近日，位于波士頓的哈佛大學(xué)附屬公司Metalenz推出了其超光學(xué)透鏡技術(shù)。該公司的目標(biāo)是用硅納米結(jié)構(gòu)波導(dǎo)取代塑料透鏡，這些硅納米結(jié)構(gòu)由生產(chǎn)微電子和CMOS圖像傳感器的同廠使用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝制造。

Metalenz還宣布已從3M Ventures、Applied Ventures LLC、Intel Capital、M Ventures、TDK Ventures以及Tsingyuan Ventures和Braemar Energy Ventures融資1000萬(wàn)美元。Metalenz將利用這筆資金進(jìn)行規(guī)模化生產(chǎn)，并加快微型光學(xué)芯片技術(shù)的發(fā)展。

超薄平面透鏡由玻璃基板上的二氧化鈦納米鰭組成

Metalenz的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官Rob Devlin表示，自2016年首次展示這項(xiàng)技術(shù)以來(lái)，他們已經(jīng)收到了來(lái)自手機(jī)制造商的大量請(qǐng)求，目前他們正在與其中兩家手機(jī)制造商進(jìn)行深入討論。“我們還有兩家有能力生產(chǎn)這種芯片的制造商，預(yù)計(jì)將在2021年底推出第一批產(chǎn)品。鏡頭芯片相對(duì)較小，所以我們每天可以生產(chǎn)1- 500萬(wàn)個(gè)鏡頭。一個(gè)晶圓片可以容納大約5000到10000個(gè)透鏡。”

在納米級(jí)結(jié)構(gòu)上操縱光

近年來(lái)，智能手機(jī)包含了不同的攝像頭模組，每個(gè)模組都有不同的塑料鏡頭。隨著技術(shù)進(jìn)步，這些鏡頭也隨著復(fù)雜的處理軟件發(fā)生了變化。相比之下，Metalenz技術(shù)利用光和物質(zhì)在納米尺度上的相互作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光路徑“前所未有”的控制。當(dāng)光線穿過材料的大部分時(shí)，傳統(tǒng)光學(xué)會(huì)折射、反射和偏振光，而這一創(chuàng)新利用表面的微小圖案和結(jié)構(gòu)來(lái)隨意對(duì)光線進(jìn)行重定向。

Devlin表示，這些結(jié)構(gòu)可以操縱光線，并提供了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的控制程度。”有偏振，有強(qiáng)度，有波長(zhǎng)，光中有大量的信息。我們的理念是，你能否僅用一個(gè)平面就完全控制這一切。”

Metalenz的技術(shù)源于哈佛大學(xué)約翰保爾森工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的技術(shù)成果，該學(xué)院由應(yīng)用物理學(xué)教授Federico Capasso領(lǐng)導(dǎo)。他的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)能夠使用超光學(xué)超透鏡聚焦整個(gè)可見光光譜的小組。Metalenz擁有他的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的平面光學(xué)創(chuàng)新產(chǎn)品組合的獨(dú)家全球許可。

Capasso是哈佛海洋大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)教授和文頓·海耶斯電氣工程高級(jí)研究員，他介紹：“在我的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了十年的研究后，看到Metalenz成功地成為一家初創(chuàng)公司，這非常值得。我們的研究范圍從推廣古老的斯涅爾折射光學(xué)定律到實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)透鏡性能更好的平面透鏡。” Capasso也是Metalenz公司的聯(lián)合創(chuàng)始人和董事會(huì)成員。

什么是Meta-optics

元透鏡使用納米級(jí)的鰭片來(lái)聚焦光線;鰭是平的，而典型的透鏡是彎曲的。該結(jié)構(gòu)由耦合的納米鰭組成，可以同時(shí)調(diào)節(jié)不同波長(zhǎng)的光速，同時(shí)還可以控制亞表面折射率，以確保所有波長(zhǎng)的光同時(shí)到達(dá)焦點(diǎn)。

由于每個(gè)波長(zhǎng)以不同的速度穿過材料，所以使用整個(gè)可見光譜是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。紅色的波長(zhǎng)穿透玻璃的速度比藍(lán)色的快，所以這兩種顏色會(huì)產(chǎn)生不同的聚焦，造成失真或色差。折射率（n）可以隨波長(zhǎng)變化：波長(zhǎng)較長(zhǎng)的光波折射率較低，反之亦然。色差是由于組成光通過光學(xué)介質(zhì)的波長(zhǎng)的折射率不同而造成的成像缺陷。

