超透镜（Metalenses）是使用超表面来聚焦光线的平面透镜。超表面是一系列人工天线，可操纵入射光的光学响应，包括其幅度相位和偏振。超透镜技术为镜头提供了一系列新的轻量化设计选项，而且表面的平坦特性还有助于避免传统曲面镜头中常见的图像变形失真的问题。
超透镜的优点
大多数传统的透镜设计使用凸面或凹面形状来聚焦或扩展入射光束。虽然可以在光轴上实现近乎理想的聚焦，但所得图像可能会因穿过透镜其他区域的光而失真。图像角落的桶形和枕形失真是最常见的一些。
校正镜头像差通常意味着创建定制镜头或多个光学组件，这会增加设备的重量和体积。如果设备需要改变焦点位置或平移光束，则还需要移动透镜组，这可能会进一步导致系统不稳定。
衍射透镜与传统透镜设计相比具有一些优势，因为它们是扁平的并且相对容易以低成本制造。然而，这些镜头的显着缺点之一是存在高阶衍射光线，从而限制了可以实现的图像质量，尤其是在高精度的成像领域。
相比之下，超透镜的设计更加灵活，并且不会出现透射图像中存在更高衍射级的相同问题。目前研究人员都聚焦于为超透镜研发更多的新型表面，这些表面将允许平面透镜改变其聚焦位置，而无需物理改变光学系统中任何组件的位置。许多光学系统由于需要运动光学组件而存在不稳定问题，这限制了它们在手持设备或车载自动驾驶汽车等移动领域的应用。超透镜可能是一个非常方便实际的解决方案。
表面结构
超透镜有两种主要的超表面结构——电介质或等离子体。
介电材料用于许多标准光学元件，还可以制备产生亚波长散射的超表面。如果需要，介电材料可用于在入射光脉冲中引入相位延迟，现在有些介电材料还可用于创建无像差、衍射限制、偏振无关的聚焦，并且其可在广泛的带宽范围内工作。
等离子体激元材料有利于电磁辐射的振幅整形，并且可以在很宽的波长范围内使用。材料中的等离激元模式定义明确，可用于制造透镜，并且各种改性（例如添加层以滤除更高阶等离激元模式）也有助于提高最终元透镜的效率。
超透镜的未来
超透镜（Metalenses）又称超构透镜。是一种二维平面透镜结构，是由超表面（具有亚波长厚度的平面二维 (2D) 超材料）聚焦光的光学元件制成。相比传统透镜，超透镜拥有体积更薄、重量更轻、成本更低、成像更好、更易集成的优点，为紧凑集成的光学系统提供了潜在的解决方案。并且可通过调整结构的形状、旋转方向、高度等参数实现对光的偏振、相位和振幅等属性进行调控。可以用于各种光学应用，比如成像、显示、传感、通信等。
超透镜在单个光学元件中执行复杂波前工程的潜力对于一系列应用非常有吸引力。其使得设备小型化、并提高了光学稳定性和实现比传统镜头更好的聚焦质量，是替代传统透镜的理想选择。然而，超透镜的制造并非易事，因为需要以高精度设计微小结构以在超表面上产生所需的聚焦或其它特定行为。尽管制造面临挑战，但随着设计技术和工艺水平的进步，新的工具不断涌现，商业化的批量制造应该不难攻克。超透镜在过去几年中取得了快速进展，证明它们可用于控制光的基本特性，特别是亚波长结构被称赞为有可能带来“工程光学2.0”的新革命。
以摄像头为例，传统摄像头需要多片透镜来形成光路，但是超透镜一片就够了。超透镜技术恰好能够解决传统透镜的问题。如果采用超透镜，多层传统透镜就能用一片超透镜来替换，模组的高度将大幅减小。如果所有的摄像头透镜都被超透镜所替换，那么现在因摄像头导致的手机厚度问题有望彻底解决。另外，对于尺寸和重量都要求极高的AR/VR眼镜，则更需要超透镜技术。
2011 年，美国哈佛大学 Federico Capasso 教授团队首次提出了“广义斯涅尔定律”，“修订”了原来的定律，以此开始设想一种二维超材料——超表面（Metasurface），与传统的三维材料（天然、超材料）相比，超表面不仅也突破了传统材料电磁参数的局限性，也大幅度缩小了厚度。体积极小，重量轻，易于集成，大幅度降低了电磁波传输损耗，也可实现对入射光振幅、相位、偏振等参量的灵活调控。
2016 年，基于超表面概念，Federico Capasso 教授团队发明了首个超透镜（Metalenses），展示了首个在可见光范围内有效工作的超透镜。他们设计的超透镜可以将光聚焦到一个直径约400nm 的点上。与传统透镜相比，Federico Capasso 教授团队使用了一种薄而扁平的结构，具有多个波导（引导电磁波的结构）——类似微小的柱子——由二氧化钛（TiO2）制成的约 600nm 长的特定图案排列而成，将这种波导称为“纳米鳍”。
超透镜是一种利用纳米结构来聚焦光线的平面透镜，它可以将传统的曲面透镜替换为厚度仅为人类头发丝几分之一的薄片。超透镜不仅可以大大减轻 AR 眼镜的重量和体积，还可以提高图像的质量和分辨率，避免色差和畸变等问题。
超透镜示意图，图源：美国哈佛大学
超透镜工作原理：将折射替换为衍射
与传统透镜技术相比，超透镜可以将传统的折射原理替换为衍射原理。
