在几千年的文明史里，人类一直在和光打交道。无论是古人用水晶球点火，还是科学家用望远镜窥探宇宙，背后都有一个不变的主角——透镜。今天，我们就来聊聊透镜的“进化史”，看看它如何从笨重的玻璃，走到纳米级的平面光学。

折射透镜
传统的折射透镜，就是大家所熟知的放大镜、眼镜等等。虽然它们的材质各不相同，但工作原理却非常简单：光线从一种介质（例如空气）进入另一种介质（例如玻璃）中时，会发生折射。由于光在不同介质里的速度不一样，因此光线会调整方向。人类很早就发现了这点，于是打磨玻璃、制造透镜，用来放大东西、矫正视力。

就是靠着这种简单且普适的原理，伽利略制造出望远镜窥探星空；列文虎克看到了镜头下让人惊异的小人国……但问题来了，为了让光线按照需要进行弯曲，透镜需要得做出各种形状，且为了矫正各类像差和色差，需要用到不同形貌不同材质的透镜相互配合，形成透镜组。这不可避免的导致镜头像个小钢炮一般，并不方便。

衍射透镜
19世纪，一个叫奥古斯丁·菲涅尔的人灵机一动：既然光会衍射，那能不能利用这个特性来减轻透镜？
于是，菲涅尔透镜诞生了。这种透镜的高明之处在于，可以把透镜“切片”成一圈圈同心环（菲涅尔区），去除多余的玻璃，只留下关键的台阶。通过这种设计，菲涅尔透镜上每一圈都能让光波在焦点处相干叠加，实际效果和厚玻璃透镜几乎一样，但重量却大为减轻。

这种设计特别适合做大口径镜头，比如灯塔中用于探照的大透镜，如果用传统方法制备，一块一米多半径的巨大玻璃透镜非常难装配，但菲涅尔透镜轻巧得多，也正因如此，菲涅尔透镜也在轻量化上有着重要应用，想想汽车大灯、投影仪，甚至VR眼镜里，都藏着它的身影。例如手机闪光灯上的透镜，可以明显看到一圈圈的环状结构，这就是典型的菲涅尔透镜。

超构表面
进入纳米时代，人类开始玩更花的：不再靠玻璃弯曲光路，而是直接在表面刻花纹。

这些花纹不是随便雕的，而是纳米级的天线阵列，每个小结构都能精准调控光的相位、偏振、方向。换句话说，我们可以像写代码一样，对光束的各类特性进行编码。

这种技术叫超构表面（Metasurface）。用它做的透镜就是超构透镜（Metalens）。由于纳米天线的调控能力，超构透镜的厚度能达到波长量级，将轻薄的特性发挥到了极致

超构透镜的诞生其实离我们非常近，在上个世纪1968年，苏联科学家提出左手材料的构想，这个想法在沉寂了几乎半个世纪后，负折射率材料于2001年被成功制备（Science 292(5514)），随后在2011年，哈佛大学的Capasso在《Light Propagation with Phase Discontinuities: Generalized Laws of Reflection and Refraction 》一文中是利用费马原理进行推导，得出了广义斯涅耳定律这一折射定律的推广，成功对超构表面进行了制备和验证。

这种神奇的超构表面能实现传统透镜做不到的功能，比如无色差成像、全息投影、甚至隐形伪装。在Capasso提出超构表面后，各类原理和应用雨后春笋一般的被提出和验证，超构透镜的发展迎来了辉煌，而进行超构透镜的设计和制备的公司也不短涌现。

更酷的是，它让透镜和半导体工艺这对组合走到了一起。你甚至可以想象未来的眼镜，不再是一块厚玻璃，而是一张薄膜；相机镜头不再是沉重的保温杯一般，而是几片紧凑的纳米图案。

从折射透镜到衍射透镜，再到超构透镜，人类对光的掌控越来越精细。或许不久的将来，手机镜头不再凸起，眼镜轻若无物，甚至“隐身斗篷”也会从科幻走进现实。毕竟，透镜的故事，就是人类追光的故事。

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