如果你只有一個(gè)鏡頭，像失真和色散這樣的像差就會(huì)凸顯，降低圖像質(zhì)量。事實(shí)上，智能手機(jī)的光學(xué)系統(tǒng)使用許多鏡頭來(lái)優(yōu)化圖像。然而，在相機(jī)模組內(nèi)將多個(gè)鏡頭元件疊加在一起需要更多的垂直空間。Metalenz的設(shè)計(jì)不是使用塑料和玻璃元素疊加在圖像傳感器上，而是使用單個(gè)透鏡（納米透鏡，元透鏡），放置在1×1到3×3毫米大小的玻璃晶片上。

Devlin指出，使用半導(dǎo)體工藝制造這些納米透鏡可以降低復(fù)雜性，從而制造出更小的模組，這些模組的透鏡可以直接連接到傳感器上。處理軟件可以通過結(jié)合來(lái)自不同腔室的多個(gè)源來(lái)增強(qiáng)圖像。

光穿過這些由數(shù)百萬(wàn)個(gè)不同直徑的“光學(xué)”圓組成的有圖案的納米結(jié)構(gòu)。Devlin：“就像彎曲透鏡通過加速或減速來(lái)彎曲光線并改變光路一樣，這些技術(shù)都通過改變這些圓的直徑來(lái)實(shí)現(xiàn)相同的效果。”

“總體思路是將其簡(jiǎn)化為最簡(jiǎn)單的形式。所以這不僅僅是看你能用一個(gè)二維平面層控制到什么程度的問題。但這也因?yàn)楫?dāng)你在單層中完成時(shí)，它現(xiàn)在可以通過一個(gè)光刻步驟來(lái)完成，這為成像電子學(xué)制造了非常高性能的光學(xué)。”

其中至關(guān)重要的一步是確保該技術(shù)能夠在一系列環(huán)境條件下繼續(xù)發(fā)揮作用。

Devlin介紹：“我們做過實(shí)驗(yàn)，把溫度從室溫調(diào)到150℃，我們發(fā)現(xiàn)透鏡本身的實(shí)際光學(xué)特性基本上沒有變化。和塑料鏡片相比，它們實(shí)際上有很大的變化，因?yàn)樗芰乡R片會(huì)隨著溫度變化很大。得益于此特性，我們還將它用在汽車上。在汽車中，由于溫度要求穩(wěn)定，一般使用玻璃鏡片。有了我們的技術(shù)，你現(xiàn)在可以用半導(dǎo)體代工廠制作的透鏡，它們?cè)跍囟确矫娴男阅苁窍嗟鹊模踔猎谀承┣闆r下比玻璃更好，成本也負(fù)擔(dān)得起。”

市場(chǎng)動(dòng)態(tài)

Devlin強(qiáng)調(diào)了這一進(jìn)展的重要性，即降低智能手機(jī)等設(shè)備所需透鏡的復(fù)雜性，簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)工藝的制造，以及玻璃相對(duì)于塑料的溫度穩(wěn)定性。

“在過去的20年里，消費(fèi)電子產(chǎn)品中相機(jī)和傳感技術(shù)的大多數(shù)進(jìn)步都是在電子產(chǎn)品和算法方面，但光學(xué)本身的技術(shù)進(jìn)展緩慢。在Metalenz，我們正在為透鏡提供新的功能，使第一次生產(chǎn)這種電子產(chǎn)品的半導(dǎo)體代工廠能夠大規(guī)模生產(chǎn)。 這個(gè)模塊不僅降低了復(fù)雜性，而且在光收集方面提供了更高的性能。結(jié)構(gòu)光和TOF的技術(shù)相比復(fù)雜。我們所做的就是用一個(gè)單一的層面來(lái)替換三到四個(gè)不同的光學(xué)元件。”

Devlin指出，Metalenz的價(jià)值主張不僅僅是基于鏡頭成本比較來(lái)降低成本。“塑料鏡片很便宜，但我們所做的是幫助降低包括鏡片的數(shù)量和總體成本。

雖然Metalenz最初的目標(biāo)是智能手機(jī)，它可以改進(jìn)3D傳感器和顯示器下的攝像頭，但Devlin表示，它的下一個(gè)市場(chǎng)將瞄準(zhǔn)汽車。“我們關(guān)注的是汽車行業(yè)，它是目前相機(jī)的最大用戶之一。”

延伸閱讀——TDK Ventures投資高性能光學(xué)傳感器創(chuàng)新者M(jìn)etalenz

Metalenz制造了一項(xiàng)突破性的高性能微型平面透鏡技術(shù)，該技術(shù)可將光轉(zhuǎn)換為多種光學(xué)系統(tǒng)，包括3D感測(cè)。