衍射是指当光线遇到具有微小结构或孔洞的物体时，会发生偏离原来方向或分裂成多束光线的现象。衍射可以用以下公式表示：
其中，d 表示物体上微小结构或孔洞的间距，θ 表示衍射角，m 表示衍射级数（整数），λ 表示光线的波长。衍射公式表明，当物体上微小结构或孔洞的间距与光线波长相当时，会产生最强烈的衍射效果。
利用衍射原理，我们就可以设计出各种各样的超透镜来改变光线的方向和焦点。超透镜是由许多纳米尺度的微小结构组成的平面透镜，这些微小结构可以精确地控制光线通过它们时产生的衍射角和相位差。通过合理地排列这些微小结构，我们就可以使不同颜色和方向的光线在同一点聚焦，从而实现对可见光谱（即白光）的全色聚焦。
多年以来，超透镜技术已经在取得了不少重要进展：
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2019 年，哈佛大学约翰·A·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）开发了一种基于液晶元件的阿尔瓦雷斯（Alvarez）超透镜，它可以通过改变两个平面液晶元件之间的相对位置来连续调节焦距。这种超透镜可以用来解决沉浸式技术设备中常见的视觉-调节冲突（VAC）问题。
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2019 年 5 月，麻省理工学院 (MIT)的数学家公布了他们开发一种计算技术的工作成果，该技术可以快速确定超透镜纳米元素的最佳构成和排列。这将使制造商能够设计超透镜图案以满足特定目标，例如控制颜色或创建不同形状的光束。
来自 NIL Technologies 的绝对效率为 94% 的多元光学元件 (MOE) 透镜
2019 年 7 月，密歇根大学的研究人员宣布了一项新技术，该技术使用一组超透镜将光聚焦成特定图案，而不是单个点。这种方法对任何光束整形应用都有影响，例如激光切割、退火和选择性结晶。
2019 年在 7 月，沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学 ( KAUST ) 的研究人员开发了一种扭曲超透镜薄膜的方法，以进一步控制光的特性。例如，他们开发了一种焦距和强度比可控的双焦超透镜。
2021 年，SEAS 团队还开发出一种 2 毫米的无色超透镜，可以无畸变地聚焦 RGB（红色，蓝色，绿色）颜色，并开发了一种用于 VR 和 AR 的小型显示器;2021年，麻省理工学院的科学家开发了一种超透镜，可将入射的 UVA 光转化为真空紫外线 (VUV) 辐射的聚焦输出，这有可能降低半导体制造的复杂性......
目前有一些产品已经使用了超透镜技术，比如意法公司出品的深度（TOF）传感器VL53L8，它在发射端和接收端都用了来自Metalenz（注意最后一个字母是z不是s）公司的超透镜。
最新进展
当然，超透镜技术并不仅仅只存在于实验室的学术研究阶段。2021 年， Metalenz 宣布已与意法半导体正式签署合作协议，意法半导体将为 Metalenz 的超透镜技术开发制造工艺，生产智能手机、消费电子、医疗和汽车所用的下一代光学传感器。
时过一年，2022 年 6 月， 两家公司的合作成果正式落地于意法半导体新款飞行时间（ToF）传感器产品，并实现了批量出货。这项技术将平面超透镜取代传统折射透镜，可应用于智能手机、笔记本电脑、智能家居设备甚至汽车等大众消费产品。
对于 XR 近眼显示系统而言，超透镜的应用需要更大的尺寸，以及更多的规格要求，这需要更大的市场或者玩家来推动，比如苹果。
据报道，苹果增强现实（AR）眼镜Apple Glasses最早将于2026年或2027年推出，此外他还分享了苹果正在研究的超透镜技术，称该技术将最终被应用于Apple Glasses。
苹果公司正在开发超透镜技术（Metalens），以取代设备中的塑料镜片。该技术将最先适用于Face ID上，然后是相机镜头，最终是AR眼镜。相较于现有的塑料镜片，超透镜的成本更低、且更加薄。
据报告，超透镜将于2024年首次大规模生产，将最先用于iPad Pro的Face ID发射端（Tx）。如果成功，那么该技术将在2025年或2026年采用在iPhone的Face ID上。最终这项技术将用于苹果增强现实（AR）眼镜上。Apple Glasses最早将在2026年或2027年投入量产。
超透镜被描述为一种使用纳米结构聚焦光的平面，有望通过用简单的平面取代目前用于光学设备的笨重的弯曲透镜。
目前这项技术似乎还处于早期阶段，但它有可能在2024年应用于Face ID的微型镜头片。
预计到2028年至2030年，超透镜技术将成为主流，届时将在低端相机或激光雷达设备上替代传统的塑料镜头片。
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