Metalens: platte lenzen gemaakt van nanostructuren
Stel je een gewone cameralens voor: een stapel gebogen glazen schijven die licht buigen tot een scherp beeld. Dat principe is eeuwenoud en werkt uitstekend, maar zulke lenzen zijn dik, zwaar en lastig te verkleinen. Een metalens (kort voor 'metasurface-lens') doet in feite hetzelfde — licht bundelen tot een scherp punt of beeld — maar dan met een volledig vlak plaatje, vaak dunner dan een blaadje papier. In plaats van glas te buigen, gebruikt een metalens miljoenen piepkleine zuiltjes op een plat oppervlak om lichtgolven te sturen.
Je kunt het vergelijken met een ouderwetse krantenfoto die is opgebouwd uit duizenden kleine puntjes: van dichtbij zie je losse stipjes, van veraf een samenhangend beeld. Een metalens werkt vergelijkbaar, maar dan met licht in plaats van inkt. Elk nanozuiltje is kleiner dan de golflengte van het licht dat erdoorheen gaat en buigt de lichtgolf een klein beetje bij. Door de vorm, hoogte en oriëntatie van elk zuiltje precies te ontwerpen, telt het effect van al die minuscule buigingen samen op tot hetzelfde resultaat als een gebogen lens: licht dat van alle kanten binnenkomt, wordt in één brandpunt samengebracht.
Wat is het precies?
Een gewone lens buigt licht doordat het langzaam dikker of dunner wordt naar de rand toe. Licht dat door het dikke midden gaat, wordt anders vertraagd dan licht dat door de dunne rand gaat, en dat verschil in vertraging (in de natuurkunde 'faseverschil' genoemd) zorgt ervoor dat alle lichtstralen precies in één punt samenkomen.
Een metalens bereikt datzelfde faseverschil, maar dan zonder een dikke, gebogen vorm nodig te hebben. Op een volkomen vlak oppervlak staat een dicht patroon van nanostructuren — meestal kleine zuiltjes of vinnen, gemaakt van materialen als titaniumdioxide of siliciumnitride. Elke structuur is kleiner dan de golflengte van het licht (bij zichtbaar licht dus kleiner dan enkele honderden nanometers, oftewel duizendsten van een duizendste millimeter) en fungeert als een piepklein 'antenneetje' dat de fase, sterkte en soms ook de polarisatie (trillingsrichting) van het lokale lichtgolfje aanpast.
Door op elke plek op de lens een net iets andere zuil te plaatsen — een andere breedte, hoogte of draaiing — ontstaat over het hele oppervlak een geleidelijk faseprofiel, precies zoals bij een gebogen lens, maar dan 'getekend' met nanostructuren in plaats van gegoten in glas. Zo'n oppervlak met kunstmatig ontworpen optische eigenschappen heet een metasurface; een metalens is een metasurface die specifiek is ontworpen om licht te focussen.
Voor de fabricage wordt vaak gebruikgemaakt van dezelfde technieken als bij chipproductie: elektronenbundellithografie voor onderzoeksprototypes (nauwkeurig maar traag en duur), en voor grotere aantallen technieken als diep-ultraviolet (DUV) lithografie of nano-imprint lithografie, waarbij een soort stempel de nanopatronen in korte tijd op een oppervlak drukt.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van metalenzen is miniaturisatie. Moderne smartphonecamera's bevatten vaak vijf tot acht gestapelde, gebogen glazen of kunststoflenzen om kleurfouten en vervormingen te corrigeren. Dat kost ruimte, gewicht en productiekosten. Een dunne, vlakke metalens zou in theorie dezelfde of betere beeldkwaliteit kunnen leveren met veel minder laagjes, of zelfs met één laag.
Daarnaast bieden metalenzen functies die met gewoon glas lastig of onmogelijk zijn. Omdat elk nanozuiltje afzonderlijk kan worden ontworpen, kan één en dezelfde vlakke laag tegelijk licht focussen, de polarisatie ervan filteren en zelfs verschillende golflengtes apart sturen. Dat maakt compacte sensoren mogelijk die meerdere optische taken combineren, iets waarvoor met klassieke optica meerdere aparte onderdelen nodig zouden zijn.
Een derde drijfveer is compatibiliteit met bestaande chipfabrieken. Omdat metalenzen met vergelijkbare technieken als computerchips gemaakt kunnen worden, hopen onderzoekers en bedrijven dat optiek uiteindelijk net zo goedkoop en massaal geproduceerd kan worden als elektronica — een fundamenteel andere aanpak dan het slijpen en polijsten van glas dat al eeuwen de norm is.
Het doel is overigens niet om per se élke lens ter wereld te vervangen. Voor grote, hoogwaardige camera- of telescooplenzen blijft glas voorlopig superieur. De ambitie ligt vooral bij toepassingen waar compactheid, gewicht en integratie met sensoren zwaarder wegen dan absolute optische topprestaties.
