Flache Linsen aus Nanostrukturen verwandeln winzige Kameras und Projektoren

Metalenses gelangen endlich in die Hände der Verbraucher

Dieses mit einem Rasterelektronenmikroskop aufgenommene Bild eines Metallobjekts zeigt die unterschiedlichen Größen und Anordnungen der Nanosäulen, die zur Lichtmanipulation verwendet werden.

In den heutigen Computern, Telefonen und anderen mobilen Geräten kämpfen immer mehr Sensoren, Prozessoren und andere elektronische Geräte um Platz. Einen großen Teil dieser wertvollen Fläche nehmen die Kameras ein – nahezu jedes Gerät benötigt eine Kamera, oder zwei, drei oder mehr. Und der platzraubendste Teil der Kamera ist das Objektiv.

Die Linsen in unseren Mobilgeräten sammeln und lenken einfallendes Licht typischerweise durch Brechung, wobei sie eine Krümmung in einem transparenten Material, meist Kunststoff, verwenden, um die Strahlen zu beugen. Diese Objektive können also nicht noch viel stärker schrumpfen, als sie es ohnehin schon getan haben: Um eine Kamera klein zu machen, muss das Objektiv eine kurze Brennweite haben; aber je kürzer die Brennweite, desto größer die Krümmung und damit die Dicke in der Mitte. Diese stark gekrümmten Linsen weisen außerdem alle Arten von Aberrationen auf, sodass Hersteller von Kameramodulen zum Ausgleich mehrere Linsen verwenden, was die Größe der Kamera erhöht.

Bei den heutigen Objektiven gehen die Größe der Kamera und die Bildqualität in unterschiedliche Richtungen. Die einzige Möglichkeit, Linsen kleiner und besser zu machen, besteht darin, refraktive Linsen durch eine andere Technologie zu ersetzen.

Diese Technologie existiert. Es handelt sich um die Metalens, ein Gerät, das in Harvard entwickelt und bei Metalenz kommerzialisiert wurde, wo ich Anwendungstechniker bin. Wir stellen diese Geräte mithilfe traditioneller Halbleiterverarbeitungstechniken her, um Nanostrukturen auf einer flachen Oberfläche aufzubauen. Diese Nanostrukturen nutzen ein Phänomen namens Metaoberflächenoptik, um Licht zu lenken und zu fokussieren. Diese Linsen können extrem dünn sein – einige hundert Mikrometer dick, etwa doppelt so dick wie ein menschliches Haar. Und wir können die Funktionalität mehrerer gebogener Linsen in nur einem unserer Geräte kombinieren, um der Platzknappheit noch mehr entgegenzuwirken und die Möglichkeit neuer Einsatzmöglichkeiten für Kameras in mobilen Geräten zu eröffnen.

Bevor ich Ihnen erzähle, wie sich die Metalllinsen entwickelt haben und wie sie funktionieren, werfen wir einen Blick auf einige frühere Versuche, die traditionelle gebogene Linse zu ersetzen.

Konzeptionell geschieht dies bei jedem Gerät, das Licht manipuliert, indem es seine drei grundlegenden Eigenschaften verändert: Phase, Polarisation und Intensität. Die Idee, dass jede Welle oder jedes Wellenfeld bis auf diese Eigenschaften zerlegt werden kann, wurde 1678 von Christiaan Huygens vorgeschlagen und ist ein Leitprinzip in der gesamten Optik.

In diesem einzelnen Metall [zwischen Pinzetten] haben die Säulen einen Durchmesser von weniger als 500 Nanometern. Das schwarze Kästchen unten links in der Vergrößerung stellt 2,5 Mikrometer dar. Metalenz

Zu Beginn des 18. Jahrhunderts legten die mächtigsten Volkswirtschaften der Welt großen Wert auf den Bau von Leuchttürmen mit größeren und leistungsstärkeren Projektionsobjektiven, um ihre Schifffahrtsinteressen zu schützen. Mit zunehmender Größe dieser Projektionsobjektive nahm jedoch auch ihr Gewicht zu. Infolgedessen schränkte die physische Größe einer Linse, die auf die Spitze eines Leuchtturms gehoben und strukturell unterstützt werden konnte, die Leistung des Strahls ein, der vom Leuchtturm erzeugt werden konnte.

