近日，位于波士頓的哈佛大學附屬公司Metalenz推出了其超光學透鏡技術。該公司的目標是用硅納米結構波導取代塑料透鏡，這些硅納米結構由生產微電子和CMOS圖像傳感器的同廠使用標準的半導體工藝制造。

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1000萬美元。Metalenz將利用這筆資金進行規模化生產，并加快微型光學芯片技術的發展。

超薄平面透鏡由玻璃基板上的二氧化鈦納米鰭組成

Metalenz的聯合創始人兼首席執行官Rob Devlin表示，自2016年首次展示這項技術以來，他們已經收到了來自手機制造商的大量請求，目前他們正在與其中兩家手機制造商進行深入討論。“我們還有兩家有能力生產這種芯片的制造商，預計將在2021年底推出第一批產品。鏡頭芯片相對較小，所以我們每天可以生產1- 500萬個鏡頭。一個晶圓片可以容納大約5000到10000個透鏡。”

在納米級結構上操縱光

近年來，智能手機包含了不同的攝像頭模組，每個模組都有不同的塑料鏡頭。隨著技術進步，這些鏡頭也隨著復雜的處理軟件發生了變化。相比之下，Metalenz技術利用光和物質在納米尺度上的相互作用，實現了對光路徑“前所未有”的控制。當光線穿過材料的大部分時，傳統光學會折射、反射和偏振光，而這一創新利用表面的微小圖案和結構來隨意對光線進行重定向。

Devlin表示，這些結構可以操縱光線，并提供了傳統設計無法實現的控制程度。”有偏振，有強度，有波長，光中有大量的信息。我們的理念是，你能否僅用一個平面就完全控制這一切。”

Metalenz的技術源于哈佛大學約翰保爾森工程與應用科學學院的技術成果，該學院由應用物理學教授Federico Capasso領導。他的團隊是第一個能夠使用超光學超透鏡聚焦整個可見光光譜的小組。Metalenz擁有他的實驗室開發的平面光學創新產品組合的獨家全球許可。

Capasso是哈佛海洋大學應用物理學教授和文頓·海耶斯電氣工程高級研究員，他介紹：“在我的團隊進行了十年的研究后，看到Metalenz成功地成為一家初創公司，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定律到實現比傳統透鏡性能更好的平面透鏡。” Capasso也是Metalenz公司的聯合創始人和董事會成員。

什么是Meta-optics

元透鏡使用納米級的鰭片來聚焦光線;鰭是平的，而典型的透鏡是彎曲的。該結構由耦合的納米鰭組成，可以同時調節不同波長的光速，同時還可以控制亞表面折射率，以確保所有波長的光同時到達焦點。

由于每個波長以不同的速度穿過材料，所以使用整個可見光譜是一項挑戰。紅色的波長穿透玻璃的速度比藍色的快，所以這兩種顏色會產生不同的聚焦，造成失真或色差。折射率（n）可以隨波長變化：波長較長的光波折射率較低，反之亦然。色差是由于組成光通過光學介質的波長的折射率不同而造成的成像缺陷。

如果你只有一個鏡頭，像失真和色散這樣的像差就會凸顯，降低圖像質量。事實上，智能手機的光學系統使用許多鏡頭來優化圖像。然而，在相機模組內將多個鏡頭元件疊加在一起需要更多的垂直空間。Metalenz的設計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，使用半導體工藝制造這些納米透鏡可以降低復雜性，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合來自不同腔室的多個源來增強圖像。

光穿過這些由數百萬個不同直徑的“光學”圓組成的有圖案的納米結構。Devlin：“就像彎曲透鏡通過加速或減速來彎曲光線并改變光路一樣，這些技術都通過改變這些圓的直徑來實現相同的效果。”

“總體思路是將其簡化為最簡單的形式。所以這不僅僅是看你能用一個二維平面層控制到什么程度的問題。但這也因為當你在單層中完成時，它現在可以通過一個光刻步驟來完成，這為成像電子學制造了非常高性能的光學。”

其中至關重要的一步是確保該技術能夠在一系列環境條件下繼續發揮作用。

Devlin介紹：“我們做過實驗，把溫度從室溫調到150℃，我們發現透鏡本身的實際光學特性基本上沒有變化。和塑料鏡片相比，它們實際上有很大的變化，因為塑料鏡片會隨著溫度變化很大。得益于此特性，我們還將它用在汽車上。在汽車中，由于溫度要求穩定，一般使用玻璃鏡片。有了我們的技術，你現在可以用半導體代工廠制作的透鏡，它們在溫度方面的性能是相等的，甚至在某些情況下比玻璃更好，成本也負擔得起。”

