撰文| 錢亞光

編輯| 張 南

設(shè)計| 荊 芥

如今，智能手機、筆記本電腦、汽車、監(jiān)控系統(tǒng)、飛機以及從高空拍攝地球圖像的衛(wèi)星上都配備了攝像頭。隨著機械、光學(xué)和電子元件小型化進程的不斷推進，研究人員面臨著一個重大挑戰(zhàn)：如何在不降低圖像質(zhì)量的前提下設(shè)計出更小、更輕且更節(jié)能的相機。

平面光學(xué)器件被認為是一種極具吸引力的新型成像和傳感方式，可用于替代和增強折射光學(xué)器件。

科學(xué)家們正在探索超平光學(xué)元件，以替代大多數(shù)相機中笨重的鏡頭。

與傳統(tǒng)的曲面玻璃或塑料鏡頭不同，這種超構(gòu)透鏡（Metalens）利用極薄的納米結(jié)構(gòu)層來操控光線。這些結(jié)構(gòu)使其體積和重量只有標(biāo)準(zhǔn)鏡頭的數(shù)1%甚至數(shù)千分之一。

超構(gòu)透鏡作為新一代光學(xué)超構(gòu)表面（metasurfaces），可用于緊湊成像、傳感和顯示應(yīng)用，能夠以高自由度設(shè)計入射光的相位、偏振、頻率、振幅、角動量等參數(shù)，以滿足應(yīng)用需求，因此在平面光學(xué)領(lǐng)域引發(fā)廣泛關(guān)注。實現(xiàn)超構(gòu)透鏡應(yīng)用面臨的重大挑戰(zhàn)在于高效制備具有高分辨率、高魯棒性和均勻圖案化的大尺寸納米結(jié)構(gòu)。

然而，一個主要障礙依然存在：一種名為“色差”的視覺畸變限制了超平透鏡在使用大光圈（鏡頭中允許光線進入的開口）時捕捉清晰、全彩圖像的能力，即不同顏色的光線無法在同一點上聚焦。

隨著光圈變大，這個問題會變得更加嚴重。多年來，科學(xué)家們一直認為這是一個無法突破的限制。人們認為，雖然大光圈可以引入更多光線并提高圖像亮度，但這種畸變長期以來一直阻礙著超平透鏡達到與傳統(tǒng)相機相同的全彩圖像質(zhì)量。

幾十年來，研究人員一直認為這是一個無法克服的難題。

01

美國高校團隊打破“大孔徑禁區(qū)”

2025年3月，《自然?通訊》雜志發(fā)表的一項研究，徹底顛覆了這一長期的認知。由華盛頓大學(xué)電子與計算機工程系阿爾卡?馬宗達教授團隊，聯(lián)合普林斯頓大學(xué)菲利克斯?海德教授團隊開發(fā)的新型超構(gòu)透鏡，首次實現(xiàn)了大孔徑下的高質(zhì)量全彩成像，其性能可與傳統(tǒng)鏡頭媲美。

▲上圖展示了標(biāo)準(zhǔn)折射透鏡與該研究團隊開發(fā)的超構(gòu)透鏡的對比。這種超構(gòu)透鏡的尺寸和厚度比標(biāo)準(zhǔn)透鏡小數(shù)百倍。當(dāng)它取代傳統(tǒng)相機鏡頭或鏡頭組時，可以顯著節(jié)省體積、減輕重量并延長設(shè)備電池續(xù)航時間。圖片來源：Liz Sabol / 普林斯頓大學(xué)

這支跨校研究團隊開發(fā)的超構(gòu)透鏡，核心厚度僅 1 微米，即使加上支撐基板，總厚度也不過 300 微米 —— 相當(dāng)于四根頭發(fā)絲疊加的寬度。與傳統(tǒng)相機鏡頭相比，它的體積和重量都只有前者的 1%，卻能實現(xiàn) f/2 的大光圈（光圈越大，進光量越多，圖像亮度和暗部細節(jié)表現(xiàn)越好）。

“過去人們認為，超構(gòu)透鏡的孔徑越大，能聚焦的顏色就越少。但我們通過‘光學(xué)硬件 + AI 算法’的協(xié)同設(shè)計，突破了這一限制。” 論文第一作者之一、華盛頓大學(xué)研究助理教授約翰內(nèi)斯?弗羅赫（Johannes Fr?ch）解釋道。

