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超透镜技术将带人类向何处
发布时间:2023-11-14    来源:Robert Gobron   阅读次数:4652 分享到:
超薄半导体镜终于将进入消费者手中。

在今天的电脑、电话和其他移动设备中,越来越多的传感器、处理器和其他电子设备在抢夺空间。相机占据了这宝贵空间中很大的一部分:几乎各个电子设备都需要一个或者两三个相机,甚至更多。相机中最占用空间的是镜头。
移动设备中的镜头常通过折射来收集和引导入射光,使用透明材料(通常是塑料)的曲线使光线弯曲。因此这些镜头无法再缩小了:要制造一台小型相机,需要一个短焦镜头;但焦距越短,曲率越大,因而中心也越厚。高度弯曲的镜头也会形成各种像差,因此相机模块制造商使用多个镜片来进行补偿,从而增加了相机的体积。
对于今天的镜头,相机尺寸和图像质量朝着不同方向发展。使镜头更小更好的唯一方法是使用不同的技术取代折光镜片。
这种技术是存在的。它便是超透镜(metalens),该设备由哈佛大学研发,由Metalenz公司实现商业化,我是Metalenz公司的一名应用工程师。我们运用传统的半导体加工技术,在平面上构建纳米结构来制造超透镜设备。这些纳米结构利用一种叫做超表面光学的现象来引导和聚焦光线。超透镜可以非常薄,仅有几百微米厚,大约是人头发直径的2倍。我们可以将多个曲面镜头的功能整合在一个设备中,进一步解决空间紧张的问题,同时为移动设备中的相机开辟可能的新用途。

在讲解超透镜如何演进和工作前,先看看人们为取代传统曲面透镜所做的一些努力。
从概念上讲,操纵光的任何设备都是通过改变光的三大基本特性来实现的,即相位、偏振和强度。1678年,克里斯蒂安?惠更斯提出了任何波或波动场都由这些属性构成的想法,成为光学领域统领一切的指导原则。
18世纪初,世界上最强大的经济体为了保护自身的航运利益,格外重视用更大、更强的投射透镜建造灯塔。然而,随着这些投射透镜越来越大,它们的重量也越来越重。因此,可放置于灯塔顶部并在结构上起支撑作用的透镜物理尺寸限制了灯塔光束的功率。
法国物理学家奥古斯丁-让?菲涅耳意识到,如果把一个透镜切成小平面,便可削减透镜中心的大部分厚度,同时保持光学功率不变。菲涅耳透镜代表了光学技术的重大进步,现在有许多应用,包括汽车前灯和刹车灯、头顶投影仪,还有灯塔投射透镜。然而,菲涅耳透镜有其局限性。首先,小平面的边缘会形成杂散光。其次,带小平面的表面比连续曲面更难制造和精确抛光。这对相机镜头是不可行的,产生优质图像需要较高的表面精度。
另一种方法如今广泛应用于3D传感和机器视觉,其根源可追溯至现代物理学最著名的实验之一:1802年托马斯?杨进行的光衍射实验。该实验表明,光具有波的特性,相遇时可以根据波传播的距离相互放大或抵消。衍射光学元件(DOE)基于此现象,利用光的波动性产生干涉图案,即以点阵列、网格或任意数量的形状形成的明与暗交替的区域。今天,许多移动设备使用衍射光学元件将激光束转换为“结构光”。此种光图案被投射,由图像传感器捕获,然后通过算法创建场景的3D地图。这些微小的衍射光学元件非常适合小型设备,但它们不能创建精细的图像,所以应用再次受限。

此时,超透镜登场了。超透镜由哈佛大学费德里科?卡帕索(Federico Capasso)团队开发,团队中包括当时正在读研究生的罗布?德夫林(Rob Devlin)、研究助理雷扎?霍拉萨尼内贾德(Reza Khorasaninejad)和陈韦亭(Wei Ting Chen,音)等人,它的工作方式与其他任何一种方法均有本质上的不同。
超透镜是扁平的玻璃表面,上面有一层半导体。在半导体上蚀刻出一排排几百纳米高的柱体。这些纳米柱可以操纵光波,其控制水平是传统折射透镜无法做到的。

假如有一个长满海草的浅沼泽,海浪来袭,海草前后摇摆,花粉飞入空中。如果把入射波比作光,把纳米柱比作海草的茎,你就能想象出纳米柱的特性(包括它的高度、厚度和与其他纳米柱相邻的位置)如何改变穿过透镜的光的分布。
利用超透镜的能力,我们可以通过多种方式改变和利用光:可以散射和投射光作为红外点场,许多智能设备利用这些肉眼看不见的点测量距离、绘制房间图或人的面部图;还可以根据偏振来进行光的分类(稍后会详细介绍)。不过,要解释如何使用这些超表面作为镜头,最好的办法是看看我们最熟悉的镜头应用——捕捉图像。
这一过程首先是用单色光源(即激光)照亮一个场景。(虽然使用超透镜捕捉全彩色图像在概念上是可能的,但它还处于实验室内,距离商业化还有很长的路要走。)场景中的物体将光线向四面反射。有些光线被反射向超透镜,超透镜的纳米柱朝外冲着场景。被反射回的光子撞在纳米柱的顶部,将其能量转化为振动。这种振动被称为等离激元,沿着柱身传播。当能量到达柱底时,它以光子的形式存在,然后可被图像传感器捕获。这些光子不需要和那些出现在纳米柱上的光子具有相同性质;我们可以通过设计和分布纳米柱来改变这些属性。

