小编的手机镜头突出度还不是很高，但已经不能平放在桌上了。
从身上的厕所，你新买的iPhone 13 Pro Max 1TB的国行远峰青放在桌上，没带手机盒。 使主体突出的镜头在桌子上很不稳定。 突然，电话来了，你的手机不断振动，向着桌边蠕动。 你从厕所出来的瞬间，它在你的注视下掉在了地上。 和手机屏幕一起碎了的，是君子爱财的心。
不知从什么时候开始，突出在人们手机背面的镜头模块变得理所当然，也就没有人吐槽为什么镜头会这么突出机身了。 在没有外壳的情况下，镜头模块可能会过于突出，信息的震动也会导致手机从桌子上滑落。 从老大哥到现在的智能手机，这么多年来手机都变得这么薄了，难道就不能让镜头变薄吗？
还不行。 由于电子部件的小型化，我们正在进入信息时代。 在比指甲盖小的芯片上构建可以与整个城市相媲美的复杂结构，其中无数电流可以在纳秒的时间尺度上按照工程师制定的规则完全移动。 但是，我们今天使用的镜头不仅在入光量、相位差、色差等成像质量方面有所进步，而且在原理上，与1839年路易达盖尔第一次拍摄人时使用的镜头相同
没有本质上的区别。 对成像光学系统来说，技术在本质上没有进步，就像基础科学技术关于“智子”一样。
1839年拍摄的第一个人的照片。 图片来源： Louis Daguerre/public domain
传统镜头在拍摄图像时，整个镜头可以与凸透镜等效。 但是，透镜不能只由一个凸透镜构成。 因为有像差和色差。 于是
镜头必须由多个镜头组成，每个镜头都有各自的作用
有的负责使光偏转，有的负责消除色差，有的负责消除失真。 每个透镜都要经过复杂的研磨过程，组装时也需要极高的精度。 毕竟，光学是人类掌握的最精密的学科，制造芯片的光刻机、检测引力波的激光干涉仪都是光学仪器——
精密的背后，是高昂的成本。
照相机的应用越来越广泛，对高品质图像的需求也越来越高。 无论是自动驾驶还是无人机避障，都需要大量的图像数据。 现在，即使手机的镜头尺寸很小，也可以通过流水线大量生产来降低成本。 然而，受到传统光学镜头原理上的限制，它必须通过多片镜头来实现。
厚度和成本
很难降低到满意的水平。
超镜头我们需要的不是镜头本身，而是镜头最终映在传感器上的图像。 如果有什么轻薄简单的结构代替传统的镜片，那当然可以。 而且，元透镜( metalens )就是这样的光学设备。
看“元”，最多的是元宇宙。 但实际上，在材料学领域很久以前就开始使用这个名词了。 超透镜的“元透镜”也来源于超材料(元矩阵)和超表面)这两个概念。 “Metamaterial”一词来源于希腊语“meta”，意为“超越”。 超材料超越了普通材料的范畴，具有普通物质所没有的特性。
超材料与其说是物质，不如说是由金属、硅、塑料等普通物质构成的特殊人工结构。 如果将这种结构整体视为一种物质，则有可能具有特殊的性质，例如可能具有负折射率。
用电子显微镜收集的可能的超透镜模式的例子。 (图片来源： Science )
超材料微观结构的尺度决定了它能与什么波长的光相互作用。 如果把微观结构定在几十几百纳米的尺度上，那就是可见光的超材料。 同时，由于提高光的透射率，所有的微观结构都可以变成一个二维表面，超材料变成超表面，其中所有的微观结构看起来都像一个微小的支柱，对波导管起着相当的作用。 超表面可以改变光的传播方向，把它作为透镜使用就是超透镜。
用电子显微镜收集的可能的超透镜模式的例子。 (图片来源： SCIENCE 18 Jul 2014 Vol 345、Issue 6194 )
通常，光学系统为了形成影像，需要收集光的能力。 光是电磁波，波具有相位特性，由相同相位的电磁波构成的平面称为波前。 超透镜上的微观结构，
通过以形状、排列调整入射电磁波的相位，能够控制波阵面的形状。 如果超透镜的微观结构将波阵面的形状调整为收敛的形状，就可以得到一枚凸透镜的效果，可以成像。
凸透镜可以通过改变波前来聚集光，波前也可以。 图片来源： Oleg Alexandrov/wikimedia
传统透镜是需要精细研磨的透镜，而超透镜是极薄的平面结构。 具有厚度的透镜会因材料对不同颜色光的折射率不同而产生色差，但超表面本身很超薄，所以即使所有波长的光几乎同时通过透镜也不会产生色差。 实际上是消色差透镜。 而且，更有优势的是，超表面生产其实并不是那么难。 微观重复结构制造能力的提高是过去几十年电子技术进步的最主要动力。 实际上，
超表面可以在现有的半导体代工厂大规模生产。
所以，当超透镜技术成熟后，你只需要将感知光线的传感器、提供厚度的玻璃和弯曲光线的超透镜叠加起来就可以得到
是接近完美的场景。 可以拍摄图像，没有色差，没有复杂的镜组结构，厚度也相当薄——，而且成本更低。
虽然是荟的诅咒，但荟这个词好像有魔的诅咒，一切与之有缘的东西看起来前景都很好，但离落地实际生活，似乎还有很近的距离。
超镜头技术一直给人一种搞笑大于实际的感觉
，实际上很少有人能提供超镜头技术的实用化时间。 但是，这种现象正在迅速变化。
上周，南京大学李涛团队采用超透镜技术，制造出超薄、成像质量优异的集成单层
超透镜阵列广角照相机
( single-layermetalensarrayintegratedwide-angle camera，MIWC )。 相关成果是
Optica
登在杂志上。 MIWC照相机的尺寸为110.3厘米，视野角为120。 与传统的单一超镜头相机相比，MIWC相机的超镜头阵列可以弥补不同超镜头边缘的画质下降，实现更高的成像质量。 另外，由于该照相机仅由CMOS光传感器和超透镜阵列这两个部件构成，因此有望削减大规模生产中的成本。 未来，研究小组计划将阵列中单个超透镜的直径从0.3mm提高到1~5mm，进一步提高图像质量。
传统单个超镜头相机和MIWC相机成像质量的比较。 图片来源： Tao Li，Nanjing University
拍照时，人需要“大光圈”带来的浅景深，使照片背景模糊，凸显主体。 但是，要获取数据，摄像机的景深越大越好，能够同时看到远和近的物体是理想的状态。 昨天，南京大学徐挺团队在《自然通讯》发文，受三叶虫复眼的启发，采用超镜头技术制作了双焦点镜头
超深微型照相机
一张照片可以同时清晰地拍摄3厘米以内和1.7公里外的物体。 相关研究是
《自然通讯》。
双焦点透镜的成像原理图像(图像源： Kelley/NIST ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) ) )。
罗马不是一天建成的，超镜头的发展也需要时间。 目前，超表面的发展越来越快，在超表面技术的帮助下，我们或许可以期待回到那个手机镜头不突出的时代。
执笔：王玉宇
评委：二七
参考链接：
3359 www.eurekalert.org/news-releases/949421
3359 www.radiantvisionsystems.com/zh-Hans/blog/going-meta-how-meta lenses-are-reshaping-future-optics
3359 OPG.optica.org/optica/home.cfm
33559 www.nature.com/articles/s 41467-022-29568-y # auth-ting-Xu
3359 IOP science.IOP.org/article/10.1088/0034-4885/79/7/076401 /元
