不知从什么时候起，人们对手机背面突出的镜头模组已司空见惯。不带手机壳的情况下，有的手机因为镜头模组突出过多，消息提醒的震动甚至能让手机从桌子上滑下来。从“大哥大”到智能手机，手机薄了这么多，为什么不能把镜头做薄一点？

难以将厚度降低到

令人满意的程度

能把手机镜头做薄一点吗？还真不行。电子部件的小型化让我们逐渐步入信息时代，我们可以在比指甲盖还小的芯片上建立起堪比整个城市的复杂结构，让其中无数条电流都在纳秒的时间尺度上完全按照工程师制定的规则移动。

今天使用的镜头在进光量、相差、色差等成像质量方面已经有所进步，但对于成像光学系统而言，技术一直没有本质上的进步，仿佛基础科技被锁死了一般。

传统镜头在成像时，整颗镜头可以等效成一个凸透镜，但镜头不能只由一个凸透镜组成，因为它存在像差和色差。镜头需要由多片镜片组成，每一片都有各自的职责，有的负责偏转光线，有的负责消除色差，有的负责消除畸变。每一片镜片都需要经过复杂的研磨过程，装配时也需要极高的精度。

摄像头的应用越来越广泛，我们对高质量图像的需求与日俱增。受传统光学镜头原理上的限制，它必须由多片镜片实现，厚度和成本总无法降低到令人满意的程度。

专家正在研究超镜头技术

我们需要的并不是镜头本身，而是镜头最终在传感器上呈现的图像。如果有轻薄简单的结构可以替代传统镜头，那自然再好不过。而超镜头（metalens）这样的光学仪器正好可以满足我们的需求。

超镜头的“metalens”衍生于超材料（metamaterial）和超表面（metasurface）两个概念。超材料超越普通材料的范畴，具备普通物质不具备的特性，是一种由金属、硅和塑料等常规物质构成的特殊人造结构。如果把这种结构整体看成一种物质，它就可能具有特殊性质，比如可能具有负的折射率。

超材料微观结构的尺度决定它能与什么波长的光相互作用。如果将微观结构做到几十、几百纳米的尺度，那它就是可见光的超材料。为了提高光的透射率，可以将所有微观结构都做到一个二维表面上，超材料就变成超表面，其中的每一个微观结构看起来都像一个微小的支柱，作用相当于波导管。超表面可以改变光传播的方向，把它当作镜头来用，就是所谓的超镜头。

一般而言，光学系统为了成像，需要汇聚光的能力。光是一种电磁波，波具有相位属性，同一个相位的电磁波组成的平面被称为波阵面。超镜头上的微观结构，可以按形状、排列方式调整入射电磁波的相位，从而控制波阵面的形状。只要超镜头的微观结构将波阵面的形状调整到汇聚的形状，它的效果就相当于一片凸透镜，就可以成像。

传统镜头需要精细研磨的透镜，超镜头却是一种超薄的平面结构。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，超表面则因为本身超薄，所有波长的光几乎同时通过镜头，因而不会产生色差，是一种消色差镜头。超表面生产起来其实不难，可以由现有的半导体代工厂大规模生产。

所以，如果超镜头的技术成熟，我们只需将感受光线的传感器、提供厚度的玻璃和弯折光线的超镜头叠在一起，就能得到一个近乎完美的镜头：它既能成像，无色差，还没有复杂的镜组结构，厚度也会薄很多，成本也更低。

但是，超镜头技术一直给人一种噱头大于实际的感觉，很少有人能真的给出超镜头技术的实际商用时间。不过，这种现象正在快速转变。

近段时间，南京大学李涛团队使用超透镜技术制造了一种超薄且成像质量优秀的集成单层超镜头阵列广角相机（single-layer metalens array integrated wide-angle camera，MIWC）。MIWC相机尺寸为1×1×0.3厘米，视角为120°，与以往单个超镜头相机相比，MIWC相机中的超镜头阵列可以弥补不同超镜头边缘画质下降问题，实现更高的成像质量。因为该相机仅有CMOS光传感器和超镜头阵列两个部件组成，今后有望在大规模生产中降低成本。

未来，研究团队计划将阵列中单个超镜头的直径从0.3毫米提升到1~5毫米，进一步提升成像质量。