Der französische Physiker Augustin-Jean Fresnel erkannte, dass, wenn er eine Linse in Facetten zerschnitt, ein Großteil der zentralen Dicke der Linse entfernt werden konnte, aber dennoch die gleiche optische Leistung erhalten blieb. Die Fresnel-Linse stellte eine wesentliche Verbesserung der optischen Technologie dar und wird heute in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter Autoscheinwerfer und Bremslichter, Overheadprojektoren und – immer noch – für Leuchtturm-Projektionslinsen. Allerdings weist die Fresnel-Linse Einschränkungen auf. Zum einen werden die flachen Kanten von Facetten zu Streulichtquellen. Zum anderen sind facettierte Oberflächen schwieriger herzustellen und präzise zu polieren als kontinuierlich gekrümmte. Für Kameraobjektive ist dies aufgrund der Anforderungen an die Oberflächengenauigkeit, die für die Erzeugung guter Bilder erforderlich sind, ein No-Go.

Ein anderer Ansatz, der heute in der 3D-Sensorik und maschinellen Bildverarbeitung weit verbreitet ist, geht auf eines der berühmtesten Experimente der modernen Physik zurück: Thomas Youngs Demonstration der Beugung im Jahr 1802. Dieses Experiment zeigte, dass sich Licht wie eine Welle verhält und wenn die Wellen aufeinander treffen, können sie sich gegenseitig verstärken oder aufheben, je nachdem, wie weit die Wellen gereist sind. Das sogenannte diffraktive optische Element (DOE), das auf diesem Phänomen basiert, nutzt die wellenförmigen Eigenschaften des Lichts, um ein Interferenzmuster zu erzeugen – das heißt abwechselnde dunkle und helle Bereiche in Form einer Reihe von Punkten, eines Gitters oder eines anderen Musters Anzahl der Formen. Heutzutage verwenden viele mobile Geräte DOEs, um einen Laserstrahl in „strukturiertes Licht“ umzuwandeln. Dieses Lichtmuster wird projiziert, von einem Bildsensor erfasst und dann von Algorithmen verwendet, um eine 3D-Karte der Szene zu erstellen. Diese winzigen DOEs passen gut in kleine Geräte, können jedoch nicht zur Erstellung detaillierter Bilder verwendet werden. Auch hier sind die Anwendungen begrenzt.

Betreten Sie die Metalen. Metalenses wurden in Harvard von einem Team unter der Leitung von Professor Federico Capasso, dem damaligen Doktoranden Rob Devlin, den Forschungsmitarbeitern Reza Khorasaninejad, Wei Ting Chen und anderen entwickelt und funktionieren auf eine Weise, die sich grundlegend von allen anderen Ansätzen unterscheidet.

Eine Metalens ist eine flache Glasoberfläche mit einer Halbleiterschicht darauf. In den Halbleiter ist eine Reihe von Säulen mit einer Höhe von mehreren hundert Nanometern eingraviert. Diese Nanosäulen können Lichtwellen mit einem Maß an Kontrolle manipulieren, das mit herkömmlichen refraktiven Linsen nicht möglich ist.

Stellen Sie sich ein flaches Sumpfgebiet voller Seegras vor, das im Wasser steht. Eine ankommende Welle lässt das Seegras hin und her schwanken und Pollen werden in die Luft geschleudert. Wenn Sie sich diese einfallende Welle als Lichtenergie und die Nanosäulen als Seegrasstängel vorstellen, können Sie sich vorstellen, wie die Eigenschaften einer Nanosäule, einschließlich ihrer Höhe, Dicke und Position neben anderen Nanosäulen, die Verteilung des austretenden Lichts verändern könnten vom Objektiv.

