超构光学开启成像和传感新纪元，全新光学革命已经来临！
2025-12-27 15:17:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
近年来，蓬勃发展的超构光学技术初创企业生态系统逐渐形成。Metalenz正是这一领域的先驱之一。超构光学从何而来？为何这项技术有望彻底改变成像和传感模组的性能？本文采访了Metalenz首席执行官Rob Devlin，讨论了Metalenz如何将超构光学技术成功应用于商业设备。
微访谈：Metalenz首席执行官Rob Devlin
当前，一种新型微型光学元件正出现在部分智能手机的传感模组中，由此在消费类光子学技术领域以及光束操控方面引发了一场变革。事实上，我们已经在谷歌Pixel 8和三星Galaxy S23等多款智能手机中发现了这种微型光学元件的身影。这种微型光学元件常被称为超构透镜（Metalens）、超构光学（Meta-optics）元件、超构表面（Metasurface）组件等。根据《3D成像与传感-2025版》报告显示，超构光学元件短期内在ToF测距和3D传感应用领域前景广阔。超构光学技术有望使3D传感模组更加简单紧凑的同时提升性能，预计将在移动设备、AR/VR可穿戴设备和平板电脑等产品中得到应用。
2020～2030年3D传感市场规模预测（按应用细分）
近年来，蓬勃发展的超构光学技术初创企业生态系统逐渐形成。Metalenz正是这一领域的先驱之一。超构光学从何而来？为何这项技术有望彻底改变成像和传感模组的性能？在此前的高通（Qualcomm）骁龙（Snapdragon）峰会上，Metalenz推出了其首个系统级解决方案Polar ID。Polar ID通过利用超构表面操控偏振光的独特能力，首次为移动设备带来全新形式的传感技术，并为所有智能手机提供了安全且经济的人脸解锁功能。
超构光学在消费电子3D成像模组中的渗透发展
据麦姆斯咨询报道，法国咨询机构Yole分析师Florian Domengie和Axel Clouet有幸与Metalenz首席执行官（CEO）Rob Devlin展开对话，讨论了Metalenz如何将这项颠覆性的超构光学技术成功应用于商业设备。如今，全新光学革命已来临，让我们进入这场对话，深入了解超构光学的奥秘！
Yole：请简要介绍Metalenz的发展历程。
Rob Devlin（简称：RD）：Metalenz凭借超构表面技术推动光学领域的创新发展浪潮，重新定义移动3D成像与传感的解决方案。通过为数百万消费电子设备提供新的信息维度，Metalenz正在改变人与机器互动和理解世界的方式。
Metalenz于2016年从哈佛大学的卡帕索实验室（Capasso Lab）分拆独立出来，并获得了这项超构光学技术的独家商业授权。我们的技术能够在单一、简单的半导体层中实现复杂、多功能的光学能力。并且，该超构光学元件可通过现有的半导体代工厂批量生产。2016年至2021年间，我们主要致力于技术转化与市场需求匹配。在短短五年间，我们就成功将超构光学元件从实验室推向规模化量产。2022年，通过与意法半导体（STMicroelectronics）合作，Metalenz成为第一家将超构光学技术推向大众消费市场的企业，目前已有数百万颗超构光学元件（超构表面）集成于各类设备中。
在第一代超构光学元件持续取得商业成功的同时，我们也推出了一套完整的生物识别解决方案（涵盖硬件和软件）——Polar ID。Polar ID现已运行在高通骁龙平台之上，有望推动整个安卓（Android）生态系统实现安全人脸解锁的大规模应用。除了生物识别应用，Polar ID还首次将全新的传感技术引入移动设备并保持了较低的价格区间。
Polar ID解决方案
Yole：如何定义超构透镜？请介绍超构光学与折射光学、衍射光学有何区别。
RD：超构透镜是一种完全平坦的平面光学元件。传统的折射光学元件或衍射光学元件通常存在结构形状上的某种形态变化，沿着光传播路径常出现尺寸或维度上的变化，例如传统透镜的曲率。而采用超构光学技术，仅需单层平坦的半导体材料，就能完全调控穿过超构透镜的光的各种特性。这是传统折射透镜无法实现的。常规的衍射光学元件（DOE）也存在类似的限制，要么影响性能，要么难以实现规模化量产。正是超构光学技术可以对光所有特性的调控能力，尤其是偏振信息，使我们能够从销售单一组件跃升至为机器视觉系统提供全新维度信息。以往传统折射和衍射光学系统“丢弃”的偏振信息，反而在基于超构光学的系统设计中成为可利用的宝贵资源。
Yole：超构光学元件为成像与传感模组及应用带来了哪些附加价值？
RD：Metalenz首先将超构光学元件（超构表面）应用于3D传感领域。该市场存在着最复杂的光学模组。在消费电子设备领域，尤其是当今的智能手机，制造商通常尝试将复杂的光学传感系统塞进极具挑战性的机身之中。而超构光学技术能大幅简化这些3D传感系统的复杂性。例如对于3D结构光或激光雷达（LiDAR）系统，在传统的方案中，照明（发射）端和传感（接收）端通常需要八组衍射和折射光学元件。而现在，仅需在发射端和接收端各放置一颗超构表面元件，就能替代这八组光学元件的功能。因此，超构光学技术能让复杂的光学系统在不牺牲性能的前提下，大幅降低复杂度并缩小尺寸。事实上，由于设计的高度可控性，往往还能提取新的维度信息。
