Lentes planas hechas de nanoestructuras transforman cámaras y proyectores diminutos

Los metalenses finalmente pasan a manos de los consumidores

Esta imagen de metalens, tomada con un microscopio electrónico de barrido, muestra la variación en los tamaños y diseños de los nanopilares utilizados para manipular la luz.

Dentro de las computadoras, teléfonos y otros dispositivos móviles de hoy en día, cada vez más sensores, procesadores y otros dispositivos electrónicos luchan por el espacio. Las cámaras ocupan una gran parte de este valioso inmueble: casi todos los dispositivos necesitan una cámara, o dos, tres o más. Y la parte de la cámara que más espacio ocupa es el objetivo.

Las lentes de nuestros dispositivos móviles normalmente recogen y dirigen la luz entrante por refracción, usando una curva en un material transparente, generalmente plástico, para desviar los rayos. Por lo tanto, estas lentes no pueden encogerse mucho más de lo que ya lo han hecho: para hacer una cámara pequeña, la lente debe tener una distancia focal corta; pero cuanto más corta es la distancia focal, mayor es la curvatura y, por tanto, el grosor en el centro. Estos lentes altamente curvados también sufren todo tipo de aberraciones, por lo que los fabricantes de módulos de cámara usan múltiples lentes para compensar, aumentando el volumen de la cámara.

Con los lentes de hoy, el tamaño de la cámara y la calidad de la imagen están tirando en diferentes direcciones. La única forma de hacer lentes más pequeños y mejores es reemplazar los lentes refractivos con una tecnología diferente.

Esa tecnología existe. Es el metalens, un dispositivo desarrollado en Harvard y comercializado en Metalenz, donde soy ingeniero de aplicaciones. Creamos estos dispositivos usando técnicas tradicionales de procesamiento de semiconductores para construir nanoestructuras sobre una superficie plana. Estas nanoestructuras utilizan un fenómeno llamado óptica de metasuperficie para dirigir y enfocar la luz. Estas lentes pueden ser extremadamente delgadas: unos pocos cientos de micrómetros de espesor, aproximadamente el doble del grosor de un cabello humano. Y podemos combinar la funcionalidad de múltiples lentes curvas en solo uno de nuestros dispositivos, abordando aún más la escasez de espacio y abriendo la posibilidad de nuevos usos para cámaras en dispositivos móviles.

Antes de contarte cómo evolucionaron las lentes metálicas y cómo funcionan, considera algunos esfuerzos anteriores para reemplazar las lentes curvas tradicionales.

Conceptualmente, cualquier dispositivo que manipule la luz lo hace alterando sus tres propiedades fundamentales: fase, polarización e intensidad. La idea de que cualquier onda o campo de ondas se puede deconstruir hasta estas propiedades fue propuesta por Christiaan Huygens en 1678 y es un principio rector en toda la óptica.

En este solo metalens [entre pinzas], los pilares tienen menos de 500 nanómetros de diámetro. El recuadro negro en la parte inferior izquierda de la ampliación representa 2,5 micrómetros. Metalenz

A principios del siglo XVIII, las economías más poderosas del mundo otorgaron gran importancia a la construcción de faros con lentes de proyección más grandes y potentes para ayudar a proteger sus intereses marítimos. Sin embargo, a medida que estas lentes de proyección se hacían más grandes, también lo hacía su peso. Como resultado, el tamaño físico de una lente que podía elevarse hasta la parte superior de un faro y soportarse estructuralmente imponía limitaciones a la potencia del haz que podía producir el faro.

El físico francés Augustin-Jean Fresnel se dio cuenta de que si cortaba una lente en facetas, gran parte del grosor central de la lente podía eliminarse pero aún conservaba la misma potencia óptica. La lente de Fresnel representó una mejora importante en la tecnología óptica y ahora se usa en una gran cantidad de aplicaciones, incluidos los faros y las luces de freno de los automóviles, los retroproyectores y, aún, para las lentes de proyección de los faros. Sin embargo, la lente Fresnel tiene limitaciones. Por un lado, los bordes planos de las facetas se convierten en fuentes de luz dispersa. Por otro lado, las superficies facetadas son más difíciles de fabricar y pulir con precisión que las curvas continuas. Es un no-go para lentes de cámara, debido a los requisitos de precisión de la superficie necesarios para producir buenas imágenes.

