Metalenz超光学透镜技术有使传感器和其他成像设备进一步小型化的潜力

近日，位于波士顿的哈佛大学附属公司Metalenz推出了其超光学透镜技术。该公司的目标是用硅纳米结构波导取代塑料透镜，这些硅纳米结构由生产微电子和CMOS图像传感器的同厂使用标准的半导体工艺制造。

Metalenz还宣布已从3M Ventures、Applied Ventures LLC、Intel Capital、M Ventures、TDK Ventures以及Tsingyuan Ventures和Braemar Energy Ventures融资1000万美元。Metalenz将利用这笔资金进行规模化生产，并加快微型光学芯片技术的发展。

超薄平面透镜由玻璃基板上的二氧化钛纳米鳍组成

Metalenz的联合创始人兼首席执行官Rob Devlin表示，自2016年首次展示这项技术以来，他们已经收到了来自手机制造商的大量请求，目前他们正在与其中两家手机制造商进行深入讨论。“我们还有两家有能力生产这种芯片的制造商，预计将在2021年底推出第一批产品。镜头芯片相对较小，所以我们每天可以生产1- 500万个镜头。一个晶圆片可以容纳大约5000到10000个透镜。”

在纳米级结构上操纵光

近年来，智能手机包含了不同的摄像头模组，每个模组都有不同的塑料镜头。随着技术进步，这些镜头也随着复杂的处理软件发生了变化。相比之下，Metalenz技术利用光和物质在纳米尺度上的相互作用，实现了对光路径“前所未有”的控制。当光线穿过材料的大部分时，传统光学会折射、反射和偏振光，而这一创新利用表面的微小图案和结构来随意对光线进行重定向。

Devlin表示，这些结构可以操纵光线，并提供了传统设计无法实现的控制程度。”有偏振，有强度，有波长，光中有大量的信息。我们的理念是，你能否仅用一个平面就完全控制这一切。”

Metalenz的技术源于哈佛大学约翰保尔森工程与应用科学学院的技术成果，该学院由应用物理学教授Federico Capasso领导。他的团队是第一个能够使用超光学超透镜聚焦整个可见光光谱的小组。Metalenz拥有他的实验室开发的平面光学创新产品组合的独家全球许可。

Capasso是哈佛海洋大学应用物理学教授和文顿·海耶斯电气工程高级研究员，他介绍：“在我的团队进行了十年的研究后，看到Metalenz成功地成为一家初创公司，这非常值得。我们的研究范围从推广古老的斯涅尔折射光学定律到实现比传统透镜性能更好的平面透镜。” Capasso也是Metalenz公司的联合创始人和董事会成员。

什么是Meta-optics

元透镜使用纳米级的鳍片来聚焦光线;鳍是平的，而典型的透镜是弯曲的。该结构由耦合的纳米鳍组成，可以同时调节不同波长的光速，同时还可以控制亚表面折射率，以确保所有波长的光同时到达焦点。

由于每个波长以不同的速度穿过材料，所以使用整个可见光谱是一项挑战。红色的波长穿透玻璃的速度比蓝色的快，所以这两种颜色会产生不同的聚焦，造成失真或色差。折射率（n）可以随波长变化：波长较长的光波折射率较低，反之亦然。色差是由于组成光通过光学介质的波长的折射率不同而造成的成像缺陷。

如果你只有一个镜头，像失真和色散这样的像差就会凸显，降低图像质量。事实上，智能手机的光学系统使用许多镜头来优化图像。然而，在相机模组内将多个镜头元件叠加在一起需要更多的垂直空间。Metalenz的设计不是使用塑料和玻璃元素叠加在图像传感器上，而是使用单个透镜（纳米透镜，元透镜），放置在1×1到3×3毫米大小的玻璃晶片上。

Devlin指出，使用半导体工艺制造这些纳米透镜可以降低复杂性，从而制造出更小的模组，这些模组的透镜可以直接连接到传感器上。处理软件可以通过结合来自不同腔室的多个源来增强图像。

光穿过这些由数百万个不同直径的“光学”圆组成的有图案的纳米结构。Devlin：“就像弯曲透镜通过加速或减速来弯曲光线并改变光路一样，这些技术都通过改变这些圆的直径来实现相同的效果。”

“总体思路是将其简化为最简单的形式。所以这不仅仅是看你能用一个二维平面层控制到什么程度的问题。但这也因为当你在单层中完成时，它现在可以通过一个光刻步骤来完成，这为成像电子学制造了非常高性能的光学。”