数十年来,世界各地的研究人员一直在探索超透镜的概念。
1968年,苏联物理学家维克多?维塞拉戈在《苏联物理学进展》(Soviet Physics Uspekhi)发表的一篇论文中提出了超材料的概念,他提出了假设:没有什么能排除具有负折射率的物质存在。此材料与光的相互作用与普通材料迥异。光通常以反射的形式从物质上反射回来,但光可绕过超材料,就像水在溪流中绕过巨石一样。直到2000年,超材料理论才在实验室中得以实现。那一年,美国加州大学圣地亚哥分校的理查德?A. 谢尔比(Richard A. Shelby)和同事在微波区展示了一种负折射率的超材料。2001年,他们在美国《科学》杂志上发表了这一发现并引起了轰动,因为人们由此想象出了“隐形斗篷”。(细想起来很有趣,但制造这样的装置需要精确制造并组装成千上万的超表面。)

哈佛大学的费德里科?卡帕索(Federico Capa-sso)实验室发明了第一批利用可见光生成高质量图像的超透镜。2016年,《科学》杂志上发表了一篇有关该技术的研究文章,立即引起了智能手机制造商的兴趣。哈佛大学随后将基础知识产权独家授权给Metalenz公司,现在,超透镜已由Metalenz实现商业化。
那以后,哥伦比亚大学、加州理工学院和华盛顿大学的研究人员与清华大学合作,也展示了这项技术。
Metalenz所做的大部分开发工作均涉及对设备设计方式的精确调整。为将分辨率等图像特征转化为纳米尺度的图案,我们开发了工具,帮助计算光波与材料相互作用的方式。然后,我们将这些计算转换为可用于标准半导体加工设备的设计文件。
最初进入移动成像系统的光学超表面,在只有几平方毫米的单一平面上有千万个硅柱,每根硅柱都要经过精确调整,接受正确的光相位,即使有先进软件的帮助,这一过程也十分艰难。下一代超透镜不一定需要更多的硅柱,但硅柱的几何形状可能更复杂,比如具有倾斜的边缘或不对称的形状。
2021年,Metalenz走出隐身模式,宣布准备扩大设备的生产规模。制造的挑战程度没有设计工作那么大,因为制造超表面使用与集成电路制造相同的材料、光刻和蚀刻工艺。
事实上,超透镜的制造要求甚至比非常简单的微芯片还要低,因为它们只需要一个光刻掩模,而微处理器则需要几十个。这使得超透镜更不易出现缺陷,成本也更低廉。此外,光学超表面的特征尺寸以数百纳米为单位,而代工厂习惯于制造小于10纳米的芯片。
而且,与塑料透镜不同,超透镜可在生产其他智能手机芯片的同一家代工厂生产。这意味着它们可以直接在现场与互补金属氧化物半导体(CMOS)相机芯片集成,而不必运到另一个地方,这进一步降低了成本。
2022年,意法半导体宣布将Metalenz的超表面技术集成在其FlightSense模块中。前几代FlightSense已用于150余种型号的智能手机、无人机、机器人和车辆,以探测距离。内置Metalenz技术的此类产品已进入消费者手中,但意法半导体并未公布具体细节。
事实上,当前一代超透镜技术(在近红外波长下工作)的最突出效果在于距离感知。对于此项应用,许多消费电子公司使用飞行时间系统,该系统有两组光学器件:一个发射光,一个接收光。用于发射的光学器件更为复杂。该技术需要多个透镜,它们将收集的激光转换成平行光波,光学工程师称之为准直光束;还需要一个衍射光栅,将准直光束变为点阵场。单个超透镜便可取代所有的发射和接收光学器件,节省了设备空间并降低了成本。
在照明条件不良的情况下,超透镜能很好地完成点阵场的工作,因为与传统透镜相比,它可用较少的能量照亮大片的区域,将更多光引导至所希望的位置。

传统的成像系统最多只能收集物体的空间位置、颜色、亮度等信息。
然而,光还携带着一种信息:光波在空中传播时的方向,即偏振。未来的超透镜应用将利用该项技术能力的优势,检测光的偏振。
物体反射光的偏振传递了该物体的各种信息,包括表面纹理、表面材料类型,以及光线在反射回传感器前穿透该材料的深度。在开发超透镜之前,机器视觉系统需要复杂的光学机械子系统来收集偏振信息。这些系统通常会在传感器前使用一个旋转的偏振器,偏振器的结构像栅栏一样,只允许以特定角度定向的波通过。然后,监测旋转角度如何影响到达传感器的光量。
相比之下,超透镜不需要栅栏,所有入射光都能通过。然后,使用单个的光学元件,基于光的偏振,将光定向至图像传感器的指定区域。例如,若光线沿x轴偏振,超表面的纳米结构将把光引导到图像传感器的某个区域。若光线沿x轴45度偏振,光将被引导至别的区域。然后,软件可以用所有偏振状态信息重建图像。
利用这项技术,我们可以用集成在智能手机、汽车甚至增强现实眼镜中的微型偏振分析设备取代昂贵的大型实验室设备。智能手机的偏振仪可以用于鉴别戒指上的石头是钻石还是玻璃,混凝土已经硬化还是需要更多时间,一根昂贵的曲棍球棒是否值得购买,是否存在微小裂缝等。微型偏振仪可以用来检测桥的支撑梁是否有倒塌的危险,道路上的斑块是黑色的冰还是潮湿的水渍,一片绿色是灌木丛还是隐藏坦克的油漆。此类设备还可以帮助实现防欺诈面部识别,因为光从一个人的2D照片上反射的角度不同于3D面部,从硅胶面具上反射的角度也不同于皮肤。手持偏振仪还可以改善远程医疗诊断,例如偏振可用于检查组织肿瘤病变。
但就像智能手机本身一样,很难预测超透镜将把我们带向何处。2008年苹果公司推出iPhone时,没人能料到会出现优步这样的公司。同样,也许超透镜最令人兴奋的应用是我们现在还无法想象的。
作者:Robert Gobron
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