Otro enfoque, ahora ampliamente utilizado en la detección 3D y la visión artificial, tiene sus raíces en uno de los experimentos más famosos de la física moderna: la demostración de difracción de Thomas Young en 1802. Este experimento mostró que la luz se comporta como una onda, y cuando las ondas se encuentran, pueden amplificarse o cancelarse entre sí dependiendo de qué tan lejos hayan viajado. El denominado elemento óptico difractivo (DOE) basado en este fenómeno utiliza las propiedades ondulatorias de la luz para crear un patrón de interferencia, es decir, regiones alternas de oscuridad y luz, en forma de una matriz de puntos, una cuadrícula o cualquier otra. número de formas. Hoy en día, muchos dispositivos móviles utilizan DOE para convertir un rayo láser en "luz estructurada". Este patrón de luz es proyectado, capturado por un sensor de imagen y luego utilizado por algoritmos para crear un mapa 3D de la escena. Estos diminutos DOE encajan muy bien en dispositivos pequeños, pero no se pueden usar para crear imágenes detalladas. Entonces, nuevamente, las aplicaciones son limitadas.

Entran los metalens. Desarrollado en Harvard por un equipo dirigido por el profesor Federico Capasso, el entonces estudiante graduado Rob Devlin, los investigadores asociados Reza Khorasaninejad, Wei Ting Chen y otros, los metalenses funcionan de una manera que es fundamentalmente diferente de cualquiera de estos otros enfoques.

Una metalens es una superficie plana de vidrio con una capa semiconductora en la parte superior. Grabado en el semiconductor hay una serie de pilares de varios cientos de nanómetros de altura. Estos nanopilares pueden manipular las ondas de luz con un grado de control que no es posible con las lentes refractivas tradicionales.

Imagine un pantano poco profundo lleno de pastos marinos parados en el agua. Una ola entrante hace que la hierba marina se balancee de un lado a otro, enviando polen por los aires. Si piensa en esa ola entrante como energía luminosa y en los nanopilares como tallos de algas marinas, puede imaginarse cómo las propiedades de un nanopilar, incluida su altura, grosor y posición junto a otros nanopilares, podrían cambiar la distribución de la luz emergente. de la lente

Una oblea de 12 pulgadas puede contener hasta 10.000 metalenses, fabricados con una sola capa de semiconductor.Metalenz

Podemos usar la capacidad de un metalens para redirigir y cambiar la luz de varias maneras. Podemos dispersar y proyectar la luz como un campo de puntos infrarrojos. Invisibles a simple vista, estos puntos se utilizan en muchos dispositivos inteligentes para medir la distancia, mapear una habitación o una cara. Podemos ordenar la luz por su polarización (más sobre eso en un momento). Pero probablemente la mejor manera de explicar cómo estamos usando estas metasuperficies como lentes es observar la aplicación de lentes más familiar: capturar una imagen.

El proceso comienza iluminando una escena con una fuente de luz monocromática: un láser. (Si bien el uso de un metalens para capturar una imagen a todo color es conceptualmente posible, todavía es un experimento de laboratorio y está lejos de la comercialización). Los objetos en la escena hacen rebotar la luz por todo el lugar. Parte de esta luz regresa hacia el metalens, que apunta, con los pilares hacia afuera, hacia la escena. Estos fotones que regresan golpean la parte superior de los pilares y transfieren su energía en vibraciones. Las vibraciones, llamadas plasmones, viajan por los pilares. Cuando esa energía llega al fondo de un pilar, sale como fotones, que luego pueden ser capturados por un sensor de imagen. Esos fotones no necesitan tener las mismas propiedades que los que entraron en los pilares; podemos cambiar estas propiedades por la forma en que diseñamos y distribuimos los pilares.

Investigadores de todo el mundo han estado explorando el concepto de metalenses durante décadas.

En un artículo publicado en 1968 en Soviet Physics Uspekhi, el físico ruso Victor Veselago puso la idea de los metamateriales en el mapa, con la hipótesis de que nada descartaba la existencia de un material que exhibiera un índice de refracción negativo. Tal material interactuaría con la luz de manera muy diferente a como lo haría un material normal. Donde la luz normalmente rebota en un material en forma de reflejo, pasaría alrededor de este tipo de metamaterial como el agua alrededor de una roca en un arroyo.