Voorbeelden uit de praktijk
Het onderzoeksveld kreeg een belangrijke impuls in 2016, toen de groep van natuurkundige Federico Capasso aan Harvard University in het tijdschrift Science een metalens demonstreerde die zichtbaar licht kon focussen met een scherpte op het theoretische maximum (het zogeheten diffractielimiet), vergelijkbaar met een goede microscooplens. Dat werk gaf het startsein voor een golf aan vervolgonderzoek wereldwijd.
Uit diezelfde Harvard-groep ontstond het bedrijf Metalenz, opgericht door voormalig promovendus Robert Devlin. Het bedrijf richt zich op het commercieel maken van metalens-chips voor sensortoepassingen. Metalenz werkte samen met chipfabrikant STMicroelectronics om metalens-gebaseerde polarisatiesensoren te integreren in consumentenelektronica — een van de eerste voorbeelden van een metalens die niet in een laboratorium, maar in een geproduceerd apparaat terechtkwam.
Een ander actief onderzoeksspoor betreft achromatische metalenzen: lenzen die, net als gewoon glas, over het hele zichtbare kleurenspectrum scherp kunnen stellen in plaats van slechts bij één golflengte. Verschillende academische groepen, waaronder die van Capasso zelf, hebben werkende prototypes laten zien, al gaat dat meestal nog gepaard met een kleinere lensdiameter of lager rendement dan bij lenzen voor één kleur.
Ook in de medische beeldvorming wordt geëxperimenteerd met metalenzen aan de tip van optische vezels, met als doel extreem kleine endoscopen of beeldvormingskatheters te maken die dieper en minder invasief in het lichaam kunnen kijken dan huidige instrumenten.
Tot slot publiceren grote elektronicabedrijven zoals Samsung onderzoek naar metalens-technologie voor toekomstige beeldsensoren en compacte AR/VR-brillen, waarbij dunne, lichte optiek essentieel is om een bril draagbaar te houden.
Hoe ver is de techniek?
Metalenzen zitten grotendeels nog in de onderzoeks- en nichefase. Sinds ongeveer 2022 zijn de eerste commerciële toepassingen verschenen, vooralsnog vooral gespecialiseerde polarisatiesensoren voor bijvoorbeeld materiaalherkenning en beveiliging, niet massaal geproduceerde cameralenzen voor consumentenfoto's.
Er zijn een paar hardnekkige technische obstakels. Het bekendste is chromatische aberratie: de meeste metalenzen zijn ontworpen voor precies één golflengte licht, terwijl gewoon (wit) licht uit een heel spectrum aan kleuren bestaat. Achromatische varianten bestaan, maar meestal met een kleinere lensdiameter of lager lichtrendement als compromis.
Een tweede obstakel is de apertuurgrootte: de meeste gedemonstreerde metalenzen zijn nog maar enkele millimeters groot. Opschalen naar centimeters, zoals bij gewone cameralenzen, vergt enorme rekenkracht, omdat elk van de miljarden nanostructuren mee ontworpen moet worden voor een consistent optisch effect.
Ten derde is er de efficiëntie: een deel van het licht gaat verloren door verstrooiing en absorptie in de nanostructuren, waardoor metalenzen vaak nog minder licht doorlaten dan gepolijst glas. En ten vierde moet de productie op schaal nog verder rijpen; DUV-lithografie en nano-imprinttechnieken maken massaproductie in theorie mogelijk, vergelijkbaar met chipfabricage, maar de kosten en opbrengstpercentages moeten nog concurrerend worden met klassieke lensproductie.
Het tempo van onderzoek is sinds 2016 wel duidelijk versneld: het aantal wetenschappelijke publicaties en octrooiaanvragen groeit gestaag, en er is durfkapitaal geïnvesteerd in startups op dit gebied. Een brede vervanging van gewone lenzen in bijvoorbeeld smartphonecamera's is echter nog niet gebeurd, en het is onzeker binnen welke termijn dat wel zou lukken.
Wie werken eraan?
De Verenigde Staten lopen voorop in dit onderzoeksveld, met Harvard University als bakermat via de onderzoeksgroep van Federico Capasso. Vanuit die groep ontstond de startup Metalenz (Boston), die als een van de eersten metalens-technologie naar de markt bracht, in samenwerking met chipfabrikant STMicroelectronics.
Ook grote elektronicabedrijven zoals Samsung publiceren onderzoek naar metalenzen voor beeldsensoren en compacte optiek. Het Deense bedrijf NIL Technology is gespecialiseerd in nano-imprintlithografie, een fabricagetechniek die relevant is voor het betaalbaar opschalen van metasurface-productie.
Buiten de VS zijn Zuid-Koreaanse universiteiten als POSTECH en KAIST actief en zichtbaar in publicaties over metaoptics. Amerikaanse financieringsinstanties zoals defensieonderzoeksbureau DARPA en de National Science Foundation hebben onderzoek naar metasurface-optiek gefinancierd, wat mede heeft bijgedragen aan de snelle groei van het veld sinds het midden van de jaren 2010. Ook Europese onderzoeksinstituten, waaronder het Belgische imec, werken aan verwante nanofotonica die raakvlakken heeft met metasurface-technologie.