市場動態

Devlin強調了這一進展的重要性，即降低智能手機等設備所需透鏡的復雜性，簡化標準工藝的制造，以及玻璃相對于塑料的溫度穩定性。

“在過去的20年里，消費電子產品中相機和傳感技術的大多數進步都是在電子產品和算法方面，但光學本身的技術進展緩慢。在Metalenz，我們正在為透鏡提供新的功能，使第一次生產這種電子產品的半導體代工廠能夠大規模生產。 這個模塊不僅降低了復雜性，而且在光收集方面提供了更高的性能。結構光和TOF的技術相比復雜。我們所做的就是用一個單一的層面來替換三到四個不同的光學元件。”

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

雖然Metalenz最初的目標是智能手機，它可以改進3D傳感器和顯示器下的攝像頭，但Devlin表示，它的下一個市場將瞄準汽車。“我們關注的是汽車行業，它是目前相機的最大用戶之一。”

延伸閱讀——TDK Ventures投資高性能光學傳感器創新者Metalenz

Metalenz制造了一項突破性的高性能微型平面透鏡技術，該技術可將光轉換為多種光學系統，包括3D感測。

Metalenses曾被Weforum評為十大新興技術，具有使傳感器和其他成像設備進一步小型化的潛力。

TDK將利用其在AR / VR，微執行器，智能手機攝像頭，物聯網和制造領域的豐富經驗來加速Metalenz的成功

TDK宣布，子公司TDK Ventures投資了光學透鏡技術先驅Metalenz，它準備利用其基于超表面的創新光學解決方案來創新照明，成像和顯示系統。與許多傳統的笨重的光學系統相比，Metalenz的最新技術可以使用更小，更輕和更高性能的組件來操縱光。尤其是，Metalenz正在為智能手機相機市場開發3D感應解決方案，通過取代智能手機中現有的堆疊式鏡頭來實現新的高級功能。

Metalenz首席執行官兼聯合創始人Robert Devlin說：“在Metalenz，我們的愿景是改變數字光學組件的工作方式，使其更小，更輕，性能更高。“隨著TDK成為投資者和戰略合作伙伴，我們將獲得更多的專家，工具和市場機會，這將帶來更高水平的功能和成果。與TDK Ventures的杰出團隊合作是我的榮幸，因為他們與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品可以在標準的半導體制造過程中一步完成。該公司正在與眾多行業合作伙伴合作，將其突破性的產品推向市場，例如與應用材料合作設備，與英特爾合作開發以及現在與TDK合作材料科學。

TDK Ventures董事總經理Nicolas Sauvage表示：“到目前為止，在旅程的每一步中，Metalenz的大膽愿景，才華橫溢的團隊以及令人難以置信的驚人執行力都給我們留下深刻的印象。 “他們所構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，相機，筆記本電腦和許多物聯網設備中現有鏡頭的技術。我們相信這將是TDK渴望投資并以重要方式做出貢獻的重要市場機會。”

TDK Ventures與主要投資者Tsingyuan Ventures共同投資。Tsingyuan Ventures的執行合伙人邵旭輝表示：“ Metalenz將徹底顛覆光學世界。TDK在正確的時間加入，為團隊提供了非常有價值的專業知識，并協助在多個領域實現價值。我們很高興能聯合TDK，并期待與他們合作使Metalenz取得巨大的成功。”

與其他現有的透鏡組件相比，Metalenz憑借其更薄，更平的透鏡和更簡單的結構，能夠精確地控制不同波長的光，這是通過哈佛大學Capasso研究實驗室利用其多年研究的超表面以及光學材料如何影響光來實現。 Metalenz的聯合創始人包括Capasso研究實驗室的負責人Federico Capasso教授。

“元表面是光學領域令人難以置信的創新。這些薄而輕的組件利用的結構比光的波長還小，可以通過一步一步的半導體光刻來制造。” Metalenz聯合創始人兼董事長卡帕索教授說。 “ TDK是我們尋求進一步擴展能力的真正令人驚嘆的合作伙伴。 TDK了解我們的技術和業務，可以提供大量資源來立即幫助我們。”
編輯：lyn