Tomó hasta el año 2000 antes de que la teoría de los metamateriales se implementara en el laboratorio. Ese año, Richard A. Shelby y sus colegas de la Universidad de California, San Diego, demostraron un metamaterial de índice de refracción negativo en la región de las microondas. Publicaron el descubrimiento en 2001 en Science, causando revuelo cuando la gente imaginaba capas de invisibilidad. (Si bien es intrigante reflexionar, crear un dispositivo de este tipo requeriría fabricar y ensamblar con precisión miles de metasuperficies).

Los primeros metalens que crearon imágenes de alta calidad con luz visible salieron del laboratorio de Federico Capasso en Harvard. Demostrada en 2016, con una descripción de la investigación publicada en Science, la tecnología atrajo inmediatamente el interés de los fabricantes de teléfonos inteligentes. Luego, Harvard otorgó la licencia de propiedad intelectual fundacional exclusivamente a Metalenz, donde ahora se comercializa.

Un solo metalens [derecha] puede reemplazar una pila de lentes tradicionales [izquierda], simplificando la fabricación y reduciendo drásticamente el tamaño de un paquete de lentes.Metalenz

Desde entonces, investigadores de la Universidad de Columbia, Caltech y la Universidad de Washington, en colaboración con la Universidad de Tsinghua, en Beijing, también han demostrado la tecnología.

Gran parte del trabajo de desarrollo que realiza Metalenz implica ajustar la forma en que se diseñan los dispositivos. Para traducir las características de la imagen, como la resolución, en patrones a nanoescala, desarrollamos herramientas para ayudar a calcular la forma en que las ondas de luz interactúan con los materiales. Luego convertimos esos cálculos en archivos de diseño que se pueden usar con equipos de procesamiento de semiconductores estándar.

La primera ola de metasuperficies ópticas que se abrió paso en los sistemas de imágenes móviles tiene del orden de 10 millones de pilares de silicio en una sola superficie plana de solo unos pocos milímetros cuadrados, con cada pilar ajustado con precisión para aceptar la fase de luz correcta, un proceso laborioso. incluso con la ayuda de software avanzado. Las futuras generaciones de metalens no necesariamente tendrán más pilares, pero probablemente tendrán geometrías más sofisticadas, como bordes inclinados o formas asimétricas.

Metalenz salió del modo sigiloso en 2021 y anunció que se estaba preparando para aumentar la producción de dispositivos. La fabricación no fue un desafío tan grande como el diseño porque la empresa fabrica metasuperficies utilizando los mismos materiales, litografía y procesos de grabado que utiliza para fabricar circuitos integrados.

De hecho, los metalenses son menos exigentes de fabricar que incluso un microchip muy simple porque requieren solo una máscara de litografía en lugar de las docenas que requiere un microprocesador. Eso los hace menos propensos a defectos y menos costosos. Además, el tamaño de las características en una metasuperficie óptica se mide en cientos de nanómetros, mientras que las fundiciones están acostumbradas a fabricar chips con características menores de 10 nanómetros.

Y, a diferencia de las lentes de plástico, las metalenses se pueden fabricar en las mismas fundiciones que producen los demás chips destinados a los teléfonos inteligentes. Esto significa que podrían integrarse directamente con los chips de cámara CMOS en el sitio en lugar de tener que enviarlos a otra ubicación, lo que reduce aún más sus costos.

Se puede utilizar una sola meta-óptica, en combinación con una matriz de emisores láser, para crear el tipo de patrón de puntos o líneas de infrarrojo cercano de alto contraste que se utiliza en la detección 3D. Metalenz

En 2022, ST Microelectronics anunció la integración de la tecnología de metasuperficie de Metalenz en sus módulos FlightSense. Las generaciones anteriores de FlightSense se han utilizado en más de 150 modelos de teléfonos inteligentes, drones, robots y vehículos para detectar la distancia. Dichos productos con tecnología Metalenz ya están en manos de los consumidores, aunque ST Microelectronics no publica detalles.

