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最近光刻机巨头阿斯麦透露 ， 他们正在研发新一代光刻机 ， 预计2025年实现量产 。 相比目前最先进的极紫外光刻机 ， 新一代光刻机的主要改进点在于更先进的光学设计 。 比如 ， 把原来的0.33光圈镜头变为更锐利的0.55光圈 ， 以实现更高的分辨率 ， 这样可以把芯片特征缩小1.7倍 ， 芯片密度增加2.9倍 。
我们知道 ， 在差不多20年前 ， 摄影技术发生了一项重大革命 ， 就是数码相机逐渐取代了胶片相机 。 但是 ， 相机里还有一类重要器件 ， 几百年来没有发生什么本质变化——这就是光学镜片 。 今天无论手机、相机 ， 还是光刻机的镜片 ， 在原理上跟四百年前伽利略望向太空的那个望远镜的镜片是差不多的 。
不过摄影技术即将发生第二次重大革命 ， 而且就发生在几百年不变的光学镜片领域 。 掀起这项革命的新技术 ， 叫做“超透镜” 。
11月29号 ， 美国普林斯顿大学的研究人员在《自然·通讯》杂志上发表了一组照片 ， 就是用超透镜来拍摄的 。 这种超透镜直径只有1毫米左右 ， 跟一粒盐差不多大小 。 用这种超透镜拍摄的照片 ， 跟传统光学镜头拍摄的照片已经非常接近了 。
现在相机里面的各种透镜 ， 归根结底都是为了完成一个目的 ， 就是将各种光线 ， 按照拍摄需求进行偏折 ， 尽可能精确地汇聚到成像传感器上 。 为了把光线偏折到我们想要的位置 ， 就需要利用多个镜片 ， 通过厚度的变化来实现 。 今天手机摄像头里面的透镜可以多达十几个 ， 单反相机的装备党们也经常会带着一包又大又沉的镜头 。
面对透镜系统越来越笨重的问题 ， 美国哈佛大学的卡帕索（Capasso）教授在2011年提出了一种全新的思路 。 他发现 ， 其实不用透镜 ， 利用一种非常精细的平面结构 ， 也可以实现偏折光线的效果 。 这就是超透镜的由来 。
【光刻机|阿斯麦新一代光刻机，光学镜片领域，将迎来第二次重大革命！】
超透镜是平面的 ， 就像是一块芯片 。 如果把它放大了看 ， 你会发现 ， 上面整齐排列着几百万个尺寸只有几百纳米的细微结构 。 这些细微结构的大小跟可见光的波长差不多 ， 光在传播的时候碰到这些结构 ， 就会产生一些意想不到的变化 。 比如 ， 有的光线会剧烈地拐弯 ， 有的呢则会径直通过 。 理论上 ， 如果把这些细微结构进行精确设计和排列 ， 就可以用一块扁平的“玻璃片”实现各种透镜的功能 。 想想看 ， 如果能够用一个盐粒大小的超透镜来拍照 ， 有谁还会使用笨重的传统镜头呢？
不过 ， 目前超透镜技术还面临很多挑战 ， 我举两个比较显著的例子 。 比如 ， 用超透镜很难拍摄彩色照片 。 这是因为 ， 不同颜色的光 ， 波长不同 ， 在经过超透镜的细微结构之后 ， 偏折程度不一样 。 再比如 ， 细微结构的设计也很困难 。 你想 ， 对数以百万计的细微结构 ， 要精确地找到每个结构的最优形状和尺寸 ， 这背后的计算量实在太大 ， 于是只能使用一些简化的设计方案 。
而这次普林斯顿大学的研究人员用超透镜拍摄的照片 ， 可以与传统镜头相媲美 。 他们是怎么做到的呢？这就要说到这项研究中很重要的一项创新——把深度学习引入了超透镜的图像处理中 。 刚才我们提到的超透镜的很多“先天缺陷” ， 以及在加工过程中可能出现的后天瑕疵 ， 都可以通过深度学习的方法进行建模和修正 。
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