[Discussie] Ontwikkelingen Metalenzen

[Balance]

Vandaag is er een nieuw onderzoek gepubliceerd in Nature, waarmee ik het tijd vond worden om maar eens een topic te openen over metalenzen.

Een metalens is een platte lens die gemaakt is van een metamateriaal, waardoor het elektromagnetische eigenschappen krijgt die je op basis van de geometrie niet zou verwachten. In plaats van de zware, dikke lenzen van geslepen glas zou een metalens uit een dunne glasplaat met daarom een silicium structuur kunnen bestaan, met uiteindelijk dezelfde of betere optische eigenschappen dan huidige lenzen.

Er zijn meerdere uitdagingen bij het maken van metalenzen. Als eerst is het opschalen naar fatsoenlijke formaten, maar ook het achromaat krijgen van de lens zodat alle golflengtes dezelfde hoeveelheid afbuigen. Ook resolutie en diffractie zijn nog uitdagingen. Tot slot massaproductie, maar dit moet relatief makkelijk gaan omdat oude lithografiemachines hiervoor gebruikt kunnen worden.

Onderzoeken
Hier een klein lijstje met de meest relevant onderzoeken. Ik probeer deze up to date te houden.

• All-Glass, Large Metalens at Visible Wavelength Using Deep-Ultraviolet Projection Lithography / PDF (november 2019)
• Imaging based on metalenses (maart 2020)
• Diffractive metalens: from fundamentals, practical applications to current trends (maart 2020)
• Single-step manufacturing of hierarchical dielectric metalens in the visible (mei 2020)

In dit topic lijkt het me leuk om de ontwikkelingen op het gebied van metalenzen bij te houden en discussie te voeren over toekomstige technieken en toepassingen.

Deze topicstart wordt zeker nog uitgebreid, als je suggesties hebt of wilt helpen, laat het weten .

[Balance]

• Advancing the Artificial Eye with a Controllable Optical Metalens
• Multifunctional metasurfaces by dispersion engineering
• Liquid crystal integrated metalens with tunable chromatic aberration

Weer een aantal bijzonder interessante onderzoeken. De eerste gaat over een vervormbare metalens, die kan scherpstellen en voor astigmatisme kan corrigeren door de lens uit te rekken of te buigen, net als een echt oog dat doet.

De tweede gaat over een metalens met meerdere (!) brandpuntsafstanden voor verschillende golflengte licht. Totaal ondenkbaar voor traditionele optica. Gecombineerd met een kleurfilter zou je dus een groothoek- en een telelens in één metalens kunnen hebben!

Het derder onderzoek richt zich op het reduceren van chromatic aberration, door een tunable metalens te ontwikkelen die door verschillende spanningen te leveren meer of minder voor chromatische aberration corrigeert (ongeveer).

Alle drie de moeite waard om te lezen!

[Balance]

Twee nieuwe papers:

• Nature: Octave bandwidth photonic fishnet-achromatic-metalens
  UC Berkeley: Engineers create game-changing metalens that breaks records in performance
• Metalens-array–based high-dimensional and multiphoton quantum source

[Balance]

There we go: Harvard’s metalens technology enters commercial development

Ars Technica heeft er ook een goed bericht over geschreven: A new lens technology is primed to jumpstart phone cameras

[Wormaap]

Iets daadwerkelijk nieuws op lenzengebied, da's hoe dan ook interessant Ik ben benieuwd naar de prestaties van de eerste real-life producten, en dan vooral of het ook de moeite waard gaat zijn om dit soort technologie te gebruiken in 'serieuze' camera's. De tijd van je een hernia slepen aan je lenzen mag best wel eens voorbij zijn

[LA-384]

@Wormaap zoals de titel van het laatste gelinkte artikel suggereert, lijkt me dit in eerste instantie iets voor telefooncamera's. Interessante ontwikkeling iig. Stiekem hoop ik dat het niet het gewenste resultaat geeft. Het zou de markt voor dedicated fotocamera's en lenzen een nog zwaardere klap toebrengen, waardoor het een echte nichemarkt zou kunnen worden (met bijbehorende prijzen). De geaccepteerde kwaliteit van telefooncamera's zal er namelijk niet door toenemen verwacht ik, maar de noodzaak voor een losse camera zal voor de gemiddelde consument wel verder afnemen.