Ein 12-Zoll-Wafer kann bis zu 10.000 Metalenses aufnehmen, die aus einer einzigen Halbleiterschicht hergestellt werden.Metalenz

Wir können die Fähigkeit eines Metalens nutzen, um Licht auf verschiedene Weise umzulenken und zu verändern. Wir können Licht als Feld aus Infrarotpunkten streuen und projizieren. Diese für das Auge unsichtbaren Punkte werden in vielen intelligenten Geräten verwendet, um Entfernungen zu messen und einen Raum oder ein Gesicht abzubilden. Wir können Licht nach seiner Polarisation sortieren (mehr dazu gleich). Aber wahrscheinlich lässt sich die Verwendung dieser Metaoberflächen als Linse am besten anhand der bekanntesten Linsenanwendung erklären: der Aufnahme eines Bildes.

Der Prozess beginnt mit der Beleuchtung einer Szene mit einer monochromatischen Lichtquelle – einem Laser. (Obwohl die Verwendung eines Metallobjektivs zur Aufnahme eines Vollfarbbilds konzeptionell möglich ist, handelt es sich dabei noch um ein Laborexperiment und ist weit von einer Kommerzialisierung entfernt.) Die Objekte in der Szene reflektieren das Licht überall. Ein Teil dieses Lichts gelangt zurück zu den Metalens, die mit ihren Säulen nach außen auf die Szene gerichtet sind. Diese zurückkehrenden Photonen treffen auf die Spitzen der Säulen und übertragen ihre Energie in Schwingungen. Die Schwingungen – Plasmonen genannt – wandern die Säulen hinunter. Wenn diese Energie den Boden einer Säule erreicht, tritt sie in Form von Photonen aus, die dann von einem Bildsensor erfasst werden können. Diese Photonen müssen nicht die gleichen Eigenschaften haben wie diejenigen, die in die Säulen eingedrungen sind. Wir können diese Eigenschaften durch die Art und Weise ändern, wie wir die Säulen entwerfen und verteilen.

Forscher auf der ganzen Welt erforschen seit Jahrzehnten das Konzept der Metalenses.

In einem 1968 in der Fachzeitschrift „Soviet Physics Uspekhi“ veröffentlichten Artikel brachte der russische Physiker Victor Veselago die Idee von Metamaterialien auf die Karte und stellte die Hypothese auf, dass nichts die Existenz eines Materials ausschließt, das einen negativen Brechungsindex aufweist. Ein solches Material würde mit Licht ganz anders interagieren als ein normales Material. Wo Licht normalerweise in Form einer Reflexion von einem Material reflektiert wird, würde es an dieser Art von Metamaterial vorbeilaufen, wie Wasser um einen Felsbrocken in einem Bach fließt.

Es dauerte bis zum Jahr 2000, bis die Theorie der Metamaterialien im Labor umgesetzt wurde. In diesem Jahr demonstrierten Richard A. Shelby und Kollegen von der University of California, San Diego, ein Metamaterial mit negativem Brechungsindex im Mikrowellenbereich. Sie veröffentlichten die Entdeckung 2001 in Science und sorgten für Aufsehen, als sich die Menschen Tarnumhänge vorstellten. (Obwohl es faszinierend ist, darüber nachzudenken, würde die Herstellung eines solchen Geräts die präzise Herstellung und Montage von Tausenden von Metaoberflächen erfordern.)

Die ersten Metalens, die mit sichtbarem Licht hochwertige Bilder erzeugten, stammten aus dem Labor von Federico Capasso in Harvard. Die Technologie wurde 2016 mit einer in Science veröffentlichten Beschreibung der Forschung demonstriert und weckte sofort das Interesse der Smartphone-Hersteller. Anschließend lizenzierte Harvard das grundlegende geistige Eigentum exklusiv an Metalenz, wo es nun kommerzialisiert wurde.

Eine einzelne Metalllinse [rechts] kann einen Stapel herkömmlicher Linsen [links] ersetzen, was die Herstellung vereinfacht und die Größe eines Linsenpakets drastisch reduziert.Metalenz

Seitdem haben auch Forscher der Columbia University, des Caltech und der University of Washington in Zusammenarbeit mit der Tsinghua-Universität in Peking die Technologie demonstriert.

Ein Großteil der Entwicklungsarbeit, die Metalenz leistet, besteht in der Feinabstimmung der Gerätekonstruktion. Um Bildmerkmale wie die Auflösung in nanoskalige Muster zu übersetzen, haben wir Werkzeuge entwickelt, die dabei helfen, die Art und Weise zu berechnen, wie Lichtwellen mit Materialien interagieren. Anschließend wandeln wir diese Berechnungen in Entwurfsdateien um, die mit standardmäßigen Halbleiterverarbeitungsgeräten verwendet werden können.

