Une start-up transforme la détection d’image avec la technologie Flat Meta-Optic

Metalenz, une spin-out de l’Université Harvard basée à Boston, est sortie du mode furtif pour dévoiler sa technologie de lentilles méta-optiques. La société vise à remplacer les lentilles en plastique par des guides d’ondes construits à partir de nanostructures de silicium fabriquées dans les mêmes fonderies qui produisent de la microélectronique et des capteurs d’image CMOS, et en utilisant des processus semi-conducteurs standard.

La société a également annoncé avoir levé 10 millions de dollars auprès de 3M Ventures, Applied Ventures LLC, Intel Capital, M Ventures et TDK Ventures, ainsi que Tsingyuan Ventures et Braemar Energy Ventures. Il utilisera ce financement pour étendre la production et accélérer le développement de l’optique miniature sur la technologie des puces.

Dans une interview avec EE Times, le co-fondateur et PDG de la société, Rob Devlin, a déclaré avoir été inondé de demandes de fabricants de téléphones portables depuis leur première démonstration de la technologie en 2016 et qu’ils sont maintenant en discussions avancées avec deux de ces fabricants de téléphones. «Nous avons également deux fabricants capables de produire les puces et nous attendons les premiers produits d’ici la fin de 2021. Les puces d’objectif sont relativement petites, nous pouvons donc produire 1 à 5 millions d’objectifs par jour. Une seule tranche peut contenir entre 5 000 et 10 000 lentilles. »

Manipuler la lumière au niveau de la nanostructure

Ces dernières années, les smartphones ont inclus différents modules de caméra, chacun avec des objectifs en plastique différents. La progression technologique a vu ces lentilles changer avec des logiciels de traitement sophistiqués. En revanche, la technologie Metalenz exploite les interactions de la lumière et de la matière à l’échelle nanométrique pour obtenir un contrôle «sans précédent» du comportement de la lumière. Alors que les optiques conventionnelles réfractent, réfléchissent et polarisent la lumière lorsqu’elle traverse la majeure partie d’un matériau, cette innovation utilise des motifs et des structures minuscules à la surface pour rediriger la lumière à volonté.

Devlin a déclaré que ces structures peuvent manipuler la lumière et fournir un degré de contrôle qui ne serait pas possible avec les conceptions traditionnelles. «Il y a une phase; il y a la polarisation, l’intensité, la longueur d’onde, il y a toute une mine d’informations dans la lumière. Et le concept était, pouvez-vous contrôler complètement tout cela avec une seule surface plane. »

La technologie de Metalenz est née du travail effectué à la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences de Harvard, dirigée par le professeur de physique appliquée Federico Capasso. Il a été le premier groupe à pouvoir focaliser tout le spectre de la lumière visible en utilisant une méta-optique (une méta-lentille). Metalenz dispose d’une licence mondiale exclusive sur un portefeuille d’innovations dans l’optique plate développé par son laboratoire.

«Il a été gratifiant de voir Metalenz émerger avec succès en tant que startup après une décennie de recherche dans mon groupe allant de la généralisation de la loi de l’optique réfractive de Snell vieille de plusieurs siècles à la réalisation de lentilles plates qui surpassent les lentilles conventionnelles», a déclaré Capasso, qui est le professeur Robert L. Wallace de physique appliquée et chercheur principal Vinton Hayes en génie électrique à Harvard SEAS. Capasso est également co-fondateur de Metalenz et membre du conseil d’administration de l’entreprise.

La méta-optique expliquée

Les méta-lentilles utilisent des ailettes à l’échelle nanométrique pour focaliser la lumière; les ailettes sont plates, là où les lentilles typiques sont incurvées. La structure se compose de nanophares couplées qui régulent la vitesse de différentes longueurs d’onde de la lumière simultanément, tout en contrôlant également l’indice de réfraction sur la méta-surface pour s’assurer que toutes les longueurs d’onde atteignent le point focal en même temps.

La focalisation de l’ensemble du spectre visible est difficile car chaque longueur d’onde se déplace à travers les matériaux à des vitesses différentes. Les longueurs d’onde rouges se déplacent à travers le verre plus rapidement que les bleus, de sorte que les deux couleurs entraînent des foyers différents créant une distorsion ou des aberrations chromatiques. L’indice de réfraction (n) peut varier avec la longueur d’onde: les ondes lumineuses de plus grande longueur d’onde ont un indice plus faible et vice versa. L’aberration chromatique est un défaut de formation d’image en raison de la valeur de réfraction différente des longueurs d’onde qui composent la lumière traversant le milieu optique.