[Wormaap]

LA-384 schreef op zaterdag 6 februari 2021 @ 17:32:
@Wormaap zoals de titel van het laatste gelinkte artikel suggereert, lijkt me dit in eerste instantie iets voor telefooncamera's. Interessante ontwikkeling iig. Stiekem hoop ik dat het niet het gewenste resultaat geeft. Het zou de markt voor dedicated fotocamera's en lenzen een nog zwaardere klap toebrengen, waardoor het een echte nichemarkt zou kunnen worden (met bijbehorende prijzen). De geaccepteerde kwaliteit van telefooncamera's zal er namelijk niet door toenemen verwacht ik, maar de noodzaak voor een losse camera zal voor de gemiddelde consument wel verder afnemen.

Dat laatst gelinkte artikel laat vooral zien dat de smartphonemarkt de eerste plek is waar dit commerciëel ingezet gaat worden. Dat is m.i. wat anders dan dat het alleen daarvoor geschikt is. De core-cameramarkt is nogal conservatief, de fabrikanten die er de dienst uitmaken hebben geen belang bij goedkopere lenzen, de gebruikers accepteren veelal geen compromis op kwaliteit en het volume is te laag voor een 'disruptor' om er echt wat te zoeken te hebben. De smartphonemarkt is meer technologisch vooruitstrevend, de winst op gebied van formaat is directer nuttig, de focus op absolute kwaliteit lager en het volume hoger.
Dus dat een eerste commerciële lancering in die markt gebeurt is niet vreemd. Maar natuurkunde is natuurkunde. Als deze techniek doet wat't belooft in smartphones, dan laat die kleinere, lichtere, lichtsterkere, goedkopere lenzen ook maar lekker naar mijn cam komen

[Tarquin]

Wormaap schreef op zaterdag 6 februari 2021 @ 17:41:
[...]

Dat laatst gelinkte artikel laat vooral zien dat de smartphonemarkt de eerste plek is waar dit commerciëel ingezet gaat worden. Dat is m.i. wat anders dan dat het alleen daarvoor geschikt is. De core-cameramarkt is nogal conservatief, de fabrikanten die er de dienst uitmaken hebben geen belang bij goedkopere lenzen, de gebruikers accepteren veelal geen compromis op kwaliteit en het volume is te laag voor een 'disruptor' om er echt wat te zoeken te hebben

Als Canon het gewicht van een zoomlens kan terugbrengen van 2 kilo naar bv 500 gram, kunnen ze daar best geld voor vragen.
Ik denk dat het voordeel van die metalenzen niet de prijs is maar de mogelijkheden - dat ze dingen kunnen waar je nu 10 lenselementen voor nodig hebt. Of dat ze dingen kunnen die nu nog helemaal niet mogelijk zijn.


Het viel me alleen op dat die metalens in eerste instantie gebruikt wordt voor de 3d-informatie. Dat impliceert dat hij geen retescherp beeld geeft dat goed genoeg is voor foto's.

[Flow]

Tarquin schreef op zaterdag 13 februari 2021 @ 15:02:
[...]
Het viel me alleen op dat die metalens in eerste instantie gebruikt wordt voor de 3d-informatie. Dat impliceert dat hij geen retescherp beeld geeft dat goed genoeg is voor foto's.

Het artikel van ArsTechnica claimt al dan niet terecht dat:

The resulting image quality is just as sharp as what you'd get from a multilens system, and the nanostructures do the job of reducing or eliminating many of the image-degrading aberrations common to traditional cameras.

Hopelijk is dat ook zo . Ik zou wel blij worden van een iets minder gewicht/volume meeslepen maar wel foto's kunnen maken van goede kwaliteit. Momenteel lijken ze alleen nog niet de focus te leggen op normale (smartphone)lenzen maar inderdaad alleen speciale toepassingen (ToF/3D/AR/VR).

[Balance]

• New “metalens” shifts focus without tilting or moving

[Balance]

Ian Cutress (van AnandTech) heeft een video over metalenzen gemaakt!

