文｜昆仲資本
想象一下，沉甸甸的單反相機能夠輕如羽毛，薄得就像一張紙。你會懷疑，這是怎么做到的？答案就是：超透鏡（MetaLens）。
這不僅是未來的幻想，而是科學(xué)正努力實現(xiàn)的目標(biāo)。如今，科學(xué)家們正利用納米光學(xué)結(jié)構(gòu)對光進行控制，讓進來的光投射到它該在的地方，這項被稱為“超透鏡”的技術(shù)有望徹底顛覆傳統(tǒng)光學(xué)。
可以說，超透鏡像一位悄無聲息的魔術(shù)師，用微觀的“魔法天線”重新編排了光的舞蹈。不同于傳統(tǒng)透鏡那種依賴幾何形狀的粗暴方式，超透鏡像一個精致的音樂盒，每一個微小元素都像琴鍵一樣，能夠準(zhǔn)確地引導(dǎo)光線走向我們期望的方向。
現(xiàn)在，將這個畫面從相機擴展到手術(shù)室、自動駕駛汽車、甚至遠(yuǎn)征火星的探測器上。醫(yī)生可以通過更輕便的內(nèi)窺鏡進行更精確的檢查，自動駕駛系統(tǒng)能更準(zhǔn)確地識別前方的障礙物，火星探測器能在更輕巧的設(shè)備下獲得更清晰的星體圖像。
在這個由超透鏡塑造的全新世界里，會帶來哪些變化？
1. 對超透鏡的探索：十年磨一劍
超透鏡，正式名稱為超構(gòu)透鏡或超表面結(jié)構(gòu)透鏡，是一種運用先進的光學(xué)原理和納米工藝制造出的二維平面透鏡。與傳統(tǒng)的透鏡相比，超透鏡采用了所謂的“超表面”——這是一種具有亞波長厚度的平面二維超材料。其核心機制在于通過改變光的相位、振幅和偏振，以此達(dá)成特定的成像或其他光學(xué)效應(yīng)。
超表面作為超透鏡的關(guān)鍵組成部分，實質(zhì)上是一種微納結(jié)構(gòu)的二維平面。通過精準(zhǔn)地調(diào)整這些微納結(jié)構(gòu)（如結(jié)構(gòu)的形狀、旋轉(zhuǎn)方向、高度等），科學(xué)家能夠?qū)θ肷涔獾母鞣N屬性進行高度特定的調(diào)控。這意味著，與傳統(tǒng)的多透鏡組系統(tǒng)相比，超透鏡能夠在一個極薄的層面上完成復(fù)雜的光學(xué)操作。
關(guān)于平面超透鏡的研究從十年前就開始了，哈佛大學(xué)Federico Capasso教授團隊從2011年起開始引領(lǐng)超透鏡的科研發(fā)展方向并進行產(chǎn)業(yè)化嘗試，于2012年發(fā)表了基于納米單元結(jié)構(gòu)的超構(gòu)表面透鏡設(shè)計，并于2016年發(fā)表了在可見光譜范圍內(nèi)工作的超透鏡，還成功登上了《Science》的封面。
據(jù)了解，他們設(shè)計的這款超透鏡可以將光聚焦到一個直徑約400nm的點上。與傳統(tǒng)透鏡相比，Capasso教授團隊使用了一種特殊的結(jié)構(gòu)，具有多個波導(dǎo)（引導(dǎo)電磁波的結(jié)構(gòu)）——類似微小的柱子——由二氧化鈦（TiO2）制成的約600nm長的特定圖案排列而成，將這種波導(dǎo)稱為“納米鰭”。
可以說，從相位梯度、廣義折-反射模型到全介質(zhì)、高透過率的超構(gòu)透鏡，再到單層平面超透鏡真正研發(fā)出來，已經(jīng)經(jīng)歷了10年多的時間。
總結(jié)來說，相對于傳統(tǒng)透鏡來說，超透鏡主要優(yōu)勢集中在三點：輕薄、便宜、高效。
1. 尺寸與重量
相較于傳統(tǒng)透鏡的厚度通常在毫米至分米之間，超透鏡的厚度僅為百納米至微米級，相當(dāng)于人的頭發(fā)絲的五十分之一。因其體積小、重量輕，使得超透鏡在高度緊湊的光學(xué)系統(tǒng)中具有無可比擬的優(yōu)勢。
2. 成本效益
傳統(tǒng)透鏡的生產(chǎn)通常涉及復(fù)雜的研磨和拋光過程，而超透鏡則通過半導(dǎo)體芯片工藝進行大批量生產(chǎn)，大大降低了生產(chǎn)成本。據(jù)統(tǒng)計，大批量生產(chǎn)的超透鏡成本僅為傳統(tǒng)透鏡的25%。
3. 靈活性與集成性
由于其二維平面結(jié)構(gòu)，超透鏡更容易與其他電子和光學(xué)組件集成，這一特點為各種高精度、小型化的光學(xué)應(yīng)用打開了新的可能。
2. MR眼鏡VS自動駕駛：誰會成為第一個“吃螃蟹的人”？
如今，超透鏡正在多個領(lǐng)域展示出其強大的應(yīng)用潛力，主要可落地在超分辨顯微成像、全息光學(xué)、消色差透鏡等方面。作為一項顛覆性的技術(shù)，超透鏡不僅有可能改變我們與世界互動的方式，更有潛力引領(lǐng)整個光學(xué)產(chǎn)業(yè)進入一個全新的時代。
VR/AR行業(yè)可能“首當(dāng)其沖”。根據(jù)天風(fēng)國際分析師郭明錤在今年四月份的推文表示，“供應(yīng)鏈預(yù)計將在2024年量產(chǎn)Apple的Metalens，預(yù)計用于取代iPad的Face ID Tx的塑料鏡頭”。也就是說，蘋果公司正在開發(fā)超透鏡技術(shù)（Metalens），以取代設(shè)備中的塑料鏡片，而該技術(shù)將最先適用于Face ID上，然后是相機鏡頭，最終是AR眼鏡。