Metalenses曾被Weforum評(píng)為十大新興技術(shù)，具有使傳感器和其他成像設(shè)備進(jìn)一步小型化的潛力。

TDK將利用其在AR / VR，微執(zhí)行器，智能手機(jī)攝像頭，物聯(lián)網(wǎng)和制造領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)來(lái)加速M(fèi)etalenz的成功

TDK宣布，子公司TDK Ventures投資了光學(xué)透鏡技術(shù)先驅(qū)Metalenz，它準(zhǔn)備利用其基于超表面的創(chuàng)新光學(xué)解決方案來(lái)創(chuàng)新照明，成像和顯示系統(tǒng)。與許多傳統(tǒng)的笨重的光學(xué)系統(tǒng)相比，Metalenz的最新技術(shù)可以使用更小，更輕和更高性能的組件來(lái)操縱光。尤其是，Metalenz正在為智能手機(jī)相機(jī)市場(chǎng)開發(fā)3D感應(yīng)解決方案，通過取代智能手機(jī)中現(xiàn)有的堆疊式鏡頭來(lái)實(shí)現(xiàn)新的高級(jí)功能。

Metalenz首席執(zhí)行官兼聯(lián)合創(chuàng)始人Robert Devlin說(shuō)：“在Metalenz，我們的愿景是改變數(shù)字光學(xué)組件的工作方式，使其更小，更輕，性能更高。“隨著TDK成為投資者和戰(zhàn)略合作伙伴，我們將獲得更多的專家，工具和市場(chǎng)機(jī)會(huì)，這將帶來(lái)更高水平的功能和成果。與TDK Ventures的杰出團(tuán)隊(duì)合作是我的榮幸，因?yàn)樗麄兣c我們一起作為真正的合作伙伴，竭盡全力加快我們的成功。”

Metalenz的開拓性解決方案使產(chǎn)品可以在標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體制造過程中一步完成。該公司正在與眾多行業(yè)合作伙伴合作，將其突破性的產(chǎn)品推向市場(chǎng)，例如與應(yīng)用材料合作設(shè)備，與英特爾合作開發(fā)以及現(xiàn)在與TDK合作材料科學(xué)。

TDK Ventures董事總經(jīng)理Nicolas Sauvage表示：“到目前為止，在旅程的每一步中，Metalenz的大膽愿景，才華橫溢的團(tuán)隊(duì)以及令人難以置信的驚人執(zhí)行力都給我們留下深刻的印象。 “他們所構(gòu)建的核心是真正意義上的變革-一種可以徹底改變智能手機(jī)，相機(jī)，筆記本電腦和許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中現(xiàn)有鏡頭的技術(shù)。我們相信這將是TDK渴望投資并以重要方式做出貢獻(xiàn)的重要市場(chǎng)機(jī)會(huì)。”

TDK Ventures與主要投資者Tsingyuan Ventures共同投資。Tsingyuan Ventures的執(zhí)行合伙人邵旭輝表示：“ Metalenz將徹底顛覆光學(xué)世界。TDK在正確的時(shí)間加入，為團(tuán)隊(duì)提供了非常有價(jià)值的專業(yè)知識(shí)，并協(xié)助在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)價(jià)值。我們很高興能聯(lián)合TDK，并期待與他們合作使Metalenz取得巨大的成功。”

與其他現(xiàn)有的透鏡組件相比，Metalenz憑借其更薄，更平的透鏡和更簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，能夠精確地控制不同波長(zhǎng)的光，這是通過哈佛大學(xué)Capasso研究實(shí)驗(yàn)室利用其多年研究的超表面以及光學(xué)材料如何影響光來(lái)實(shí)現(xiàn)。 Metalenz的聯(lián)合創(chuàng)始人包括Capasso研究實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Federico Capasso教授。

“元表面是光學(xué)領(lǐng)域令人難以置信的創(chuàng)新。這些薄而輕的組件利用的結(jié)構(gòu)比光的波長(zhǎng)還小，可以通過一步一步的半導(dǎo)體光刻來(lái)制造。” Metalenz聯(lián)合創(chuàng)始人兼董事長(zhǎng)卡帕索教授說(shuō)。 “ TDK是我們尋求進(jìn)一步擴(kuò)展能力的真正令人驚嘆的合作伙伴。 TDK了解我們的技術(shù)和業(yè)務(wù)，可以提供大量資源來(lái)立即幫助我們。”
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