[Balance]

Bijzonder interessant nieuw paper: https://doi.org/10.1364/OPTICA.446063

Planar wide-angle-imaging camera enabled by metalens array
Wide-angle imaging is an important function in photography and projection, but it also places high demands on the design of the imaging components of a camera. To eliminate the coma caused by the focusing of large-angle incident light, traditional wide-angle camera lenses are composed of complex optical components. Here, we propose a planar camera for wide-angle imaging with a silicon nitride metalens array mounted on a CMOS image sensor. By carefully designing proper phase profiles for metalenses with intentionally introduced shifted phase terms, the whole lens array is capable of capturing a scene with a large viewing angle and negligible distortion or aberrations. After a stitching process, we obtained a large viewing angle image with a range of >120∘ using a compact planar camera. Our device demonstrates the advantages of metalenses in flexible phase design and compact integration, and the prospects for future imaging technology.

Een praktisch platte cameramodule met een beeldhoek groter dan 120 graden. Ter referentie, dat is vergelijkbaar met een 12mm FF-equivalente groothoeklens.

[Balance]

Een nieuwe literature review is gepubliceerd in Light: Science & Applications:

• Dielectric metalens for miniaturized imaging systems: progress and challenges

Ondertussen is Metalenz (commercieel bedrijf opgericht in 2016 vanuit het Capasso Lab van Harvard University) hard bezig met commercialisatie.

• June 9, 2022: Metalenz and STMicroelectronics Deliver World’s First Optical Metasurface Technology for Consumer Electronics Devices.

Voor smartphones/mobile wordt in eerste instantie ingezet op Time-of-Flight (denk LiDAR, 3D mapping en VR/AR) en Structured Light (denk FaceID).

[Balance]

Maar er is nog meer! Terug naar research, op 14 Juni is dit paper gepubliceerd in Advanced Optical Materials:

• Reconfigurable Parfocal Zoom Metalens
  In this paper, a zoom lens design based on multi-functional optical metasurfaces is presented, which achieves large step zoom ratios, minimal distortion, and diffraction-limited optical quality without requiring mechanical moving parts. Two embodiments of the concept are experimentally demonstrated based on polarization-multiplexing in the visible and phase change materials in the mid-infrared, both yielding 10× parfocal zoom in accordance with the design.

Oftewel: Een metalens die 10x in kan zoomen zonder bewegende onderdelen. En er is geen enkele reden waarom het bij 10x zou moeten eindigen.

En ze hebben zelfs een video op Youtube gezet die hun onderzoek uitlegt!

[Balance]

Nog twee interessante publicaties:

• High-Efficiency, 80 mm Aperture Metalens Telescope
  Bijzonder cool onderzoek, ze hebben voor een telescoop applicatie het diafragma van een metalens van enkele honderden micrometers naar 80 mm opgerekt, en daar een massaproductie-vriendelijke workflow voor ontwikkeld.
• Examining the limits of nonlocal wide-field-of-view metalenses (paper)
  In December 2022 dit paper is gepubliceerd, waarin een relatie wordt gevonden tussen de field-of-view van een metalens en de minimale dikte.

[bobcom]

De meta-tele is weer een stapje dichterbij gekomen. Zo'n pancake lens wil ik ook wel op mijn camera

Voor de enthousiaste doe-het-zelver: instructies voor een DHZ-metalens, als je tenminste een DUV-lithomachine in je hobbyschuur hebt staan.

[ Voor 10% gewijzigd door bobcom op 05-03-2023 09:11 ]

[Balance]

• Metalenses Scale Up to Target the Market for Small Optics
  As high-volume manufacturing helps metalenses make their debut in consumer electronics this year, the prospects for the technology’s growth are anything but flat.
• First-of-its-kind metalens can focus extreme ultraviolet light (paper)
  A new perforated metalens proves it is possible to use nano-optics to focus beams of extreme ultraviolet light (EUV) and could open new doors in microscopy, sensing, holography, and fundamental physics research. The advance is reported in Science.
• Ultrathin Tunable Optomechanical Metalens
  "We achieve fast focal length changes of more than 5% with response time of the order of 10 μs."

Gebeurd nu weer veel! Massaproductie lijkt dit jaar rustig op te starten, terwijl het befaamde SEAS nu EUV metalenzen heeft. Ook optische zoom (!) met één enkele metalens werkt nu in het lab, en gebeurd nog belachelijk snel ook.