盡管蘋果當(dāng)前推出的產(chǎn)品是以空間計算技術(shù)（OST）為主的Vision Pro，但蘋果AR眼鏡向來被認(rèn)為可能是蘋果公司未來最具潛力和影響力的產(chǎn)品之一，也是蘋果公司進入下一個十年的重要布局。
但制造一款符合市場需求的AR眼鏡并非易事，因其需滿足一系列復(fù)雜標(biāo)準(zhǔn)，包括但不限于輕量級、舒適度、外觀設(shè)計、持久性、安全性及智能交互。其中，光學(xué)技術(shù)的瓶頸尤為明顯。
透鏡作為AR眼鏡的關(guān)鍵組件，負(fù)責(zé)將顯示圖像高效聚焦至用戶視網(wǎng)膜，以實現(xiàn)清晰、真實的視覺體驗。目前市面上大多數(shù)AR眼鏡仍依賴體積龐大、重量較重的曲面透鏡，這不僅對產(chǎn)品的便攜性造成限制，還可能導(dǎo)致色差、視場畸變和視疲勞等問題。
這也是為什么蘋果會選擇研發(fā)超透鏡技術(shù)，因為該技術(shù)不僅可以解決XR產(chǎn)品的光學(xué)問題，還能解決各類電子數(shù)碼產(chǎn)品，如手機，相機等產(chǎn)品的光學(xué)鏡頭凸出問題，優(yōu)化光學(xué)。
自動駕駛領(lǐng)域也在超透鏡的研發(fā)中加快了步伐。
據(jù)了解，LG和三星正在研發(fā)超透鏡，計劃將其用于汽車自動駕駛的超薄攝像頭。
LG集團旗下負(fù)責(zé)攝像頭開發(fā)的子公司LG Innotek， 表示正在開發(fā)一種厚度僅有普通玻璃或塑料透鏡萬分之一的超透鏡。LG Innotek首席技術(shù)官（CTO）Kang Min-seok也在采訪中表示：“我們希望利用超構(gòu)透鏡代替折射透鏡來實現(xiàn)超薄攝像頭。汽車是我們首個應(yīng)用目標(biāo)，后續(xù)還將用于各種移動產(chǎn)品和相機?！?/p>
2021年，三星也像LG一樣在同一個論壇上證實正在研究超透鏡，并為超透鏡的商業(yè)化做準(zhǔn)備工作。
盡管當(dāng)前超透鏡正處于從科研實驗室到規(guī)模化量產(chǎn)探索的初期，但去年以來，早期創(chuàng)業(yè)圈已經(jīng)提前對超透鏡技術(shù)進行了布局。
2022年6月，超表面光子芯片商天津山河光電科技有限公司宣布已完成由舜宇產(chǎn)業(yè)基金和經(jīng)緯創(chuàng)投聯(lián)合領(lǐng)投，老股東中科創(chuàng)星持續(xù)跟投的數(shù)千萬元Pre-A輪融資；
今年4月，專注于為AR眼鏡研發(fā)硅基光學(xué)超透鏡的Imagia宣布，已完成由Gates Frontier領(lǐng)投，MetaVC Partners和其他投資者參投的450萬美元融資。
2022年10月，Metalenz也宣布完成了由Neotribe Ventures領(lǐng)投的3000萬美元B輪融資。這家公司是由超表面光學(xué)技術(shù)的發(fā)明者——哈佛大學(xué)Federico Capasso教授的課題組孵化并拆分成立的公司，于2017年成立，目前商業(yè)化進展最快。2023年6月聯(lián)華電子宣布已在其位于新加坡的12英寸晶圓制造廠投產(chǎn)Metalenz超構(gòu)表面制造工藝，OEM的首批商業(yè)終端產(chǎn)品將從2023年第三季度開始出貨。
3. 昆仲觀點：看好超透鏡在消費電子賽道的率先應(yīng)用
超透鏡技術(shù)在輕便性、成本效益和高效性方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，理論上有能力取代目前市場上絕大多數(shù)光學(xué)透鏡系統(tǒng)。
然而，由于當(dāng)前制造工藝的局限性以及在解決可見光及更高頻率光的色散方面基礎(chǔ)理論的不足，超透鏡技術(shù)主要還是局限于紅外光范疇的應(yīng)用，例如在光譜儀和ToF（Time-of-Flight）模組中。
在昆仲投研團隊看來，預(yù)計在未來2-3年內(nèi)，超透鏡將首先在消費電子產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用。
這是因為，隨著“大廠”對超透鏡的規(guī)?；瘧?yīng)用，超透鏡工藝將更加穩(wěn)定且成本可控，并且也有機會拓展更多創(chuàng)新功能，比如利用超透鏡獲取偏振信息，可用于目標(biāo)材料屬性的識別，未來有望應(yīng)用于掃地機器人等的精細(xì)避障等場景。
實際上，昆仲已在光電領(lǐng)域投資了多家初創(chuàng)企業(yè)，這些被投企業(yè)不僅對超表面領(lǐng)域有系統(tǒng)研究，也具備深厚的技術(shù)儲備。昆仲期待和被投企業(yè)共同見證超透鏡技術(shù)的商業(yè)化進程和以及產(chǎn)業(yè)的騰飛發(fā)展，昆仲也會持續(xù)關(guān)注國內(nèi)外新興的光電領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)發(fā)展。
本文由昆仲資本原創(chuàng)，作者昆仲資本執(zhí)行董事Jason、投資副總裁王冠飛，編輯獅刀。