Die erste Welle optischer Metaoberflächen, die ihren Weg in mobile Bildgebungssysteme finden, besteht aus etwa 10 Millionen Siliziumsäulen auf einer einzigen flachen Oberfläche von nur wenigen Millimetern im Quadrat, wobei jede Säule genau darauf abgestimmt ist, die richtige Lichtphase aufzunehmen – ein mühsamer Prozess auch mit Hilfe fortschrittlicher Software. Zukünftige Generationen der Metalens werden nicht unbedingt mehr Säulen haben, aber wahrscheinlich komplexere Geometrien wie geneigte Kanten oder asymmetrische Formen.

Metalenz beendete 2021 den Tarnmodus und kündigte an, dass es sich darauf vorbereitet, die Produktion von Geräten auszuweiten. Die Herstellung war keine so große Herausforderung wie das Design, da das Unternehmen Metaoberflächen mit denselben Materialien, Lithographie- und Ätzverfahren herstellt, die es auch für die Herstellung integrierter Schaltkreise verwendet.

Tatsächlich sind Metalenses weniger anspruchsvoll in der Herstellung als selbst ein sehr einfacher Mikrochip, da sie nur eine einzige Lithografiemaske erfordern, im Gegensatz zu den Dutzenden, die ein Mikroprozessor benötigt. Das macht sie weniger anfällig für Defekte und kostengünstiger. Darüber hinaus wird die Größe der Strukturelemente auf einer optischen Metaoberfläche in Hunderten von Nanometern gemessen, wohingegen Gießereien es gewohnt sind, Chips mit Strukturelementen herzustellen, die kleiner als 10 Nanometer sind.

Und im Gegensatz zu Kunststofflinsen können Metalllinsen in denselben Gießereien hergestellt werden, in denen auch die anderen Chips für Smartphones hergestellt werden. Dies bedeutet, dass sie direkt vor Ort in die CMOS-Kamerachips integriert werden können und nicht an einen anderen Standort verschifft werden müssen, was ihre Kosten noch weiter senkt.

Eine einzelne Metaoptik kann in Kombination mit einer Reihe von Laseremittern verwendet werden, um die Art von kontrastreichen Punkt- oder Linienmustern im nahen Infrarot zu erzeugen, die in der 3D-Erfassung verwendet werden. Metalenz

Im Jahr 2022 kündigte ST Microelectronics die Integration der Metasurface-Technologie von Metalenz in seine FlightSense-Module an. Frühere Generationen von FlightSense wurden in mehr als 150 Modellen von Smartphones, Drohnen, Robotern und Fahrzeugen zur Entfernungserkennung eingesetzt. Solche Produkte mit integrierter Metalenz-Technologie befinden sich bereits in Verbraucherhänden, obwohl ST Microelectronics keine Einzelheiten veröffentlicht.

Tatsächlich ist die Entfernungsmessung ein Sweet Spot für die aktuelle Generation der Metalens-Technologie, die im nahen Infrarot-Wellenlängenbereich arbeitet. Für diese Anwendung verwenden viele Unternehmen der Unterhaltungselektronik ein Laufzeitsystem, das aus zwei optischen Komponenten besteht: einer, die Licht sendet, und einer, die es empfängt. Die Sendeoptik ist komplizierter. Dabei handelt es sich um mehrere Linsen, die das Licht eines Lasers sammeln und in parallele Lichtwellen umwandeln – oder, wie Optikingenieure es nennen, einen kollimierten Strahl. Dazu ist außerdem ein Beugungsgitter erforderlich, das den kollimierten Strahl in ein Punktfeld umwandelt. Ein einziges Metallelement kann alle Sende- und Empfangsoptiken ersetzen, wodurch Platz im Gerät gespart und die Kosten gesenkt werden.

Und bei schwierigen Lichtverhältnissen erledigt eine Metalllinse die Funktion des Punktfeldes besser, da sie einen größeren Bereich mit weniger Strom ausleuchten kann als eine herkömmliche Linse und so einen größeren Teil des Lichts dorthin lenkt, wo Sie es haben möchten.