[Balance]

100mm diameter metalens, gemaakt met traditionele DUV-lithografie:

• https://seas.harvard.edu/news/2024/01/metalens-meets-stars

Lijkt nu best hard te gaan!

[Balance]

Hier het volledige paper van het bovenstaande nieuwbericht:

All-Glass 100 mm Diameter Visible Metalens for Imaging the Cosmos
Metasurfaces, optics made from subwavelength-scale nanostructures, have been limited to millimeter-sizes by the scaling challenge of producing vast numbers of precisely engineered elements over a large area. In this study, we demonstrate an all-glass 100 mm diameter metasurface lens (metalens) comprising 18.7 billion nanostructures that operates in the visible spectrum with a fast f-number (f/1.5, NA = 0.32) using deep-ultraviolet (DUV) projection lithography. Our work overcomes the exposure area constraints of lithography tools and demonstrates that large metasurfaces are commercially feasible. Additionally, we investigate the impact of various fabrication errors on the imaging quality of the metalens, several of which are specific to such large area metasurfaces. We demonstrate direct astronomical imaging of the Sun, the Moon, and emission nebulae at visible wavelengths and validate the robustness of such metasurfaces under extreme environmental thermal swings for space applications.

Een 150mm f/1.5 lens die slechts 14,6 gram weegt en 0,5 millimeter dun is, is wel heel indrukwekkend. Ze hebben een vergelijkbare reguliere lens gemaakt en die weegt 242 gram en is 21 mm dik.

Het sensorformaat van de sensor wordt niet expliciet genoemd helaas. Ze hebben het verder over de "visible wavelength range", maar benoemen niet expliciet wat precies wat het bereik is. Ook publiceren ze enkel zwart-wit foto's.

Op dit punt zou ik niet verbaasd zijn als we de eerste metalenzen binnen 3 jaar in smartphones terug gaan zien.

[Sissors]

Eén vraag is natuurlijk wel het prijskaartje: Lens moet redelijk formaat hebben, en litografie is natuurlijk goed voor massaproductie, maar gratis is het niet. En de reden voor enkel zwart-wit foto's kan ik je geven: Bij die van de maan zit er een 1nm bandpass filter voor (oftewel echt maar een hele specifieke kleur gaat erdoor), bij die van de sterren 7nm (en de foto's zonder processing zijn toch niet echt geweldig tbh ). En dan is dus al snel de vraag: Waarom? Gokje: Hij werkt alleen specifiek voor één kleur licht.

Als ik hiernaar kijk is het interessant, maar in 3 jaar zou ik ze echt nog niet verwachten.

[Balance]

Lens moet redelijk formaat hebben, en litografie is natuurlijk goed voor massaproductie, maar gratis is het niet.

Zeker een goed punt. Er zijn echter een paar voordelen:

• Een smartphone-sensor is behoorlijk klein, waardoor je een kleine brandpuntsafstand hebt voor een normale beeldhoek en dus ook met een kleine lens diameter volstaat. Veel lenzen zijn tussen de 6-8mm (mid-range) en 10-12mm (high-end).
• Je hebt niet bijzonder hoge resolutie lithografie nodig voor metalenzen. Sterker nog, dit onderzoek is gedaan met een ASML PAS 5500/300C DUV machine van dik 30 jaar oùd. Heck, je hebt geen eens 300mm wafers nodig, je kan oude 150mm en 200mm wafers pakken. Of nieuwe, whatever je hebt liggen. Dat scheelt een hoop.
• Ruimtegebrek is echt een ding in smartphones, er is een hoop concurrentie en ook een hoop schaal. De eerste met een werkende metalens heeft een miljardenmarkt te pakken.
• Smartphones hebben een hoop compute power. Er kunnen een hoop softwarematige correcties worden uitgevoerd, indien nodig (hier een approach).

Verder lijken de puzzelstukjes nu behoorlijk snel op z'n plek te vallen:
Volledig kleurenspectrum en massaproductie: Scalable manufacturing of high-index atomic layer–polymer hybrid metasurfaces for metaphotonics in the visible
Optische zoom (unique selling point): Researchers Develop a Flat Metalens That Can Change Its Focal Length

Verder lijkt nanoimprint lithography een hele goede kanshebber als productiemethode. Potentieel veel goedkoper, schaalbaar, snel. Bovenstaande paper gebruikt het, maar ook deze pre-print: Visible metalenses with high focusing efficiency fabricated using nanoimprint lithography.

