摘要：如今，智能手机、笔记本电脑、汽车、监控系统、飞机以及从高空拍摄地球图像的卫星上都配备了摄像头。随着机械、光学和电子元件小型化进程的不断推进，研究人员面临着一个重大挑战：如何在不降低图像质量的前提下设计出更小、更轻且更节能的相机。

撰文| 钱亚光

编辑| 张 南

设计| 荆 芥

如今，智能手机、笔记本电脑、汽车、监控系统、飞机以及从高空拍摄地球图像的卫星上都配备了摄像头。随着机械、光学和电子元件小型化进程的不断推进，研究人员面临着一个重大挑战：如何在不降低图像质量的前提下设计出更小、更轻且更节能的相机。

平面光学器件被认为是一种极具吸引力的新型成像和传感方式，可用于替代和增强折射光学器件。

科学家们正在探索超平光学元件，以替代大多数相机中笨重的镜头。

与传统的曲面玻璃或塑料镜头不同，这种超构透镜（Metalens）利用极薄的纳米结构层来操控光线。这些结构使其体积和重量只有标准镜头的数1%甚至数千分之一。

超构透镜作为新一代光学超构表面（metasurfaces），可用于紧凑成像、传感和显示应用，能够以高自由度设计入射光的相位、偏振、频率、振幅、角动量等参数，以满足应用需求，因此在平面光学领域引发广泛关注。实现超构透镜应用面临的重大挑战在于高效制备具有高分辨率、高鲁棒性和均匀图案化的大尺寸纳米结构。

然而，一个主要障碍依然存在：一种名为“色差”的视觉畸变限制了超平透镜在使用大光圈（镜头中允许光线进入的开口）时捕捉清晰、全彩图像的能力，即不同颜色的光线无法在同一点上聚焦。

随着光圈变大，这个问题会变得更加严重。多年来，科学家们一直认为这是一个无法突破的限制。人们认为，虽然大光圈可以引入更多光线并提高图像亮度，但这种畸变长期以来一直阻碍着超平透镜达到与传统相机相同的全彩图像质量。

几十年来，研究人员一直认为这是一个无法克服的难题。

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美国高校团队打破“大孔径禁区”

2025年3月，《自然・通讯》杂志发表的一项研究，彻底颠覆了这一长期的认知。由华盛顿大学电子与计算机工程系阿尔卡・马宗达教授团队，联合普林斯顿大学菲利克斯・海德教授团队开发的新型超构透镜，首次实现了大孔径下的高质量全彩成像，其性能可与传统镜头媲美。

▲上图展示了标准折射透镜与该研究团队开发的超构透镜的对比。这种超构透镜的尺寸和厚度比标准透镜小数百倍。当它取代传统相机镜头或镜头组时，可以显著节省体积、减轻重量并延长设备电池续航时间。图片来源：Liz Sabol / 普林斯顿大学

这支跨校研究团队开发的超构透镜，核心厚度仅 1 微米，即使加上支撑基板，总厚度也不过 300 微米 —— 相当于四根头发丝叠加的宽度。与传统相机镜头相比，它的体积和重量都只有前者的 1%，却能实现 f/2 的大光圈（光圈越大，进光量越多，图像亮度和暗部细节表现越好）。

“过去人们认为，超构透镜的孔径越大，能聚焦的颜色就越少。但我们通过‘光学硬件 + AI 算法’的协同设计，突破了这一限制。” 论文第一作者之一、华盛顿大学研究助理教授约翰内斯・弗罗赫（Johannes Fröch）解释道。

团队的创新之处在于，没有孤立地优化超构透镜的纳米结构，而是将其与计算后端视为一个 “整体系统”。他们在成像系统中集成了基于概率扩散的神经网络 —— 当超构透镜捕捉到光线信号后，AI 算法会实时处理数据，修正色差、降低噪声、优化色彩还原，最终输出的图像在清晰度、色彩准确度上，与传统相机拍摄的画面几乎无差别。

“人们尝试过纯粹基于物理学或启发式的手工光学设计来解决这个问题，但我们的工作是将其视为一个计算问题。”另一位第一作者北卡罗来纳大学教堂山分校计算机科学系助理教授普拉尼特·查克拉瓦图拉（Praneeth Chakravarthula）说，“我们使用人工智能工具来确定这些透镜结构的形状以及相应的计算方法。”查克拉瓦图拉在进行这项研究时是普林斯顿大学海德实验室的博士后研究员。

▲华盛顿大学电子与计算机工程系研究助理教授约翰内斯·弗罗赫（左）和北卡罗来纳大学教堂山分校计算机科学系助理教授普拉尼特·查克拉瓦图拉。图片来源：华盛顿大学

该团队在光学系统的计算后端集成了人工智能——一种基于概率扩散的神经网络。这个AI驱动的后端接收来自超平面光学元件的数据，并输出雾度更低、色彩更准确、色调更鲜艳、降噪效果更好的图像。最终生成的彩色图像质量极高，几乎与传统相机拍摄的图像无异。

