Разработчики современных смартфонов сталкиваются с проблемой нехватки места для размещения всех нужных датчиков. Больше всего места «под капотом» занимают сенсоры камер. Однако появление металинз может кардинально изменить эту ситуацию, а также сделать фото- и видеотехнику профессионального уровня доступной для обычных пользователей за счет снижения ее стоимости. Технология также имеет широкий потенциал для применения, например, в приложениях дополненной и виртуальной реальности, медицине и космонавтике. «РБК Тренды» разобрались, как работают металинзы и какие у них перспективы.
Что такое металинзы
Металинзы — это более тонкие, чем обычные линзы, оптические компоненты, которые в перспективе позволят улучшить и вывести на новый уровень работу фото- и видеотехники. Они представляют собой плоские пластины с наночастицами, которые визуально похожи на выступы и по-разному преломляют лучи света. Такие наночастицы расположены в строго определенном порядке, что позволяет фокусировать лучи света в нужной точке.
Обычные линзы собирают и направляют падающий свет путем преломления, а для этого используются выпуклые поверхности из прозрачного материала — стекла или пластика. Чтобы сделать камеру с такой линзой компактной, объектив должен иметь короткое фокусное расстояние. Оно определяется расстоянием от точки схождения лучей (фокуса) до плоскости объектива. Чем более выпуклая линза, тем сильнее она преломляет лучи, а, значит, имеет меньшее фокусное расстояние. Однако такие линзы более массивные и подвержены аберрации — состоянию, при котором края изображений размываются из-за невозможности сфокусировать свет в этих областях. Обычно в сложной оптике, в том числе в медицинской, используется целая система линз с выпуклыми и вогнутыми поверхностями, чтобы добиться детализированной картинки. Однако это делает подобные системы громоздкими и дорогими в производстве.
Потенциал применения металинз
Металинза способна объединить функциональность нескольких оптических компонентов в сложной системе, а также ее можно использовать для внедрения дополнительных функций, таких как поляризация света — фильтрация бликов, отражаемых от гладкой поверхности (воды или льда), — и его расщепление. Например, поляризация используется для работы точечных проекторов и рассеивателей, а также 3D-зондирования. При нем физические характеристики местности и объектов измеряются благодаря отраженному и излучаемому свету. Это позволяет внедрять более совершенные технологии распознавания лиц, а также делать AR- и VR-приложения более реалистичными.
В целом, металинзы можно использовать там, где важно уменьшить размер и вес оптики системы. Они могут внедряться в системы 3D-зондирования в автономных транспортных средствах и распознавания лиц; медицинские устройства, такие как эндоскопы и микроскопы; системы наблюдения, такие как инфракрасные камеры и камеры машинного зрения; системы отображения и обработки изображений, например, камеры мобильных телефонов, CMOS-датчики изображения и гарнитуры AR/VR; в приложения голографии.
Отдельная проблема, которую могут решить металинзы, связана с зеркальными камерами. Эти камеры позволяют получать высококачественные изображения, но при этом громоздкие и много весят, а также отличаются высокой стоимостью. Внедрение новых линз позволит не только уменьшить габариты таких камер, но и снизить их цену.
Как работает технология
Металинзы могут быть чрезвычайно тонкими — толщиной несколько сотен микрометров, что примерно в два раза толще человеческого волоса. Они используют рисунок «метаатомов» на отражающей поверхности, чтобы управлять падающим светом. Метаатомы — это крошечные структуры различной формы и размера, положение которых может быть произвольным. Порядок расположения этих структур важен не только для фокусировки света, как в традиционной линзе, но и для более широкого спектра функций.
Чтобы успешно манипулировать светом, линзы должны с большой чувствительностью фиксировать разницу между показателем преломления метаатомов и показателем преломления отражающего материала. Этот материал может быть разным — так, для для применения в ближнем инфракрасном диапазоне подойдет кремний. Обычно в этом диапазоне работают лидарные датчики. Если же речь идет о видимом диапазоне волн, как в фото- и видеотехнике, то более подходящими вариантами считаются диоксид титана, нитрид галлия и нитрид кремния.
Преимущество металинз — их можно изготавливать на оборудовании для производства обычных чипов. Но сложность разработки металинз заключается в том, что их диаметр может варьироваться от сотен микрон — для датчиков изображения и эндоскопов — до сантиметров в камерах мобильных телефонов или гарнитур дополненной реальности. Это требует разных подходов в проектировании или техпроцессов.
Другая проблема связана с правильным выбором метода изготовления. Он зависит от структуры метаатомов. В настоящее время рассматриваются несколько перспективных направлений:
- Электронно-лучевая литография, в которой используется сфокусированный луч электронов для создания наноразмерных рисунков на отражающей поверхности. Однако этот метод не подходит для массового производства, а предназначен для исследовательских целей.