3 jaar is misschien een beetje ambitieus. Toch zal ik verbaasd zijn als we ze niet dit decennium in smartphones gaan zien, en waarschijnlijk ook de standaard gaan worden.

[Balance]

Nieuw commercieel producten:

• How the 1st Fisheye Metalens Will Shape the Future of AR/VR
  A dive into how 2Pi Optics’ world’s first high-resolution fisheye sensor could shape the future of AR/VR content
• NIL Technology (NILT): metaEye eye-tracking camera

[ Voor 69% gewijzigd door Balance op 24-02-2024 22:24 ]

[MRIdev]

Ik "volg" dit topic vanaf het begin en complimenten dat je blijft posten.

[Balance]

MRIdev schreef op maandag 19 februari 2024 @ 14:47:
Ik "volg" dit topic vanaf het begin en complimenten dat je blijft posten.

Dank je! De eerste keer dat ik hierover las wist ik dat dit op het gebied van fotografie - en alle verwante industrieën zoals medische apparatuur, VR en astronomie - alles ging veranderen. Het duur even, maar er lijkt het laatste jaar echt vaart in te zitten!

Hier nog een interview van vorige week met de CEO van Metalenz:

• Get ready to be submerged by the new optics revolution – An interview with Metalenz

A new, tiny device is appearing in some smartphone sensing modules, initiating a revolution in the field of consumer photonics technologies and how we can manipulate light. Indeed, Yole Group had identified the presence of this device, which some experts call metalens, meta-optics, metasurface components…, in two different mobile phone models: the Google Pixel 8 and the Samsung Galaxy S23. They are located in the dToF ranger used to help photography autofocus at the rear of the smartphone, advantageously replacing the traditional optics inside STMicroelectronics’ new FlightSense™ module (VL53L8).

Ik had geen idee dat er al metalenzen in massaproductie waren, dit is best groot nieuws!

Als eerste wordt dus de NIR-markt (near-infrared) veroverd. Dit is eigenlijk alles wat niet met zichtbaar licht werkt, maar net daar boven zit (qua golflengtes).

De laatste echt grote stap is het kunnen focussen van het gehele visuele spectrum (380-750nm) met een metasurface. Dan kan het gewone lenzen gaan vervangen. Er is al een hoop onderzoek hiernaar gedaan, en het feit dat de massaproductie al op gang komt betekend dat zodra deze technologie goed genoeg is hij vrij snel in productie genomen kan worden.

Sissors schreef op dinsdag 13 februari 2024 @ 19:53:
...
Als ik hiernaar kijk is het interessant, maar in 3 jaar zou ik ze echt nog niet verwachten.

Ik zie het misschien nog wel gebeuren!

[ Voor 27% gewijzigd door Balance op 19-02-2024 16:58 ]

[Sissors]

Prijs lijkt dus geen ding te zijn, en vermoedelijk juist een selling point te zijn voor toepassingen die één golflengte gebruiken (en potentieel lagere kwaliteit kunnen hebben, geen idee of het zo is, maar de ToF sensor is natuurlijk niet 20MP).

[Balance]

Sissors schreef op maandag 19 februari 2024 @ 17:15:
Prijs lijkt dus geen ding te zijn, en vermoedelijk juist een selling point te zijn voor toepassingen die één golflengte gebruiken (en potentieel lagere kwaliteit kunnen hebben, geen idee of het zo is, maar de ToF sensor is natuurlijk niet 20MP).

In dit filmpje ziet het eruit of ze een 300mm wafers gebruiken. Dat is geen oude zooi, en dus zo te zien klaar voor echte massaproductie. Ik weet niet precies de node, maar alles tussen 65nm en 28nm is spotgoedkoop.

Waar potentieel winst zit is dat je een assembly van een aantal lenselementen kan vervangen door één metalens.

