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光学超透镜--光学界的“下一个当红辣子鸡”
发布时间:2023-09-12    来源:昆仲资本   阅读次数:13115 分享到:
想象一下,沉甸甸的单反相机能够轻如羽毛,薄得就像一张纸。你会怀疑,这是怎么做到的?答案就是:超透镜(MetaLens)。

这不仅是未来的幻想,而是科学正努力实现的目标。如今,科学家们正利用纳米光学结构对光进行控制,让进来的光投射到它该在的地方,这项被称为“超透镜”的技术有望彻底颠覆传统光学。

可以说,超透镜像一位悄无声息的魔术师,用微观的“魔法天线”重新编排了光的舞蹈。不同于传统透镜那种依赖几何形状的粗暴方式,超透镜像一个精致的音乐盒,每一个微小元素都像琴键一样,能够准确地引导光线走向我们期望的方向。

现在,将这个画面从相机扩展到手术室、自动驾驶汽车、甚至远征火星的探测器上。医生可以通过更轻便的内窥镜进行更精确的检查,自动驾驶系统能更准确地识别前方的障碍物,火星探测器能在更轻巧的设备下获得更清晰的星体图像。

在这个由超透镜塑造的全新世界里,会带来哪些变化?

1. 对超透镜的探索:十年磨一剑
超透镜,正式名称为超构透镜或超表面结构透镜,是一种运用先进的光学原理和纳米工艺制造出的二维平面透镜。与传统的透镜相比,超透镜采用了所谓的“超表面”——这是一种具有亚波长厚度的平面二维超材料。其核心机制在于通过改变光的相位、振幅和偏振,以此达成特定的成像或其他光学效应。

超表面作为超透镜的关键组成部分,实质上是一种微纳结构的二维平面。通过精准地调整这些微纳结构(如结构的形状、旋转方向、高度等),科学家能够对入射光的各种属性进行高度特定的调控。这意味着,与传统的多透镜组系统相比,超透镜能够在一个极薄的层面上完成复杂的光学操作。

关于平面超透镜的研究从十年前就开始了,哈佛大学Federico Capasso教授团队从2011年起开始引领超透镜的科研发展方向并进行产业化尝试,于2012年发表了基于纳米单元结构的超构表面透镜设计,并于2016年发表了在可见光谱范围内工作的超透镜,还成功登上了《Science》的封面。

据了解,他们设计的这款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,Capasso教授团队使用了一种特殊的结构,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”。

可以说,从相位梯度、广义折-反射模型到全介质、高透过率的超构透镜,再到单层平面超透镜真正研发出来,已经经历了10年多的时间。

总结来说,相对于传统透镜来说,超透镜主要优势集中在三点:轻薄、便宜、高效。

1. 尺寸与重量

相较于传统透镜的厚度通常在毫米至分米之间,超透镜的厚度仅为百纳米至微米级,相当于人的头发丝的五十分之一。因其体积小、重量轻,使得超透镜在高度紧凑的光学系统中具有无可比拟的优势。

2. 成本效益

传统透镜的生产通常涉及复杂的研磨和抛光过程,而超透镜则通过半导体芯片工艺进行大批量生产,大大降低了生产成本。据统计,大批量生产的超透镜成本仅为传统透镜的25%。

3. 灵活性与集成性

由于其二维平面结构,超透镜更容易与其他电子和光学组件集成,这一特点为各种高精度、小型化的光学应用打开了新的可能。

2. MR眼镜VS自动驾驶:谁会成为第一个“吃螃蟹的人”?
如今,超透镜正在多个领域展示出其强大的应用潜力,主要可落地在超分辨显微成像、全息光学、消色差透镜等方面。作为一项颠覆性的技术,超透镜不仅有可能改变我们与世界互动的方式,更有潜力引领整个光学产业进入一个全新的时代。

VR/AR行业可能“首当其冲”。根据天风国际分析师郭明錤在今年四月份的推文表示,“供应链预计将在2024年量产Apple的Metalens,预计用于取代iPad的Face ID Tx的塑料镜头”。也就是说,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,而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。

尽管苹果当前推出的产品是以空间计算技术(OST)为主的Vision Pro,但苹果AR眼镜向来被认为可能是苹果公司未来最具潜力和影响力的产品之一,也是苹果公司进入下一个十年的重要布局。


但制造一款符合市场需求的AR眼镜并非易事,因其需满足一系列复杂标准,包括但不限于轻量级、舒适度、外观设计、持久性、安全性及智能交互。其中,光学技术的瓶颈尤为明显。

透镜作为AR眼镜的关键组件,负责将显示图像高效聚焦至用户视网膜,以实现清晰、真实的视觉体验。目前市面上大多数AR眼镜仍依赖体积庞大、重量较重的曲面透镜,这不仅对产品的便携性造成限制,还可能导致色差、视场畸变和视疲劳等问题。

这也是为什么苹果会选择研发超透镜技术,因为该技术不仅可以解决XR产品的光学问题,还能解决各类电子数码产品,如手机,相机等产品的光学镜头凸出问题,优化光学。

自动驾驶领域也在超透镜的研发中加快了步伐。

据了解,LG和三星正在研发超透镜,计划将其用于汽车自动驾驶的超薄摄像头。

LG集团旗下负责摄像头开发的子公司LG Innotek, 表示正在开发一种厚度仅有普通玻璃或塑料透镜万分之一的超透镜。LG Innotek首席技术官(CTO)Kang Min-seok也在采访中表示:“我们希望利用超构透镜代替折射透镜来实现超薄摄像头。汽车是我们首个应用目标,后续还将用于各种移动产品和相机。”

2021年,三星也像LG一样在同一个论坛上证实正在研究超透镜,并为超透镜的商业化做准备工作。

尽管当前超透镜正处于从科研实验室到规模化量产探索的初期,但去年以来,早期创业圈已经提前对超透镜技术进行了布局。

2022年6月,超表面光子芯片商天津山河光电科技有限公司宣布已完成由舜宇产业基金和经纬创投联合领投,老股东中科创星持续跟投的数千万元Pre-A轮融资;

今年4月,专注于为AR眼镜研发硅基光学超透镜的Imagia宣布,已完成由Gates Frontier领投,MetaVC Partners和其他投资者参投的450万美元融资。

2022年10月,Metalenz也宣布完成了由Neotribe Ventures领投的3000万美元B轮融资。这家公司是由超表面光学技术的发明者——哈佛大学Federico Capasso教授的课题组孵化并拆分成立的公司,于2017年成立,目前商业化进展最快。2023年6月联华电子宣布已在其位于新加坡的12英寸晶圆制造厂投产Metalenz超构表面制造工艺,OEM的首批商业终端产品将从2023年第三季度开始出货。

由昆仲资本分析师团队根据公开信息整理
3. 昆仲观点:看好超透镜在消费电子赛道的率先应用
超透镜技术在轻便性、成本效益和高效性方面表现出显著优势,理论上有能力取代目前市场上绝大多数光学透镜系统。

然而,由于当前制造工艺的局限性以及在解决可见光及更高频率光的色散方面基础理论的不足,超透镜技术主要还是局限于红外光范畴的应用,例如在光谱仪和ToF(Time-of-Flight)模组中。

预计在未来2-3年内,超透镜将首先在消费电子产品中得到广泛应用。

这是因为,随着“大厂”对超透镜的规模化应用,超透镜工艺将更加稳定且成本可控,并且也有机会拓展更多创新功能,比如利用超透镜获取偏振信息,可用于目标材料属性的识别,未来有望应用于扫地机器人等的精细避障等场景。
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