團隊的創(chuàng)新之處在于，沒有孤立地優(yōu)化超構(gòu)透鏡的納米結(jié)構(gòu)，而是將其與計算后端視為一個 “整體系統(tǒng)”。他們在成像系統(tǒng)中集成了基于概率擴散的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) —— 當(dāng)超構(gòu)透鏡捕捉到光線信號后，AI 算法會實時處理數(shù)據(jù)，修正色差、降低噪聲、優(yōu)化色彩還原，最終輸出的圖像在清晰度、色彩準(zhǔn)確度上，與傳統(tǒng)相機拍攝的畫面幾乎無差別。

“人們嘗試過純粹基于物理學(xué)或啟發(fā)式的手工光學(xué)設(shè)計來解決這個問題，但我們的工作是將其視為一個計算問題。”另一位第一作者北卡羅來納大學(xué)教堂山分校計算機科學(xué)系助理教授普拉尼特·查克拉瓦圖拉（Praneeth Chakravarthula）說，“我們使用人工智能工具來確定這些透鏡結(jié)構(gòu)的形狀以及相應(yīng)的計算方法。”查克拉瓦圖拉在進行這項研究時是普林斯頓大學(xué)海德實驗室的博士后研究員。

▲華盛頓大學(xué)電子與計算機工程系研究助理教授約翰內(nèi)斯·弗羅赫（左）和北卡羅來納大學(xué)教堂山分校計算機科學(xué)系助理教授普拉尼特·查克拉瓦圖拉。圖片來源：華盛頓大學(xué)

該團隊在光學(xué)系統(tǒng)的計算后端集成了人工智能——一種基于概率擴散的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。這個AI驅(qū)動的后端接收來自超平面光學(xué)元件的數(shù)據(jù)，并輸出霧度更低、色彩更準(zhǔn)確、色調(diào)更鮮艷、降噪效果更好的圖像。最終生成的彩色圖像質(zhì)量極高，幾乎與傳統(tǒng)相機拍攝的圖像無異。

“以前，我總是從系統(tǒng)的光學(xué)方面考慮問題。”弗羅赫說，“但這個項目讓我真正意識到，如果你考慮整個系統(tǒng)，然后嘗試利用每個部分的優(yōu)勢——光學(xué)元件和計算后端——它們可以協(xié)同工作，從而產(chǎn)生我們在這里展示的非常好的圖像質(zhì)量。”

“我們的研究不是終點，而是為超構(gòu)透鏡的應(yīng)用打開了一扇新大門。” 馬宗達教授表示，團隊下一步計劃探索超構(gòu)透鏡在 “多模態(tài)成像” 中的應(yīng)用，例如捕捉人眼不可見的偏振光、紅外光，為自動駕駛激光雷達、生物醫(yī)學(xué)傳感等領(lǐng)域提供新方案。

02

超構(gòu)透鏡將改變什么

超構(gòu)透鏡的突破，不僅僅是光學(xué)器件的升級，更將引發(fā)整個成像產(chǎn)業(yè)鏈的變革，深刻影響我們的生活。

在消費電子領(lǐng)域，除了手機、相機的小型化，超構(gòu)透鏡還將推動“可穿戴成像設(shè)備”的普及。例如，集成超構(gòu)透鏡的智能眼鏡，可實現(xiàn)輕薄化設(shè)計，同時具備高分辨率拍照、AR（增強現(xiàn)實）顯示等功能。

在醫(yī)療健康領(lǐng)域，基于超構(gòu)透鏡的內(nèi)窺鏡，直徑可縮小到 1 毫米以下，能深入人體毛細血管、膽管等細微通道，幫助醫(yī)生更早發(fā)現(xiàn)病變；在眼科手術(shù)中，超構(gòu)透鏡可替代傳統(tǒng)人工晶狀體，不僅體積更小、植入更安全，還能根據(jù)患者需求調(diào)整焦距。

在航空航天領(lǐng)域，衛(wèi)星搭載超構(gòu)透鏡成像系統(tǒng)后，重量可減少50%以上，在軌運行時的能耗降低 40%；在深空探測中，超構(gòu)透鏡的抗輻射能力更強，可在月球、火星等惡劣環(huán)境下穩(wěn)定工作。

