Metalenz: Neue Nano-Technologie schrumpft Obektive und ermöglicht neue Anwendungen

Das Startup Metalenz ist vier Jahre nach seiner Gründung aus dem Stealth-Modus aufgetaucht und hat eine völlig neue Linsen-Technologie namens "optical metasurfaces" für eine neue Art von Objektiven vorgestellt. Das Besondere an diesen neuen Objektiven ist, daß sie aus einer einzigen, extrem flachen Oberfläche bestehen und nicht - wie etwa aktuelle Smartphone-Objektive - aus mehreren hintereinander liegenden Linsen bestehen.

Durch den Wegfall verschiedener Materialschichten (Glas oder Plastik) wird eine größere Lichtstärke erreicht, weitere Vorteile sind eine extrem kompakte und platzsparende Bauweise sowie die Abdeckung eines größeren Wellenlängenbereichs außerhalb des sichtbaren Lichts.

Die neue Metalens-Technik beruht auf Forschungen mehrerer Wissenschaftler der Harvard Universität, über die wir bereits 2012 Neue flache Linse mit perfektem Bild könnte Objektive revolutionieren und 2015 Nano Silizium Antennen könnten Objektive revolutionieren berichtet hatten. Seitdem haben einige der beteiligten Forscher die Firma Metalenz gegründet, die noch bestehenden Probleme gelöst und die Technologie marktreif gemacht.

Die neuen ultradünnen Linsen sind zwischen 1x1 und 3x3 Millimeter groß und bestehen aus Nanostrukturen aus Silikon, welche nach genauen Berechnungen gefertigt werden und das Licht exakt brechen, ohne die sonst üblichen optischen Verzeichnungen normaler Linsen zu erzeugen. Die nur 60 Nanometer dicken Linsen sind einfach herzustellen und decken im Gegensatz zu traditionellen Linsen aus Glas einen viel größeren Wellenbereich des elektromagnetischen Spektrums ab und können so - je nach Oberflächenstruktur - von Infrarot- bis zu Terahertz Wellenlängen eingesetzt werden.

Hergestellt werden die Linsen, indem eine extrem dünne Schicht Silizium mit einem nur Nanometer dicken Goldpartikelfilm bedeckt wird, aus dem dann V-förmige Strukturen, die in konzentrischen Kreisen ums Zentrum angeordnet sind, herausgefräst werden. Diese "Antennen" fangen dann die hereinkommenden Photonen ein und strahlen sie zeitverzögert wieder ab. Größe, Winkel und Abstand der Antennen bestimmen die genaue Wellenlänge, auf die sie reagieren.

Durch die exakt abstimmbaren minimalen Verzögerungen, die entstehen, wenn die Antennen auf der gesamten Oberfläche Licht einfangen und kurz darauf wieder abgeben, wird die Richtung der Photonen geändert und es ergibt sich ein Linsen-Effekt wie bei traditionellen Glaslinsen. Allerdings ohne deren Verzeichnung des Abbilds, wie etwa Unschärfen am Rand des Bildes, Astigmatismus, der Fish-Eye-Effekt oder Koma Aberrationen. Das resultierende Bild soll vollkommen akkurat sein und keine komplexen Techniken zur Bildkorrektur benötigen.

Noch 2015 konnten diese Nano-Antennen Flachlinse nur eine Wellenlänge fokussieren, inzwischen funktionieren sie auch für das sichtbare polychromatische Licht, das aus verschiedenen Wellenlängen zusammengesetzt ist.

Die neuen Metalenz-Objektive sollen zu Jahresende in Massen produziert werden und voraussichtlich 2022 auf den Markt kommen. Günstigerweise können sie in bestehenden Chip-Fabriken produziert werden, da sie auf wie Chips auf Silizium-Struktuten in Nanometer-Größe basieren. Smartphone-Kameras, die mit solchen Objektiven ausgestattet sind, können platzsparender konstruiert werden und so den inzwischen in aktuellen Smartphones fest etablierten Objektiv-Kamerabuckel verschwinden lassen, mit dem erfreulichen Effekt flacherer Geräte.

Die Bildqualität der neuen Objektive soll mindestens der traditioneller Optiken entsprechen, zudem können sie lichtstärker sein und durch die Abdeckung eines weiteren Wellenbereichs auch noch für andere Aufgaben eingesetzt werden.

So wird das erste Metalenz-Modell (es ist nicht bekannt von welchem Hersteller) wohl für einen in einem Smartphone integrierten 3D-Sensor zum Einsatz kommen. Wird der Sensor auf der Frontseite des Smartphones wie etwa bei Apple zur Authentifizierung des Users per Facescan eingesetzt, kann durch die neue kompaktere Technologie der bisher dafür notwendige Notch im Display beseitigt werden, indem Kamera und Sensor unter dem Glas platziert werden.

Der Kamerabuckel von Smartphones könnte mithilfe von Metalenz verschwinden

Die neuen Objektive können nicht nur in Smartphones, sondern auch in AR- oder VR-Kameras sowie in Autos oder speziellen medizinischen Anwendungen z.B. für winzige Kameras in Haaresbreite, die zur Inspektion von Blutbahnen im Körper genutzt werden können. Möglich wären via Metalenz-Objektiven auch in Smartphones integrierte Spektrometer, etwa zur Analyse von Materialien, welche Smartphones völlig neuen Anwendungsgebiete erschließen würden.

Mithilfe der Metalinsen-Technik sind aber auch andere Neuentwicklungen denkbar - so haben zum Beispiel kürzlich Forscher des MIT den Prototypen eines flachen verzerrungsfreies 180°-Fisheye-Objektiv entwickelt - andere Objektiv-Arten wären auch denkbar, gerade auch, da Metalenz die Technik heimlich so weiterentwickelt hat, daß jetzt auch die Fertigung von Metalinsen. welche im sichtbaren Bereich des Lichts funktionieren in großem Massstab möglich ist.