De hecho, la detección de distancia es un punto óptimo para la generación actual de tecnología de metalens, que opera en longitudes de onda del infrarrojo cercano. Para esta aplicación, muchas empresas de electrónica de consumo utilizan un sistema de tiempo de vuelo, que tiene dos componentes ópticos: uno que transmite luz y otro que la recibe. La óptica de transmisión es más complicada. Estos involucran múltiples lentes que recogen la luz de un láser y la transforman en ondas de luz paralelas o, como lo llaman los ingenieros ópticos, un haz colimado. Estos también requieren una rejilla de difracción que convierte el haz colimado en un campo de puntos. Un solo metalens puede reemplazar todas las ópticas de transmisión y recepción, ahorrando espacio dentro del dispositivo y reduciendo costos.

Y un metalens hace mejor el trabajo de campo de puntos en condiciones de iluminación difíciles porque puede iluminar un área más amplia usando menos energía que una lente tradicional, dirigiendo más luz hacia donde usted quiere.

Los sistemas de imágenes convencionales, en el mejor de los casos, recopilan información solo sobre la posición espacial de los objetos y su color y brillo. Pero la luz transporta otro tipo de información: la orientación de las ondas de luz a medida que viajan por el espacio, es decir, la polarización. Las futuras aplicaciones de metalens aprovecharán la capacidad de la tecnología para detectar luz polarizada.

La polarización de la luz que se refleja en un objeto transmite todo tipo de información sobre ese objeto, incluida la textura de la superficie, el tipo de material de la superficie y la profundidad con la que la luz penetra en el material antes de rebotar en el sensor. Antes del desarrollo de los metalens, un sistema de visión artificial requeriría subsistemas optomecánicos complejos para recopilar información de polarización. Por lo general, giran un polarizador, estructurado como una valla para permitir que solo pasen las ondas orientadas en un cierto ángulo, frente a un sensor. Luego monitorean cómo el ángulo de rotación afecta la cantidad de luz que llega al sensor.

La óptica de metasuperficie es capaz de capturar información de polarización de la luz, revelando las características de un material y proporcionando información de profundidad.Metalenz

Un metalens, por el contrario, no necesita una cerca; toda la luz entrante pasa. Luego, se puede redirigir a regiones específicas del sensor de imagen en función de su estado de polarización, utilizando un solo elemento óptico. Si, por ejemplo, la luz se polariza a lo largo del eje X, las nanoestructuras de la metasuperficie dirigirán la luz a una sección del sensor de imagen. Sin embargo, si está polarizado a 45 grados del eje X, la luz se dirigirá a una sección diferente. Luego, el software puede reconstruir la imagen con información sobre todos sus estados de polarización.

Con esta tecnología, podemos reemplazar equipos de laboratorio que antes eran grandes y costosos con pequeños dispositivos de análisis de polarización incorporados en teléfonos inteligentes, automóviles e incluso anteojos de realidad aumentada. Un polarímetro basado en un teléfono inteligente podría permitirle determinar si una piedra en un anillo es diamante o vidrio, si el concreto está curado o necesita más tiempo, o si vale la pena comprar un palo de hockey costoso o si contiene microfisuras. Se podrían usar polarímetros en miniatura para determinar si la viga de soporte de un puente está en riesgo de fallar, si un parche en el camino es hielo negro o simplemente está mojado, o si un parche verde es realmente un arbusto o una superficie pintada que se usa para ocultar un tanque. Estos dispositivos también podrían ayudar a habilitar la identificación facial a prueba de falsificación, ya que la luz se refleja en una foto 2D de una persona en ángulos diferentes a los de una cara 3D y en una máscara de silicona de manera diferente a como lo hace en la piel. Los polarizadores portátiles podrían mejorar los diagnósticos médicos remotos; por ejemplo, la polarización se usa en oncología para examinar cambios en los tejidos.

Pero al igual que el teléfono inteligente en sí, es difícil predecir a dónde nos llevarán los metalenses. Cuando Apple presentó el iPhone en 2008, nadie podría haber predicho que generaría empresas como Uber. De la misma manera, quizás las aplicaciones más emocionantes de los metalenses son aquellas que aún no podemos ni imaginar.