Herkömmliche Bildgebungssysteme sammeln bestenfalls Informationen über die räumliche Position von Objekten sowie deren Farbe und Helligkeit. Doch das Licht trägt noch eine andere Art von Informationen: die Ausrichtung der Lichtwellen auf ihrem Weg durch den Raum – also die Polarisation. Zukünftige Metalens-Anwendungen werden die Fähigkeit der Technologie nutzen, polarisiertes Licht zu erkennen.

Die Polarisation des von einem Objekt reflektierten Lichts vermittelt alle möglichen Informationen über dieses Objekt, einschließlich der Oberflächenbeschaffenheit, der Art des Oberflächenmaterials und wie tief das Licht in das Material eindringt, bevor es zum Sensor zurückprallt. Vor der Entwicklung der Metalllinsen erforderte ein Bildverarbeitungssystem komplexe optomechanische Subsysteme, um Polarisationsinformationen zu sammeln. Diese drehen typischerweise einen Polarisator – der wie ein Zaun aufgebaut ist, um nur Wellen durchzulassen, die in einem bestimmten Winkel ausgerichtet sind – vor einem Sensor. Anschließend überwachen sie, wie sich der Drehwinkel auf die Lichtmenge auswirkt, die auf den Sensor trifft.

Metaoberflächenoptiken sind in der Lage, Polarisationsinformationen aus Licht zu erfassen, die Eigenschaften eines Materials aufzudecken und Tiefeninformationen bereitzustellen.Metalenz

Im Gegensatz dazu braucht ein Metalens keinen Zaun; Das gesamte einfallende Licht kommt durch. Anschließend kann es mithilfe eines einzigen optischen Elements basierend auf seinem Polarisationszustand in bestimmte Bereiche des Bildsensors umgelenkt werden. Wenn beispielsweise Licht entlang der X-Achse polarisiert ist, lenken die Nanostrukturen der Metaoberfläche das Licht auf einen Abschnitt des Bildsensors. Wenn es jedoch im 45-Grad-Winkel zur X-Achse polarisiert ist, wird das Licht in einen anderen Abschnitt gelenkt. Anschließend kann eine Software das Bild mit Informationen über alle seine Polarisationszustände rekonstruieren.

Mithilfe dieser Technologie können wir bisher große und teure Laborgeräte durch winzige Polarisationsanalysegeräte ersetzen, die in Smartphones, Autos und sogar Augmented-Reality-Brillen integriert sind. Mit einem Smartphone-basierten Polarimeter könnten Sie feststellen, ob ein Stein in einem Ring aus Diamant oder Glas besteht, ob Beton ausgehärtet ist oder mehr Zeit benötigt oder ob sich ein teurer Hockeyschläger lohnt oder Mikrorisse aufweist. Miniaturisierte Polarimeter könnten verwendet werden, um festzustellen, ob der Stützbalken einer Brücke vom Versagen bedroht ist, ob ein Fleck auf der Straße aus Glatteis besteht oder einfach nur nass ist oder ob es sich bei einem grünen Fleck in Wirklichkeit um einen Busch oder eine bemalte Oberfläche handelt, die zum Verstecken eines Baumes dient Panzer. Diese Geräte könnten auch dazu beitragen, eine fälschungssichere Gesichtserkennung zu ermöglichen, da Licht von einem 2D-Foto einer Person in anderen Winkeln reflektiert wird als von einem 3D-Gesicht und von einer Silikonmaske anders reflektiert wird als von der Haut. Handpolarisatoren könnten die medizinische Ferndiagnostik verbessern – beispielsweise wird die Polarisation in der Onkologie zur Untersuchung von Gewebeveränderungen eingesetzt.

Aber wie beim Smartphone selbst ist es schwer vorherzusagen, wohin uns Metalenses führen werden. Als Apple 2008 das iPhone vorstellte, konnte niemand ahnen, dass daraus Unternehmen wie Uber entstehen würden. Ebenso sind die vielleicht aufregendsten Anwendungen von Metalenses solche, die wir uns noch nicht einmal vorstellen können.