[Balance]

Twee papers over het gebruik van metalenzen in microscopen:

• Near-infrared metalens empowered dual-mode high resolution and large FOV microscope
• Longitudinal tri-foci Metalens empowered multiple-magnification and diffraction-limited microscope

Een een literature review gericht op de display-side:

• Metalens in Improving Imaging Quality: Advancements, Challenges, and Prospects for Future Display

Paar dingen die ze benoemen:

• Novel 3D Display
• Nano-Pixelate Light-Emitting Display (NLED)

Had nog niet nagedacht over de display-kant van dit verhaal. Schermen zenden natuurlijk ook licht uit, en als je dat kan manipuleren is dat ook erg interessant.

[Balance]

Metalen heeft officieel aangekondigd dat ze een Samsung-sensor gebruiken in hun Polar ID-systeem:

• Metalenz Confirms Samsung ISOCELL Vizion Image Sensor as Light- Engine for Polar ID, the World's Smallest, Most Affordable and Secure Face Unlock Solution

We kunnen hier best wat uit leren. Eerst even de specs van de ISOCELL Vizion 931

• Effective Resolution: VGA+ (640 × 640)
• Pixel Size: 2.2㎛
• Optical Format: 1/9"
• Color Filter: Monochrome / RGB1)
• Normal Frame Rate: 180fps @full 0.41MP, 240fps @VGA, 400fps @QVGA
• Shutter Type: Electronic global shutter
• front-side deep trench isolation (FDTI)
• backside scattering technology (BST)
• 60% quantum efficiency (QE) at an infrared wavelength of 850 nm

Piepklein sensortje dus, die dus ook maar een piepkleine lens nodig heeft. Maar we weten wel dat de metalens dus al werk met pixels zo klein als 2.2um en een resolutie van 640x640 kan resolven (beiden voor near-infrared). En dus in massaproductie is.

[Balance]

Wat ik me net bedacht: een telezoom bril wordt waarschijnlijk een ding.

Zal nog wel even duren voordat alle issues uitgewerkt zijn, maar ik kan op dit moment niet bedenken waarom je geen (platte) bril zou kunnen maken van een metalens die je 10x of 100x optische zoom geeft. Die je op kan zetten de momenten dat het handig is.

De limitatie is waarschijnlijk hoe stil je je hoofd kan houden of hoe schokkerig beeld je aankan. En in het donker beschikbaar licht, wellicht.

[Sissors]

In theorie zou je daar natuurlijk ook gewoon beeld stabilisatie voor moeten kunnen maken. Zeker bij een lichte lens. Al ga je bij 100x zoom wel echt iets van een algorithme nodig hebben die bepaald wat je ziet, want je kan nooit nauwkeurig genoeg je hoofd gebruiken ervoor. Een paar keer tot 10x lijkt me realistischer qua wat theoretisch nog nuttig is.

Dat gezegd hebbende: Wat je zegt hoeveelheid licht is een ding. Maar heeft de metalens met meeste zoom nu niet een paar procent zoom? Lijkt mij sowieso lastig met iets wat zo op fysieke structuren is gebaseerd. En ik denk dus dat eerst grootste ding is die dingen nauwkeurig te krijgen voor een wijd bereik aan golflengtes. Zeker als je het als bril wil gebruiken: Voor een camera kan ik me voorstellen dat als Rood en Blauw behoorlijk ander gedrag hebben, je digitaal nog een hoop kan corrigeren, net als dat nu camera's ook lens correctie hebben. Je ogen hebben geen firmware update voor lens correctie

[Balance]

We gaan langzaam richting massaproductie. Het (goedkope!) nano-imprint lithografie (NIL) lijkt hierin de dominante technologie te gaan worden.

• Metalens Coalition Details Manufacturing Benefits

Vertegenwoordigers van de Massachusetts Technology Collaborative (MassTech), de University of Massachusetts Amherst (UMass Amherst) en Electro Magnetic Applications (EMA) kwamen samen om de voordelen van metalenstechnologie te bespreken, mogelijk gemaakt door een subsidie van MassTech. Deze subsidie ondersteunt de oprichting van een open-access productie- en ontwerp/testfaciliteit bij UMass Amherst, uitgerust met nano-imprint lithografieapparatuur voor het vervaardigen van metalen tegen aanzienlijk lagere kosten. James Watkins, professor aan UMass Amherst en oprichter van Myrias Optics, benadrukte een innovatieve benadering voor het vervaardigen van metalen, die een patroon gebruikt van een halfgeleiderwafer om exemplaren in een polymeer te stempelen. EMA zal de ontwikkelde technologieën evalueren op duurzaamheid en geschiktheid voor het beoogde doel. Het doel van de samenwerking is onder meer om een technologiecluster in Massachusetts te bevorderen en kansen te bieden voor de ontwikkeling van de arbeidskracht.