Yole：超构透镜是如何制造的？是否需要特定材料或特殊工艺？
RD：制造工艺是超构透镜最大优势所在，也是Metalenz能在短短数年间实现从实验室样品到百万级出货量的关键。甚至早在哈佛大学Capasso教授团队构思这类新型光学元件的初期，超构透镜就已被设想为单层半导体材料即可制成的结构。我们推出的超构透镜无需任何新型光刻技术和任何特殊材料，只需使用现代半导体代工厂中的现有制造工艺。正因如此，这项在大学实验室验证的前沿光学技术，才得以实现早期超构光学技术演示所展现的潜力。许多令人振奋的技术因缺乏量产基础或无法兑现大规模量产而止步不前。Metalenz的解决方案截然不同，因为我们采用传统的深紫外（DUV）光刻技术来制造超构透镜，而无需新的、复杂或昂贵的图案化工艺。正如我们与代工合作伙伴台联电（UMC）共同验证的那样——这类新型光学元件可在纯CMOS晶圆代工厂实现量产。
Yole：Metalenz聚焦哪些市场及应用领域？将如何开拓这些市场？
RD：我们认为超构光学技术有望在消费电子、交通运输、医疗保健等多个领域产生巨大影响。首个应用场景是消费电子领域的3D传感。以3D结构光系统或飞行时间（ToF）系统为例，我们的合作伙伴意法半导体（ST）推出的产品：FlightSense™系列ToF测距传感器，我们的超构光学技术正在取代3D传感方案中的传统光学元件。这已成为Metalenz技术的重点应用突破口。我们还通过独立的供应链/纯晶圆代工厂推出了自主研发的“Orion”点阵投射器产品。通过台联电（UMC）代工，我们的超构表面还为一家3D传感解决方案公司“的卢深视（Dilusense）”提供应用于人脸支付终端和智能门锁的结构光模组。因此，当前超构光学技术的主战场是3D传感和生物识别领域，Metalenz已在此领域取代了数百万颗传统折射和衍射光学元件。
新技术面临的最大挑战在于，对于企业（尤其是大型企业）来说，推动现有产品性能小幅提升（即使仅提升5%）往往更为稳妥。至少他们能确保量产的可靠性。与意法半导体的商业合作以及最初的FlightSense™系列ToF测距传感器产品发布，使我们能够降低这项新技术硬件部分的风险。
采用Metalenz超构表面的FlightSense™系列ToF测距传感器
Yole：请您详细介绍贵司推出的Polar ID！
RD：我们的Polar ID评估套件已交付多家原始设备制造商（OEM），并得到了积极反馈，所以我们正在为量产推进积极准备。作为元器件供应商，Metalenz通过与OEM厂商的深度合作积累了丰富的经验，同时掌握着超构表面的核心技术，即从光中提取额外信息的能力。当前OEM厂商尚未考虑如何利用这些额外信息，这是因为该信息此前并不能获取。Metalenz凭借对超构表面的独特了解，认定存在更具价值的解决方案。我们称之为“PolarEyes”技术平台，首款产品Polar ID正是基于偏振原理的生物识别传感解决方案。
当我们把超构光学技术提供的偏振功能推向市场，并将其用作人脸识别生物特征传感解决方案时，我们发现来自安卓OEM厂商（其产品覆盖超过10亿部手机）的需求非常强烈，因为他们缺乏安全可靠的人脸识别方案，或者正在安全性、便利性与成本之间进行权衡取舍。我们发现，Polar ID是唯一能够兼顾外形尺寸、价格和安全级别，真正实现支付级别生物特征人脸识别技术扩展到所有消费电子设备的解决方案。
Yole：超构光学技术近年来呈现蓬勃发展态势，我们观察到一个蓬勃发展的生态系统正在形成。Metalenz在这个新生态系统中处于什么位置，其核心优势是什么？
RD：Metalenz无疑处于超构光学行业领导地位。我们率先实现超构光学元件的商业化，是该技术领域的开创者；并且我们来自超构光学技术的发源地，拥有深厚的知识基础和知识产权（IP）。我们还建立了深厚的客户关系。同样，能够在如此短的时间内实现超构表面的量产，使我们赢得了OEM厂商的信任，愿意与我们共享并解决各种应用的核心痛点。通过Polar ID产品，我们正突破元器件层面，为OEM厂商解决系统级和应用级难题，并通过提升用户体验实现差异化竞争力。我们将持续拓展3D传感元件及解决方案业务，同时运用积累的知识来创造更具影响力的成果。我们的技术围绕超构表面特性提供全新维度信息和完整系统解决方案，以便直接满足终端用户的需求。
Yole：请您展望超构光学技术未来在成像、传感和显示领域的应用，并介绍Metalenz下一步发展方向或重大挑战。
RD：当前Polar ID将通过终端设备为数十亿用户带来全新维度（偏振）信息。Metalenz首先聚焦生物识别领域，但这项偏振技术在医学和科学实验室中还有众多其它已知的应用场景，甚至可能涌现我们尚未想到的应用。
总体而言，超构光学元件具有极强的多功能性，几乎拥有无限的应用潜力，任何需要紧凑、可高度定制且能大规模生产的光学元件领域均适用。我认为，调控显示屏发光对于超构光学来说是极具潜力的应用方向之一，尤其是在microLED显示技术兴起的当下。我认为其核心价值在于为人工智能（AI）/机器视觉系统输送全新维度信息，从而开启信息处理的新纪元。
延伸阅读：
上一篇：气体传感器技术进展与商业机遇探索
下一篇：格芯：CMOS图像传感器发展机遇探索