在自動駕駛領(lǐng)域，超構(gòu)透鏡的引入，可將激光雷達的體積縮小到拳頭大小，成本降低至千元級別，同時提升探測距離和精度，為自動駕駛的大規(guī)模應(yīng)用掃清障礙。

03

光明前景下的現(xiàn)實挑戰(zhàn)

盡管超構(gòu)透鏡在實驗室中展現(xiàn)出顛覆性潛力，但從科研成果到大規(guī)模商用，仍需跨越多重技術(shù)與產(chǎn)業(yè)壁壘。

首先，產(chǎn)業(yè)化會遇到制造精度與規(guī)模的平衡難題。超構(gòu)透鏡的性能高度依賴納米結(jié)構(gòu)的制造精度，但高精度制造與大規(guī)模量產(chǎn)之間存在天然矛盾。目前實驗室中常用的電子束光刻技術(shù)，雖然能實現(xiàn) 5 納米級精度，但每小時僅能加工數(shù)平方厘米的面積，成本高達每平方米數(shù)萬元，完全無法滿足消費電子的量產(chǎn)需求。

其次，產(chǎn)業(yè)化會面臨極端場景的可靠性考驗。消費電子、航空航天等核心應(yīng)用場景對器件穩(wěn)定性的要求極為嚴苛，而超構(gòu)透鏡的納米結(jié)構(gòu)對環(huán)境變化異常敏感。

實驗數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)超構(gòu)透鏡在濕度超過 85% 的環(huán)境中放置 24 小時后，會導(dǎo)致聚焦效率下降 20%-40%；在 - 20℃至 60℃的溫度循環(huán)測試中，基底與納米結(jié)構(gòu)的熱膨脹系數(shù)差異會引發(fā)結(jié)構(gòu)開裂，使器件完全失效。

第三，商業(yè)化會碰到成本控制的難題。

雖然超構(gòu)透鏡的材料成本僅為傳統(tǒng)玻璃透鏡的 1/10，但設(shè)備折舊與工藝復(fù)雜度推高了整體成本。一套量產(chǎn)級納米光刻設(shè)備的采購成本超過千萬元，而傳統(tǒng)透鏡的研磨設(shè)備成本僅為其 1/20。此外，超構(gòu)透鏡的檢測成本遠高于傳統(tǒng)器件 —— 每片透鏡需通過掃描電子顯微鏡檢測納米結(jié)構(gòu)精度，通過激光干涉儀驗證光學(xué)性能，單個器件的檢測時間長達 5 分鐘，是傳統(tǒng)透鏡的10 倍以上。

第四，面臨產(chǎn)業(yè)適配性與標(biāo)準(zhǔn)缺失的困境。

超構(gòu)透鏡的應(yīng)用并非簡單的“即插即用”，而是需要整個光學(xué)產(chǎn)業(yè)鏈的協(xié)同適配。傳統(tǒng)相機模組的光學(xué)設(shè)計軟件、封裝工藝均基于曲面透鏡開發(fā)，無法直接應(yīng)用于超構(gòu)透鏡。而目前全球尚無統(tǒng)一的超構(gòu)透鏡性能評價標(biāo)準(zhǔn)。不同企業(yè)采用的測試方法各異，導(dǎo)致下游廠商難以進行性能對比，極大延緩了技術(shù)選型與商用進程。

面對產(chǎn)業(yè)化挑戰(zhàn)，解決方案也在加速成型。制造端，中科院微電子所開發(fā)的 “roll-to-roll 納米壓印技術(shù)” 將加工速度提升至每小時數(shù)十平方米，成本降低 60%；材料端，哈佛大學(xué)團隊研發(fā)的 “硅基復(fù)合納米結(jié)構(gòu)” 將濕度穩(wěn)定性提升3倍，可在極端環(huán)境下穩(wěn)定工作；標(biāo)準(zhǔn)端，國際光學(xué)工程學(xué)會（SPIE）已啟動超構(gòu)透鏡性能評價標(biāo)準(zhǔn)制定，預(yù)計 2026 年完成發(fā)布。

從1826年世界上第一張照片誕生，到如今超構(gòu)透鏡開啟成像技術(shù)新紀元，光學(xué)成像走過了近200 年的歷程。超構(gòu)透鏡的出現(xiàn)，不僅打破了傳統(tǒng)光學(xué)的百年桎梏，更讓我們看到了 “極致小型化、智能化成像” 的可能，我們觀察世界的方式也將迎來全新的變革。