Ze hebben het over "a wafer full of thousands of lenses in about 2 minutes".

[Balance]

Nieuw paper:

• Monolithically integrated wide field-of-view metalens by angular dispersionless metasurface

The paper presents a novel design and implementation of a wide field-of-view (FOV) metalens, utilizing an angular dispersionless metasurface for aberration-free focusing. The key innovation lies in the development of a single-layer, wide-angle metalens capable of handling incident waves from ±40°, featuring both a large numerical aperture (NA) and high focusing efficiency. This metalens design addresses the common limitations of existing metalenses, such as sensitivity to the angle of incidence leading to aberrations like coma and off-axis aberrations, which significantly degrade focusing and imaging performance.

Traditional approaches to mitigate these aberrations involve complex designs like the metalens doublet, which combines two different metasurfaces to focus and compensate for off-axis aberrations, respectively. However, these solutions often result in bulkier devices with complex fabrication processes. The paper introduces a simpler, more robust alternative by leveraging a meta-atom design that inherently lacks angular dispersion, thereby directly eliminating aberrations without the need for complex structures or alignment processes.

The metalens achieves this performance through a carefully designed single-phase gradient profile that enables focusing over a wide FOV with high efficiency and a large NA, utilizing a single-step printed circuit board technique for fabrication. The paper demonstrates the metalens's capabilities through both simulations and measurements, showing its potential for applications in radar engineering, imaging, sensing, communications, and detection.

[Balance]

Paper van januari dit jaar:

• Wafer-Scale Manufacturing of Near-Infrared Metalenses

Geeft wat details over mogelijke massaproductie.

En eentje van deze week:

• Stereo Imaging with a Hemispherical Field-of-View Metalens Camera

Here, we present an ultrasmall form factor metalens camera for wide-angle stereo imaging, with an experimentally measured hemispherical field-of-view (FOV) and a high resolution across the FOV limited only by the detector’s pixel size. The metalens, operating in the near-infrared (IR) range, is designed to encode a quadratic phase profile in order to capture the full 180° FOV. Moreover, it is fabricated using a mass-manufacturing-ready platform, namely, 12 in., 193 nm ArF deep ultraviolet immersion photolithography, in high volumes. The demonstrated wide FOV metalens camera is promising for a range of applications, including depth sensing for miniature automation devices and night vision for security and surveillance.

Geeft een hoop mogelijkheden, ook voor VR-applicaties.

[Balance]

Nieuw paper, van het redelijk bekende Pohang University of Science and Technology (POSTECH) gepubliceerd in het redelijk prominent Nature Communications:

• Wide field-of-hearing metalens for aberration-free sound capture

Juist ja. Natuurlijk kan je niet alleen licht focussen, maar ook geluid met metalenzen. Waarom zouden microfoons binnenkort niet gewoon metalenzen zijn?

In theorie kan je het ook omdraaien en er speakers mee maken.

Generalizing the concept of a wide FOV to the acoustic regime, if realized, holds promise with potential applications in remote sound collection in air and sound navigation and ranging (SONAR) sensing in underwater environments.

Oh en waarom zou het niet onderwater werken! Zouden ze al militaire funding hebben?

[Balance]

Ook voor de niet-audio metalenzen is er nieuws:

• Centimeter-Scale Achromatic Hybrid Metalens Design: A New Paradigm Based on Differentiable Ray Tracing in the Visible Spectrum

Single metalenses are limited by their physical constraints, precluding themselves from achieving high numerical aperture across a wide visible spectral band in large-aperture applications. A hybrid system that integrates a metalens with a refractive lens can address this issue, yet previous designs lacked sufficient flexibility. Here, by reanalyzing the generalized Snell's law, we introduce a new paradigm for the hybrid metalens design based on differentiable ray tracing. Through joint optimization of the phase distribution of the metalens and refractive lens parameters, our system achieves achromatic performance within the broad spectral range of 440-700 nm, with an aperture of 1 cm and an f-number of 1.4. Owing to the differentiable nature of the proposed system, it can be seamlessly integrated as the optical front-end into any differentiable computational imaging system. Our system offers unprecedented opportunities for the advancement of metalenses in innovative optical design and computational imaging domains.

