Por impresionantes que sean las cámaras de nuestros teléfonos inteligentes, están fundamentalmente limitadas por las necesidades físicas de lentes y sensores. Metalenz se salta esa parte con una cámara hecha de una sola “metasuperficie” que podría ahorrar un espacio precioso y la duración de la batería en teléfonos y otros dispositivos … y están a punto de enviarla.
El concepto es similar a los “metamateriales”, pero no desciende de ellos, que dieron lugar al radar de formación de haz plano y al lidar de Lumotive y Echodyne. La idea es tomar una estructura 3D compleja y lograr lo que hace usando una superficie “2D” diseñada con precisión, no en realidad bidimensional, por supuesto, pero generalmente un plano con características medidas en micrones.
En el caso de una cámara, los componentes principales son, por supuesto, una lente (en estos días suele haber varias apiladas), que acorrala la luz, y un sensor de imagen, que detecta y mide esa luz. El problema que enfrentan las cámaras ahora, particularmente en los teléfonos inteligentes, es que las lentes no se pueden hacer mucho más pequeñas sin afectar seriamente la claridad de la imagen. Asimismo, los sensores están casi al límite de la cantidad de luz con la que pueden trabajar. En consecuencia, la mayoría de los avances fotográficos de los últimos años se han realizado en el lado computacional.
El uso de una superficie diseñada que elimina la necesidad de ópticas complejas y otros sistemas de cámaras ha sido un objetivo durante años. En 2016 escribí sobre un proyecto de la NASA que se inspiró en los ojos de polilla para crear una especie de cámara 2D. Sin embargo, es más difícil de lo que parece: se han generado imágenes utilizables en laboratorios, pero no es el tipo de cosas que se llevan a Apple o Samsung.
Metalenz apunta a cambiar eso. La tecnología de la compañía se basa en el trabajo de Federico Capasso de Harvard, quien ha estado publicando sobre la ciencia detrás de las metasuperficies durante años. Él y Rob Devlin, quien hizo su trabajo de doctorado en el laboratorio de Capasso, cofundaron la empresa para comercializar sus esfuerzos.
“Las primeras demostraciones fueron extremadamente ineficientes”, dijo Devlin sobre los primeros participantes en el campo. “Tenías luz dispersa por todo el lugar, los materiales y procesos no eran estándar, los diseños no podían manejar las demandas que el mundo real te impone. Hacer uno que funcione y publicar un artículo sobre él es una cosa, ganar 10 millones y asegurarse de que todos hagan lo mismo es otra ”.
Su gran avance, si es que años de arduo trabajo e investigación se puede llamar así, es la capacidad no solo de hacer una cámara de metasuperficie que produzca imágenes decentes, sino de hacerlo sin componentes exóticos o procesos de fabricación.
“Realmente estamos usando todos los procesos y materiales de semiconductores estándar aquí, exactamente el mismo equipo, pero con lentes en lugar de componentes electrónicos”, dijo Devlin. “Ya podemos hacer un millón de lentes al día con nuestros socios de fundición”.
Lo que hay en la parte inferior es el chip donde estarían el procesador de imágenes y la lógica, pero la metaóptica también podría integrarse con eso. La parte superior es un agujero de alfiler. Créditos de imagen: Metalenz
El primer desafío está más o menos contenido en el hecho de que la luz entrante, sin lentes que la doblen y dirijan, incide en la metasuperficie de una manera mucho más caótica. El propio trabajo de doctorado de Devlin se preocupó por domar este caos.
“Luz en una macro [i.e. conventional scale, not close-focusing] La lente se controla en la escala macro, estás confiando en la curvatura para doblar la luz. Hay mucho que puedes hacer con él ”, explicó. “Pero aquí tienes características mil veces más pequeñas que un cabello humano, lo que nos da un control muy fino sobre la luz que incide en la lente”.
Esas características, como puede ver en este primer plano extremo de la metasuperficie, son cilindros ajustados con precisión, “casi como pequeñas latas de Coca-Cola a nanoescala”, sugirió Devlin. Como otros metamateriales, estas estructuras, mucho más pequeñas que la longitud de onda de un rayo de luz visible o infrarroja cercana, manipulan la radiación por medios que requieren algunos años de estudio para comprender.
