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最近光刻機巨頭阿斯麥透露 ， 他們正在研發新一代光刻機 ， 預計2025年實現量產 。 相比目前最先進的極紫外光刻機 ， 新一代光刻機的主要改進點在于更先進的光學設計 。 比如 ， 把原來的0.33光圈鏡頭變為更銳利的0.55光圈 ， 以實現更高的分辨率 ， 這樣可以把芯片特征縮小1.7倍 ， 芯片密度增加2.9倍 。
我們知道 ， 在差不多20年前 ， 攝影技術發生了一項重大革命 ， 就是數碼相機逐漸取代了膠片相機 。 但是 ， 相機里還有一類重要器件 ， 幾百年來沒有發生什么本質變化——這就是光學鏡片 。 今天無論手機、相機 ， 還是光刻機的鏡片 ， 在原理上跟四百年前伽利略望向太空的那個望遠鏡的鏡片是差不多的 。
不過攝影技術即將發生第二次重大革命 ， 而且就發生在幾百年不變的光學鏡片領域 。 掀起這項革命的新技術 ， 叫做“超透鏡” 。
11月29號 ， 美國普林斯頓大學的研究人員在《自然·通訊》雜志上發表了一組照片 ， 就是用超透鏡來拍攝的 。 這種超透鏡直徑只有1毫米左右 ， 跟一粒鹽差不多大小 。 用這種超透鏡拍攝的照片 ， 跟傳統光學鏡頭拍攝的照片已經非常接近了 。
現在相機里面的各種透鏡 ， 歸根結底都是為了完成一個目的 ， 就是將各種光線 ， 按照拍攝需求進行偏折 ， 盡可能精確地匯聚到成像傳感器上 。 為了把光線偏折到我們想要的位置 ， 就需要利用多個鏡片 ， 通過厚度的變化來實現 。 今天手機攝像頭里面的透鏡可以多達十幾個 ， 單反相機的裝備黨們也經常會帶著一包又大又沉的鏡頭 。
面對透鏡系統越來越笨重的問題 ， 美國哈佛大學的卡帕索（Capasso）教授在2011年提出了一種全新的思路 。 他發現 ， 其實不用透鏡 ， 利用一種非常精細的平面結構 ， 也可以實現偏折光線的效果 。 這就是超透鏡的由來 。
【光刻機|阿斯麥新一代光刻機，光學鏡片領域，將迎來第二次重大革命！】
超透鏡是平面的 ， 就像是一塊芯片 。 如果把它放大了看 ， 你會發現 ， 上面整齊排列著幾百萬個尺寸只有幾百納米的細微結構 。 這些細微結構的大小跟可見光的波長差不多 ， 光在傳播的時候碰到這些結構 ， 就會產生一些意想不到的變化 。 比如 ， 有的光線會劇烈地拐彎 ， 有的呢則會徑直通過 。 理論上 ， 如果把這些細微結構進行精確設計和排列 ， 就可以用一塊扁平的“玻璃片”實現各種透鏡的功能 。 想想看 ， 如果能夠用一個鹽粒大小的超透鏡來拍照 ， 有誰還會使用笨重的傳統鏡頭呢？
不過 ， 目前超透鏡技術還面臨很多挑戰 ， 我舉兩個比較顯著的例子 。 比如 ， 用超透鏡很難拍攝彩色照片 。 這是因為 ， 不同顏色的光 ， 波長不同 ， 在經過超透鏡的細微結構之后 ， 偏折程度不一樣 。 再比如 ， 細微結構的設計也很困難 。 你想 ， 對數以百萬計的細微結構 ， 要精確地找到每個結構的最優形狀和尺寸 ， 這背后的計算量實在太大 ， 于是只能使用一些簡化的設計方案 。
而這次普林斯頓大學的研究人員用超透鏡拍攝的照片 ， 可以與傳統鏡頭相媲美 。 他們是怎么做到的呢？這就要說到這項研究中很重要的一項創新——把深度學習引入了超透鏡的圖像處理中 。 剛才我們提到的超透鏡的很多“先天缺陷” ， 以及在加工過程中可能出現的后天瑕疵 ， 都可以通過深度學習的方法進行建模和修正 。
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