Noteer hier dat dit dus alleen een ontwerp is dat in simulaties getest is, en niet daadwerkelijk gefabriceerd. Als dit werkt zoals beschreven zit hier een hoop potentie in.

[Balance]

Damn, druk weekje, hier nog een derde paper:

• A Fully Metaoptical Zoom Lens with a Wide Range

Wat ze basically doen is twee metalenzen op 0.312 mm tot 0.421 mm afstand van elkaar plaatsen, wat de focal lengt veranderd van 1.4 mm naar 7.5 mm. Hiermee halen ze dus een 5.4x zoom range. Verder doen ze wat gekke truckjes om dat tot 11.9x op te rekken.

En dit is geen simulatie, maar heeft echte resultaten:



Deze werkt wel met maar een wavelength (940 nm).

[ Voor 3% gewijzigd door Balance op 09-04-2024 00:09 ]

[Balance]

Metalenzen lijken mooi samen te vallen met computational photography. Een hoop can gecorrigeerd worden in software, wat ze in deze paper ook doen:

• Full-Color Imaging System Based on the Joint Integration of a Metalens and Neural Network

Verder nog een paper over focusing efficiency (FE):

• Nanoscale precision brings experimental metalens efficiencies on par with theoretical promises

[Balance]

Wat meer full-color werk, wat basaal vier metalenzen gebruikt om een: https://arxiv.org/abs/2404.11415

[Balance]

Een nieuw kort Nature artikel:

• Beyond the lab: a nanoimprint metalens array-based augmented reality

Nanoimprint lijkt wel de dominante technologie te gaan worden voor metalens productie.

[Balance]

Meer AI:

• Researchers use artificial intelligence to boost image quality of metalens camera (volledig artikel)

Kort artikel over hoe metalenzen ook met geluid werken:

• Metalens expands its reach from light to sound

Algemeen artikel:

• Tiny metalens camera can revolutionize drones, smartphones with AI power

Bijzonder interessante:

• Reconfigurable image processing metasurfaces with phase-change materials

  Here, we demonstrate a passive edge-detection metasurface operating in the near-infrared regime whose response can be drastically modified by temperature variations smaller than 10 °C around a CMOS-compatible temperature of 65 °C. Such reconfigurability is achieved by leveraging the insulator-to-metal phase transition of a thin layer of vanadium dioxide, which strongly alters the metasurface nonlocal response. Importantly, this reconfigurability is accompanied by performance metrics—such as numerical aperture, efficiency, isotropy, and polarization-independence – close to optimal, and it is combined with a simple geometry compatible with large-scale manufacturing.

[Balance]

Meer lijpe shit:

• Thermal Imaging: Achromatic and Coma-Corrected Hybrid Meta-Optics for High-Performance Thermal Imaging
• Super dun: Scientists Have Made the Thinnest Lens Ever at Just 3 Atoms Thick (paper: Temperature-Dependent Excitonic Light Manipulation with Atomically Thin Optical Elements
• A Metasurface Approach to Night Vision
• Metasurfaces for infrared multi-modal microscopy: phase contrast and bright field
• Addition to “All-Glass 100 mm Diameter Visible Metalens for Imaging the Cosmos”

After our article was published in January 2024, a notable astronomical event occurred on April 8, 2024: a total solar eclipse traversed the North America region. One of the authors, Arman Amirzhan, captured the eclipse at its totality using the meta-astrophotography apparatus. In this Addition, we report the eclipse images obtained with the 100 mm diameter metalens.

[Balance]

Het kostte ruim een half decennium, maar het gaat nu hard. Lastig om alles bij te houden.

Grote spelers doen nu mee. Bijvoorbeeld: https://news.samsung.com/...-in-nature-communications