- DUV-литография, в которой используется глубокий ультрафиолет (DUV) для переноса сложных узоров на светочувствительный материал. Он уже используется в производстве полупроводников, а при таком методе в качестве отражающего материала можно использовать кремний.
- Наноимпринтная литография, при которой форму с заданными наноструктурами переносят на отражающий материал путем прессования. При этом методе можно применять эпоксидные смолы, которые были заранее обработаны УФ-излучением или термическим путем.
Однако все эти методы имеют недостаток. Они позволяют поддерживать перемещения метаатомов в трехмерной плоскости в направлениях осей координат X и Y, но имеют ограниченную способность при работе с осью Z.
Сложность массового выпуска металинз связана и с материальными затратами. Однако в некоторых областях преимущества этих линз могут перевешивать их стоимость, например, при изготовлении медицинских эндоскопов.
Будущее металинз
До настоящего времени проектированием металинз занимались в основном стартапы и отдельные исследователи. Еще в 2016 году ученые Гарвардского университета представили прототип миниатюрной линзы. Ее размер составлял всего 2 мм, а стоимость изготовления была в 2-3 ниже, чем обычной линзы из просветленного оптического стекла. Гарвард передал разработку компании Metalenz для ее доработки и коммерциализации. В 2022 году ST Microelectronics объявила об интеграции технологии Metalenz в свои сенсоры FlightSense, которые использовались в более чем 150 моделях смартфонов, дронов, роботов и транспортных средств для пространственной ориентации. Продукты с технологией Metalenz уже вышли на рынок.
В 2019 году Samsung представила первую коммерческую разработку с применением технологии металинз — сенсор Isocell Bright HMX для камеры смартфонов с разрешением 108 мегапикселей. Этот показатель сравним с цифровой зеркальной камерой высокого класса, а сенсор позволяет получать чрезвычайно детализированные фотографии и улучшить качество съемки даже при слабом освещении до 27 мегапикселей. При этом с помощью Isocell Bright HMX можно снимать видео с разрешением до 6K со скоростью 30 кадров в секунду. В том же году вышел первый смартфон с такой камерой — Xiaomi Mi Mix Alpha. В 2022 году LG и Samsung начали исследовать потенциал металинз для создания миниатюрных лидаров для электромобилей.
В 2021 году ученым из Массачусетского технологического института удалось создать прототип металинзы, которая может регулировать фокус самостоятельно благодаря активности отражающей поверхности. Исследователи нанесли на нее структуры с точным рисунком, которые по-разному преломляют или отражают свет при изменении температуры этой поверхности. Так, при комнатной температуре поверхность фокусирует свет для создания четкого изображения объекта на определенном расстоянии. Если же нагреть ее, то она перенаправляет свет, чтобы сфокусироваться на более удаленном объекте. Команда использовала в разработке материал, который уже применяли в перезаписываемых компакт-дисках и DVD. Он включает германий, сурьму и теллур. Исследователи отмечают, что в их металинзу можно встроить микронагреватели, чтобы она самостоятельно меняла фокус. Потенциально новую линзу можно встраивать в тепловизоры для дронов, камеры для мобильных телефонов и очки ночного видения.
В 2023 году потенциал металинз решили применить в астрономии. Исследователи из Университета Пенсильвании и Центра космических полетов имени Годдарда НАСА использовали обычный процесс производства полупроводников — DUV-литографию — для изготовления металинзы с большой апертурой, которую протестировали в качестве объектива в обычном телескопе. Это позволило получить четкие изображения поверхности Луны с минимальным разрешением около 80 км.
В 2023 году компания Canon также продемонстрировала свою технологию поддержки металинз. Вероятно, в скором будущем производитель начнет выпускать объективы с металинзами. В дополнение к этому Canon презентовала систему наноимпринтовой литографии, которая позволит производить их в большом количестве для потребительских устройств. Литографическая машина FPA-1200NZ2 °C сможет производить полупроводники, эквивалентные 5-нм техпроцессу, но размером всего 2 нм. Это устройство в перспективе сможет использоваться также для изготовления металинз.
Несмотря на сложность технологии, разработчики с оптимизмом смотрят на перспективы ее внедрения. По мнению исследователя Гарварда и сооснователя Metalenz Роберта Девлина, металинзы позволят «объединить различные типы оптики в один слой и делать большие и громоздкие устройства настолько компактными, что они смогут покинуть лабораторию или медицинское учреждение, чтобы поместиться в кармане любого человека».