透镜的历史几乎和人类文明一样古老。古埃及人、古希腊人和古巴比伦人都曾发明了用石英打磨成的透镜，以作简单的放大之用。后来，17 世纪的科学家们把透镜组合起来，做出了望远镜和显微镜，从而彻底改变了我们对于宇宙，以及我们在其中的位置的看法。

如今，光刻蚀法又重新发明了透镜。这是一种将亚波长尺度的空间特征雕刻在平板玻璃上的技术。今天，在马萨诸塞州的哈佛大学，Alan She 和他的同事们向我们展示了如何排列这些特征，从而能让我们以一种前所未有的方式控制光的散射。他们说，由此产生的“元透镜”将彻底改变成像技术，开创一个光学处理的新时代。

制作镜片一直以来都是件棘手的事情。通常的做法是把熔融状态的玻璃，或者二氧化硅，浇注到模具中，待其凝固之后，再打磨抛光，制成所需的形状。这是件耗费时间的工作，与微芯片上感光元件的制造过程大有不同。

图 | 用类似于制造硅芯片的方法，元镜片在二氧化硅晶片上被雕刻出来

Alan She 和同事展示了这项技术如何在当下成为可能。该想法的核心是，利用比光的波长还要小的细微空间特征，来巧妙地操纵光线。例如，经过雕刻有与光波长同尺度的平行沟槽的表面的反射，白光会发生色散，被分解成单色光。

图 | 元透镜有高质量成像的能力

尽管物理学家和所谓的衍射光栅打交道已经有几个世纪之久了，光刻法却能通过制造出范围更加广泛的空间特征，以及改变特征的形状和方向，让这一想法更进一步。

自上世纪 60 年代开始，光刻法就在硅芯片上制造出了尺寸越来越小的特征。1970 年，这项技术可以在大约 10 微米（1 微米=10-6 米）的尺度上雕刻形状。到了 1985 年，特征尺寸已经减小到 1 微米，1998 年则变为 250 纳米。而今天，芯片工业制造的特征尺度大约是 10 纳米。

可见光的波长在 400 到 700 纳米之间，因此芯片行业有能力制造这种尺寸的特征已经有一段时间了。不过直到最近，研究者们才开始探究如何将这些特征排列在二氧化硅平面上，以便制作出能够弯曲光线的元透镜。

制造过程一开始，一块二氧化硅晶片的表面沉积着一层薄薄的硅单质，上面又覆盖有光阻材料组成的图案。接着使用紫外线刻蚀的方法，将暴露区域的硅单质去除，再洗去剩余的光阻材料，留下的未暴露的硅就是想要的形状了。

She 和同事使用这一流程制造出周期性排列的硅柱，这一装置能够散射经过它的可见光。通过细致地调节硅柱之间的距离，他的团队可以把光聚焦于一点。

特定的柱间距决定了透镜的精确光学特性。比如，研究者可以通过控制色像差，确定不同颜色的光线在何处聚焦。

用于成像的透镜的色像差必须尽量小，否则就会在像的边缘产生彩色条纹，就像我们在廉价的玩具望远镜里看到的那样。不过对于光谱仪，不同颜色光线必须聚焦于不同焦点，这一点 She 和同事也能做到。

这些透镜还不会受到球面像差的影响，这个问题在普通透镜上很常见，是由镜片的三维球面形状造成的。元透镜是平透镜，因此没有这个问题。实际上，元透镜与物理系本科生在光学课程上学到的“理想透镜”十分相似。

当然，物理学家几十年前就可以造出平透镜了，比如菲涅尔透镜。不过制作过程异常地困难。

关键性的突破是，由于可以使用和微芯片同样的方法制造，具有亚波长表面特征的元透镜能够被大量生产。She 和同事在一个二氧化硅晶片上就做出了几十个元透镜，这种透镜厚度不到 1 微米，直径 20 毫米，焦距长 50 毫米。

“我们的愿景是从机械加工或者模具制作的光学，转变为光刻模式的光学，这样一来光学器件就能用类似于集成电路芯片的规模和精度大量生产，”She 和同事说。

另外，因为十多年前的芯片制造技术就可以做出元透镜，这将给过时的制造厂带来新生。“最先进的设备当然有用，但并不是必需的，”She 和同事说道。

元透镜用途非常广泛。最显而易见的就是成像领域，平透镜将会使成像系统更加轻薄简单。不过最关键的是，由于元透镜可以用和生产感光电子元件同样的流程制造，成本将会大大降低。

于是智能手机、笔记本电脑和增强现实成像系统的相机，突然间将会变得更加轻巧而且成本低廉。元透镜甚至可以被刻蚀在光纤的一端作为内窥镜。

天文学家也会为此拍手称快。这些透镜要比他们发射到太空轨道的庞然大物，例如哈勃太空望远镜里的那些，轻薄得多。新一代的天基天文学和地球观测正在朝着我们招手。

不过这项技术最大的影响可能就产生于芯片本身，它为我们提供了这样的可能性——将复杂光学台式系统集成到芯片中，用于光学处理。

还有更多的进展在酝酿之中。可能性之一是通过电场实时改变元透镜的光学特性，这就为通过电压变化来改变透镜的焦距提供了可能，其更重大的意义在于制造出能够切换光路的透镜。

相关论文 Large Area Metalenses: Design, Characterization, and Mass Manufacturing 已经发布于预印本网站 arXiv 上。