Si vous n’avez qu’un seul objectif, les aberrations telles que la distorsion et la dispersion prendront le dessus, réduisant la qualité de l’image. En fait, les optiques des smartphones utilisent de nombreux objectifs pour optimiser l’image. Cependant, empiler plusieurs éléments d’objectif les uns sur les autres nécessite plus d’espace vertical dans le module de caméra. Au lieu d’utiliser des éléments en plastique et en verre empilés sur un capteur d’image, la conception de Metalenz utilise une seule lentille (nano-lentille, méta-lentille) construite sur une plaquette de verre d’une taille de 1 × 1 à 3 × 3 millimètres.

Devlin a souligné que la fabrication de ces nano-lentilles à l’aide de procédés à semi-conducteurs réduit la complexité, conduisant ainsi à la construction de nouveaux modules plus petits avec des lentilles qui peuvent être attachées directement au capteur. Un logiciel de traitement peut ensuite améliorer l’image en combinant plusieurs sources provenant de différentes chambres.

La lumière traverse ces nanostructures à motifs formées de plusieurs millions de cercles «optiques» de différents diamètres au niveau microscopique. «De la manière dont une lentille incurvée accélère et ralentit la lumière pour la plier et changer le chemin optique, chacun fait fondamentalement la même chose en changeant les diamètres de ces cercles», a déclaré Devlin.

Il a ajouté: «L’idée générale est de le réduire à sa forme la plus simple. Il ne s’agissait donc pas simplement de voir quel niveau de contrôle vous pouviez obtenir sur la lumière avec une seule couche plane bidimensionnelle. Mais c’est aussi parce que lorsque vous le faites en une seule couche, cela peut maintenant être fait avec une seule étape de lithographie, vous rendez l’optique très performante pour l’électronique d’imagerie.

Une étape vitale consistait à garantir que la technologie continuerait de fonctionner dans une gamme de conditions environnementales.

«Nous avons fait des expériences où vous faites varier la température, de la température ambiante à 150 degrés Celsius, et nous avons vu qu’il n’y a pratiquement aucun changement dans les propriétés optiques réelles de la lentille elle-même», a déclaré Devlin. «Donc, si vous comparez cela aux lentilles en plastique, elles ont en fait un très gros changement, car le plastique varie beaucoup avec la température. Cela conduit également à nos autres applications en plus des smartphones, qui sont l’automobile. Dans l’automobile, vous utilisez souvent des lentilles en verre en raison des exigences de température et de la stabilité de la température. Avec notre technologie, vous fabriquez maintenant des lentilles à l’échelle de la fonderie de semi-conducteurs avec des performances qui, en termes de température, sont équivalentes, voire meilleures que le verre dans certains cas, mais maintenant vous pouvez le faire à un coût abordable », a déclaré Devlin.

Dynamique du marché

Devlin a souligné l’importance de l’avancée, en termes de réduction de la complexité de l’objectif requis dans les appareils tels que les smartphones, pour la facilité de fabrication dans les processus standard et la stabilité de la température du verre par rapport au plastique.

«Au cours des 20 dernières années, la plupart des progrès de la technologie des caméras et de la détection dans l’électronique grand public ont concerné l’électronique et les algorithmes, mais les optiques elles-mêmes sont restées relativement inchangées. Chez Metalenz, nous fournissons de nouvelles fonctionnalités aux lentilles qui permettent une production à grande échelle dans les mêmes fonderies de semi-conducteurs fabriquant l’électronique pour la première fois. Il a ajouté: «Ce module réduit non seulement la complexité, mais offre également de meilleures performances en termes de lumière collectée. La détection structurée de la lumière et du temps de vol est compliquée. Ce que nous faisons, c’est remplacer les trois ou quatre éléments optiques différents par une seule couche de surface. »

Devlin a souligné que la proposition de valeur de Metalenz ne concerne pas seulement la réduction des coûts basée sur la comparaison des coûts des lentilles. «Les lentilles en plastique sont bon marché, mais ce que nous faisons, c’est aider à réduire les coûts sur toute la ligne, en termes de nombre de lentilles et de coûts d’intégration.

Alors que la société cible initialement les smartphones, dans lesquels elle peut améliorer les capteurs 3D et les caméras sous-écran, Devlin a déclaré que son prochain marché était l’automobile. «Nous nous intéressons à l’automobile, qui est actuellement l’un des plus gros utilisateurs d’appareils photo.»