其中至关重要的一步是确保该技术能够在一系列环境条件下继续发挥作用。

Devlin介绍：“我们做过实验，把温度从室温调到150℃，我们发现透镜本身的实际光学特性基本上没有变化。和塑料镜片相比，它们实际上有很大的变化，因为塑料镜片会随着温度变化很大。得益于此特性，我们还将它用在汽车上。在汽车中，由于温度要求稳定，一般使用玻璃镜片。有了我们的技术，你现在可以用半导体代工厂制作的透镜，它们在温度方面的性能是相等的，甚至在某些情况下比玻璃更好，成本也负担得起。”

市场动态

Devlin强调了这一进展的重要性，即降低智能手机等设备所需透镜的复杂性，简化标准工艺的制造，以及玻璃相对于塑料的温度稳定性。

“在过去的20年里，消费电子产品中相机和传感技术的大多数进步都是在电子产品和算法方面，但光学本身的技术进展缓慢。在Metalenz，我们正在为透镜提供新的功能，使第一次生产这种电子产品的半导体代工厂能够大规模生产。 这个模块不仅降低了复杂性，而且在光收集方面提供了更高的性能。结构光和TOF的技术相比复杂。我们所做的就是用一个单一的层面来替换三到四个不同的光学元件。”

Devlin指出，Metalenz的价值主张不仅仅是基于镜头成本比较来降低成本。“塑料镜片很便宜，但我们所做的是帮助降低包括镜片的数量和总体成本。

虽然Metalenz最初的目标是智能手机，它可以改进3D传感器和显示器下的摄像头，但Devlin表示，它的下一个市场将瞄准汽车。“我们关注的是汽车行业，它是目前相机的最大用户之一。”

延伸阅读——TDK Ventures投资高性能光学传感器创新者Metalenz

Metalenz制造了一项突破性的高性能微型平面透镜技术，该技术可将光转换为多种光学系统，包括3D感测。

Metalenses曾被Weforum评为十大新兴技术，具有使传感器和其他成像设备进一步小型化的潜力。

TDK将利用其在AR / VR，微执行器，智能手机摄像头，物联网和制造领域的丰富经验来加速Metalenz的成功

TDK宣布，子公司TDK Ventures投资了光学透镜技术先驱Metalenz，它准备利用其基于超表面的创新光学解决方案来创新照明，成像和显示系统。与许多传统的笨重的光学系统相比，Metalenz的最新技术可以使用更小，更轻和更高性能的组件来操纵光。尤其是，Metalenz正在为智能手机相机市场开发3D感应解决方案，通过取代智能手机中现有的堆叠式镜头来实现新的高级功能。

Metalenz首席执行官兼联合创始人Robert Devlin说：“在Metalenz，我们的愿景是改变数字光学组件的工作方式，使其更小，更轻，性能更高。“随着TDK成为投资者和战略合作伙伴，我们将获得更多的专家，工具和市场机会，这将带来更高水平的功能和成果。与TDK Ventures的杰出团队合作是我的荣幸，因为他们与我们一起作为真正的合作伙伴，竭尽全力加快我们的成功。”

Metalenz的开拓性解决方案使产品可以在标准的半导体制造过程中一步完成。该公司正在与众多行业合作伙伴合作，将其突破性的产品推向市场，例如与应用材料合作设备，与英特尔合作开发以及现在与TDK合作材料科学。

TDK Ventures董事总经理Nicolas Sauvage表示：“到目前为止，在旅程的每一步中，Metalenz的大胆愿景，才华横溢的团队以及令人难以置信的惊人执行力都给我们留下深刻的印象。 “他们所构建的核心是真正意义上的变革-一种可以彻底改变智能手机，相机，笔记本电脑和许多物联网设备中现有镜头的技术。我们相信这将是TDK渴望投资并以重要方式做出贡献的重要市场机会。”

TDK Ventures与主要投资者Tsingyuan Ventures共同投资。Tsingyuan Ventures的执行合伙人邵旭辉表示：“ Metalenz将彻底颠覆光学世界。TDK在正确的时间加入，为团队提供了非常有价值的专业知识，并协助在多个领域实现价值。我们很高兴能联合TDK，并期待与他们合作使Metalenz取得巨大的成功。”

与其他现有的透镜组件相比，Metalenz凭借其更薄，更平的透镜和更简单的结构，能够精确地控制不同波长的光，这是通过哈佛大学Capasso研究实验室利用其多年研究的超表面以及光学材料如何影响光来实现。 Metalenz的联合创始人包括Capasso研究实验室的负责人Federico Capasso教授。

“元表面是光学领域令人难以置信的创新。这些薄而轻的组件利用的结构比光的波长还小，可以通过一步一步的半导体光刻来制造。” Metalenz联合创始人兼董事长卡帕索教授说。 “ TDK是我们寻求进一步扩展能力的真正令人惊叹的合作伙伴。 TDK了解我们的技术和业务，可以提供大量资源来立即帮助我们。”
编辑：lyn