Créditos de imagen: Metalenz
El resultado es una cámara con proporciones extremadamente pequeñas y una complejidad mucho menor que las pilas de cámaras compactas que se encuentran en los dispositivos industriales y de consumo. Para ser claros, Metalenz no busca reemplazar la cámara principal de su iPhone; para propósitos de fotografía convencional, la lente y el sensor convencionales siguen siendo el camino a seguir. Pero hay otras aplicaciones que juegan con los puntos fuertes de las lentes tipo chip.
Algo como el ensamblaje FaceID, por ejemplo, presenta una oportunidad. “Ese módulo es muy complejo para el mundo de la telefonía celular, es casi como una máquina Rube Goldberg”, dijo Devlin. Asimismo, el sensor lidar en miniatura.
En esta escala, las prioridades son diferentes, y al restar la lente de la ecuación, la cantidad de luz que llega al sensor aumenta significativamente. Eso significa que potencialmente puede ser más pequeño en todas las dimensiones mientras funciona mejor y consume menos energía.
Imagen (de una placa de prueba muy pequeña) de una cámara tradicional, izquierda, y una cámara de metasuperficie, derecha. Más allá del viñeteado, no es muy fácil saber qué es diferente, que es el punto. Créditos de imagen: Metalenz
Para que no piense que este sigue siendo un dispositivo de laboratorio de tipo “¿no sería bueno si?”, Metalenz está en camino de lograr una disponibilidad comercial. La Serie A de $ 10 millones que acaban de recaudar fue liderada por 3M Ventures, Applied Ventures LLC, Intel Capital, M Ventures y TDK Ventures, junto con Tsingyuan Ventures y Braemar Energy Ventures, una gran cantidad de proveedores allí.
A diferencia de muchas otras nuevas empresas de hardware, Metalenz no comienza con una pequeña serie de dispositivos de demostración boutique, sino que va a lo grande desde la puerta.
“Debido a que utilizamos técnicas de fabricación tradicionales, nos permite escalar muy rápido. No estamos construyendo fábricas o fundiciones, no tenemos que recaudar cientos de milésimas de pulgada; podemos usar lo que ya está allí ”, dijo Devlin. “Pero significa que tenemos que buscar aplicaciones de gran volumen. Necesitamos que las unidades estén en ese rango de decenas de millones para que nuestros socios de fundición vean que tiene sentido “.
Aunque Devlin se negó a ser específico, dijo que su primer socio es “activo en detección 3D” y que un dispositivo de consumo, aunque no un teléfono, se enviaría con cámaras Metalenz a principios de 2022, y más tarde en 2022 verá un teléfono. -envío de soluciones también.
En otras palabras, si bien Metalenz es de hecho una startup que acaba de salir sigilosamente y está aumentando su ronda A … ya tiene envíos planeados del orden de decenas de millones. Los $ 10 millones no son un puente hacia la viabilidad comercial, sino efectivo a corto plazo para contratar y cubrir los costos iniciales asociados con un esfuerzo tan serio. Es dudoso que alguien en esa lista de inversores tenga serias dudas sobre el ROI.
Lo de la detección 3D es la primera gran aplicación de Metalenz, pero la compañía ya está trabajando en otras. El potencial para reducir equipos de laboratorio complejos a dispositivos electrónicos portátiles que se pueden colocar fácilmente en el campo es uno, y mejorar las versiones de herramientas de sobremesa con más capacidad de captación de luz o un funcionamiento más rápido es otro.
Aunque un dispositivo que use puede tener en unos años un componente de Metalenz, es probable que no lo sepa: el fabricante del teléfono probablemente se atribuirá todo el crédito por el rendimiento mejorado o el factor de forma más delgado. Sin embargo, puede aparecer en desmontajes y listas de materiales, momento en el que sabrá que este spin-out universitario en particular ha llegado a las grandes ligas.
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