元镜头 —— 手机相机的下一场革命

本文系微信公众号《大话成像》，知乎专栏《all in camera》原创文章，转载请注明出处。 大话成像读者QQ 交流群2 ：833282006 大话成像技术论坛：ww.dahuachengxiang.com

本站教学视频《图像传感器技术与应用》《成像系统图像质量调试》《成像算法基础（python版）》 《成像系统镜头光学》《新版图像质量测试测量与国际标准》《新版cmos sensor测试测量与国际标准》《新版数字成像系统42讲》课程大话成像淘宝教育官方网店有售：https://shop322456667.taobao.com/

手机相机模组的小型化一直是个难题，受光学技术限制，手机相机模组很难做得更薄，所以现在的手机机身在相机的位置都会有不同程度的突起。

目前大部分的手机模组内有四到六片不等的镜片，装在镜筒里，这些镜片有的是凸透镜有的是凹透镜，起到汇聚或者发散光线的作用，最终实现光线聚焦在图像传感器上的功能。镜片与镜片之间要有一定的间距，这样光线才可以在镜片之间被偏折，这也就决定了模组的高度很难做的更薄。

应对这一挑战的一种方法是使用'平面光学器件’。也就是不再用凸透镜或者凹透镜的传统光学方法来控制光线，而是用一个平面镜头（flat lens）来控制光线偏折。平面光学也不算新鲜事物，多年来，平面光学一直使用衍射光学技术实现。最近这些年，平面镜头出现了一些技术突破，采用一种称为'超表面 meta surface’的新技术，而这种技术做出来的镜头被叫做'元镜头 （metalens） 或者 超镜头’。元镜头表面的亚波长纳米结构（超表面）如下图所示。

在传统镜头中，玻璃是精确弯曲的，因此入射光束以不同的角度从镜头折射，会聚在一定距离外的一点，称为镜头的焦距。然后，这些镜头可以在该特定距离处生成任何物体的清晰图像。要对不同距离的物体成像，必须物理移动镜头。

元镜头是通过纳米结构的超表面设计和排列组成，超表面能够为入射光赋予定制的偏振、振幅和相位，也可以实现光线的汇聚功能。

超表面可以通过光刻方式大量生产，从而实现微型和多功能超表面光学元件（元镜头）。元透镜作为超表面光学元件的一个例子，受到了广泛关注，被世界经济论坛和科学美国人誉为2019年十大新兴技术之一，该小组正致力于开发大直径、高效率和消色差的超透镜，用于成像、照明、虚拟现实和增强现实等方面的应用。

传统镜头改变对焦点通常需要通过倾斜、滑动或以其他方式移动镜头，需要机械部件的帮助，这些部件也增加了镜头的体积，麻省理工学院的工程师们制造了一种可调谐的“元透镜”，可以在多个深度聚焦物体，而不需要改变元镜头的物理位置或形状。

麻省理工的科学家说，他们设计的元透镜不是由固体玻璃制成，而是由一种透明的“相变”材料制成，加热后可以重新排列其原子结构，从而改变材料与光相互作用的方式。他们采用微小的、精确图案化的结构蚀刻材料表面，这些结构作为“超表面”一起工作，以独特的方式折射或反射光。随着材料特性的变化，超表面的光学功能也随之变化。在这种情况下，当材料处于室温时，超表面会聚焦光线以生成一定距离外物体的清晰图像。材料被加热后，其原子结构发生变化，作为响应，超表面将光重新定向以聚焦在更远的物体上。

通过这种方式，新的主动“元透镜”可以在不需要笨重的机械元件的情况下调整其焦点。目前在红外波段内成像的新颖设计可能会实现更灵活的光学设备，例如无人机的微型热像仪、手机的超小型热像仪和低调的夜视镜。

实验表明，超透镜可以在没有任何机械运动的情况下主动改变焦点。研究人员表示，超透镜有可能与集成的微加热器一起制造，以通过短毫秒脉冲快速加热材料。通过改变加热条件，他们还可以调整到其他材料的中间状态，从而实现连续的焦点调整。

有传言说apple正在与哈佛大学出来的一个创业公司Metalenz合作，在手机前置面部识别相机（Apple TrueDepthCamera ）中使用metalens技术，这一技术可以帮助减小iphone前面刘海的面积，并且可以节省功耗。