jié)構(gòu)的尺度決定了它能與什么波長(zhǎng)的光相互作用。如果將微觀結(jié)構(gòu)做到幾十幾百納米的尺度，那它就是可見光的超材料。同時(shí)，為了提高光的透射率，可以將所有微觀結(jié)構(gòu)都做到一個(gè)二維表面上，超材料就變成了超表面，其中的每一個(gè)微觀結(jié)構(gòu)看起來都像一個(gè)微小的支柱，作用相當(dāng)于波導(dǎo)管。超表面可以改變光傳播的方向，把它當(dāng)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(xué)系統(tǒng)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(gè)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(jié)構(gòu)，可以按形狀、排列方式調(diào)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(jié)構(gòu)將波陣面的形狀調(diào)整到匯聚的形狀，那它的效果就相當(dāng)于一片凸透鏡，就可以成像。


傳統(tǒng)鏡頭是需要精細(xì)研磨的透鏡，而超鏡頭是一種超薄的平面結(jié)構(gòu)。具有厚度的透鏡會(huì)因?yàn)椴牧蠈?duì)不同顏色光的折射率不同而產(chǎn)生色差，而超表面則因?yàn)楸旧沓。胁ㄩL(zhǎng)的光幾乎同時(shí)通過鏡頭，并不會(huì)產(chǎn)生色差，它其實(shí)是一種消色差鏡頭。并且，更具優(yōu)勢(shì)的是，超表面生產(chǎn)起來其實(shí)并不是很難。對(duì)微觀重復(fù)結(jié)構(gòu)的制造能力的提升，正是過去幾十年電子技術(shù)進(jìn)步的最主要?jiǎng)恿?。事?shí)上，超表面可以由現(xiàn)有的半導(dǎo)體代工廠大規(guī)模生產(chǎn)。

所以，如果超鏡頭的技術(shù)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(gè)近乎完美的鏡頭。它能成像，無色差，還沒有復(fù)雜的鏡組結(jié)構(gòu)，厚度也要薄了不少——并且，成本還更低。

Meta的詛咒

不過，meta這個(gè)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(shí)際生活中落地，似乎都有不近的距離。超鏡頭技術(shù)一直給人一種噱頭大于實(shí)際的感覺，很少有人能真的給出超鏡頭技術(shù)的實(shí)際商用時(shí)間。不過，這種現(xiàn)象正在快速轉(zhuǎn)變。

上周，南京大學(xué)李濤團(tuán)隊(duì)使用超透鏡技術(shù)，制造了一種超薄、且成像質(zhì)量?jī)?yōu)秀的集成單層超鏡頭陣列廣角相機(jī)（single-layer metalens array integrated wide-angle camera，MIWC）。相關(guān)成果發(fā)表在Optica雜志上。MIWC相機(jī)尺寸為1×1×0.3厘米，視角為120°。與以往單個(gè)超鏡頭相機(jī)相比，MIWC相機(jī)中的超鏡頭陣列可以彌補(bǔ)不同超鏡頭邊緣畫質(zhì)下降的問題，實(shí)現(xiàn)了更高的成像質(zhì)量。同時(shí)，因?yàn)樵撓鄼C(jī)僅有CMOS光傳感器和超鏡頭陣列兩個(gè)部件組成，有望在大規(guī)模生產(chǎn)中降低成本。未來，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將陣列中單個(gè)超鏡頭的直徑從0.3毫米提升到1到5毫米，從而進(jìn)一步提升成像質(zhì)量。


拍攝人像照片時(shí)，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(duì)獲取數(shù)據(jù)而言，相機(jī)的景深則是越大越好，能同時(shí)看清遙遠(yuǎn)的和近處的物體是最理想的狀態(tài)。昨天，南京大學(xué)徐挺團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》上發(fā)文，他們受到三葉蟲復(fù)眼的啟發(fā)，用超鏡頭技術(shù)研發(fā)出了一種具有雙焦鏡頭的超大景深微型相機(jī)，可以在單張照片上同時(shí)對(duì)3厘米以內(nèi)和1.7千米以外的物體清晰成像。相關(guān)研究發(fā)表于《自然·通訊》。


羅馬不是一天建成的，超鏡頭的發(fā)展也需要時(shí)間。現(xiàn)在，超表面的發(fā)展越來越快，或許可以期待，在超表面技術(shù)的幫助下，我們能回到那個(gè)手機(jī)鏡頭不突出的年代。