“以前，我总是从系统的光学方面考虑问题。”弗罗赫说，“但这个项目让我真正意识到，如果你考虑整个系统，然后尝试利用每个部分的优势——光学元件和计算后端——它们可以协同工作，从而产生我们在这里展示的非常好的图像质量。”

“我们的研究不是终点，而是为超构透镜的应用打开了一扇新大门。” 马宗达教授表示，团队下一步计划探索超构透镜在 “多模态成像” 中的应用，例如捕捉人眼不可见的偏振光、红外光，为自动驾驶激光雷达、生物医学传感等领域提供新方案。

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超构透镜将改变什么

超构透镜的突破，不仅仅是光学器件的升级，更将引发整个成像产业链的变革，深刻影响我们的生活。

在消费电子领域，除了手机、相机的小型化，超构透镜还将推动“可穿戴成像设备”的普及。例如，集成超构透镜的智能眼镜，可实现轻薄化设计，同时具备高分辨率拍照、AR（增强现实）显示等功能。

在医疗健康领域，基于超构透镜的内窥镜，直径可缩小到 1 毫米以下，能深入人体毛细血管、胆管等细微通道，帮助医生更早发现病变；在眼科手术中，超构透镜可替代传统人工晶状体，不仅体积更小、植入更安全，还能根据患者需求调整焦距。

在航空航天领域，卫星搭载超构透镜成像系统后，重量可减少50%以上，在轨运行时的能耗降低 40%；在深空探测中，超构透镜的抗辐射能力更强，可在月球、火星等恶劣环境下稳定工作。

在自动驾驶领域，超构透镜的引入，可将激光雷达的体积缩小到拳头大小，成本降低至千元级别，同时提升探测距离和精度，为自动驾驶的大规模应用扫清障碍。

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光明前景下的现实挑战

尽管超构透镜在实验室中展现出颠覆性潜力，但从科研成果到大规模商用，仍需跨越多重技术与产业壁垒。

首先，产业化会遇到制造精度与规模的平衡难题。超构透镜的性能高度依赖纳米结构的制造精度，但高精度制造与大规模量产之间存在天然矛盾。目前实验室中常用的电子束光刻技术，虽然能实现 5 纳米级精度，但每小时仅能加工数平方厘米的面积，成本高达每平方米数万元，完全无法满足消费电子的量产需求。

其次，产业化会面临极端场景的可靠性考验。消费电子、航空航天等核心应用场景对器件稳定性的要求极为严苛，而超构透镜的纳米结构对环境变化异常敏感。

实验数据显示，传统超构透镜在湿度超过 85% 的环境中放置 24 小时后，会导致聚焦效率下降 20%-40%；在 - 20℃至 60℃的温度循环测试中，基底与纳米结构的热膨胀系数差异会引发结构开裂，使器件完全失效。

第三，商业化会碰到成本控制的难题。

虽然超构透镜的材料成本仅为传统玻璃透镜的 1/10，但设备折旧与工艺复杂度推高了整体成本。一套量产级纳米光刻设备的采购成本超过千万元，而传统透镜的研磨设备成本仅为其 1/20。此外，超构透镜的检测成本远高于传统器件 —— 每片透镜需通过扫描电子显微镜检测纳米结构精度，通过激光干涉仪验证光学性能，单个器件的检测时间长达 5 分钟，是传统透镜的10 倍以上。

第四，面临产业适配性与标准缺失的困境。

超构透镜的应用并非简单的“即插即用”，而是需要整个光学产业链的协同适配。传统相机模组的光学设计软件、封装工艺均基于曲面透镜开发，无法直接应用于超构透镜。而目前全球尚无统一的超构透镜性能评价标准。不同企业采用的测试方法各异，导致下游厂商难以进行性能对比，极大延缓了技术选型与商用进程。

面对产业化挑战，解决方案也在加速成型。制造端，中科院微电子所开发的 “roll-to-roll 纳米压印技术” 将加工速度提升至每小时数十平方米，成本降低 60%；材料端，哈佛大学团队研发的 “硅基复合纳米结构” 将湿度稳定性提升3倍，可在极端环境下稳定工作；标准端，国际光学工程学会（SPIE）已启动超构透镜性能评价标准制定，预计 2026 年完成发布。

从1826年世界上第一张照片诞生，到如今超构透镜开启成像技术新纪元，光学成像走过了近200 年的历程。超构透镜的出现，不仅打破了传统光学的百年桎梏，更让我们看到了 “极致小型化、智能化成像” 的可能，我们观察世界的方式也将迎来全新的变革。

来源：轩辕商业评论