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Jun 03, 2024

Neuigkeiten zu Optik und Photonik

OPN-Mitarbeiter Rob Devlin. [Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Metalenz, Inc.] In der Juli/August-Ausgabe 2023 von Optics & Photonics News wurde die alle zwei Jahre erscheinende Reportage des Magazins vorgestellt, in der „10 Unternehmer, die man im Auge behalten sollte“ im Mittelpunkt stand. Hier,

OPN-Mitarbeiter

Rob Devlin. [Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Metalenz, Inc.]

In der Juli/August-Ausgabe 2023 von Optics & Photonics News wurde die alle zwei Jahre erscheinende Reportage des Magazins vorgestellt, in der 10 Unternehmer im Auge behalten werden sollten. Hier bieten wir ein Interview mit einem dieser Unternehmer an,Rob Devlin, Mitbegründer von Metalenz, Inc., einem Spin-out der Harvard University, USA, das ultradünne Metaoberflächenkomponenten für mobile Geräte, Unterhaltungselektronik und mehr vermarktet.

Rob Devlin: Ich denke, das Große, was man mit Metaoberflächen machen kann und was wir bei Metalenz tun können, besteht darin, fortschrittliche Formen der optischen Sensorik zu vereinfachen und auf einen Preis und einen Formfaktor zu reduzieren, der mit Mobil- und Verbrauchergeräten kompatibel ist. Das kann alles sein, von der 3D-Sensorik, mit der wir heute unsere Produkte auf den Markt gebracht haben, bis hin zu Dingen wie der medizinischen Bildgebung oder der Übernahme eines wissenschaftlichen Geräts in die Handflächen oder Mobiltelefone von Menschen.

Unser Fokus lag wirklich auf diesem 3D-Sensormarkt. Aber was wir in letzter Zeit gemacht haben, ist, die gleiche Massenproduktionskapazität, die wir entwickelt haben – wo wir Optiken in der Halbleitergießerei herstellen können – zu nutzen und sie auf die Polarisationsbildgebung anzuwenden. Dabei handelt es sich typischerweise um eine Art Nischenform der Bildgebung für wissenschaftliche und medizinische Anwendungen. Jetzt haben wir ein Produkt namens PolarEyes auf den Markt gebracht, mit dem Sie eine vollständige Polarisationsbildgebung zu einem Formfaktor und einem Preis durchführen können, der in praktisch jedes Gerät auf dem Markt passt.

Es gibt ein paar Orte, an denen wir es verwendet haben. Eine der ersten Anwendungen bestand darin, unsere Produktion tatsächlich hochzufahren. Wissen Sie, wir haben ein Operationsteam und unsere Lieferkette aufgebaut, um sicherzustellen, dass wir diese Metaoberflächen liefern können. Jetzt haben wir eine zweite Gießerei gegründet, die unsere Optiken in Massenproduktion produziert.

Aber einer der größten Bereiche, in denen wir dies angewendet haben, ist der Aufbau eines Teams für maschinelles Sehen und Computer-Vision. Mit Metaoberflächenoptiken können Sie im Wesentlichen Dinge tun, die mit herkömmlichen Optiken nicht möglich sind. Sie können Licht auf eine Weise manipulieren, die Ihnen sonst nicht möglich wäre. Deshalb haben wir uns darauf konzentriert, tatsächlich Systeme und Algorithmen rund um die einzigartigen Fähigkeiten dieser Optiken zu entwickeln.

Das gilt wiederum für einige der Produkte, die wir jetzt auf den Markt bringen, wie zum Beispiel PolarEyes. Wir haben tatsächlich Computer-Vision- und Machine-Vision-Teams, die die Informationen, die wir in das System einbringen können, nutzen und mit der Entwicklung von Algorithmen beginnen, um Dinge wie sichere Biometrie, Überwachung von Vitalfunktionen oder andere Arten von Anwendungen durchzuführen. Es geht also darum, die Fähigkeiten auf Systemebene und das Team aufzubauen, das nicht nur an der Optik, sondern an allen Algorithmen und der Software arbeiten kann.

Wir sind jetzt bei etwa 36 Leuten. Wir haben also einen ziemlichen Aufschwung erlebt, und dieser ist zum großen Teil durch die jüngste [Serie B]-Spendenrunde entstanden.

Sicher. Orion ist unser Produkt der ersten Generation. Das ist es, was wir jetzt tatsächlich auf den Markt gebracht haben; Es ist heute in Verbrauchergeräten zu finden. Und das konzentriert sich hauptsächlich auf die 3D-Erkennung. Ein Beispiel sind Punktmusterprojektoren und strukturiertes Licht – die Reihe von Punkten, die beispielsweise jedes Mal auf Ihr Gesicht projiziert werden, wenn Sie Ihr iPhone öffnen. Orion nimmt dieses System, das normalerweise drei oder vier Linsen erfordert, und verkleinert es zu einer einzigen Metaoberflächenoptik.

„Mit Metaoberflächenoptiken sind Sie im Wesentlichen in der Lage, Dinge zu tun, die Sie mit herkömmlichen Optiken nicht tun können.“ – Rob Devlin

Deshalb haben wir uns darauf konzentriert, die Technologie auf den Markt zu bringen. Dort haben wir dann auch diese Foundry-Partner angesprochen. Aber es nutzt nur die Basistechnologie – es ist eigentlich ein Ersatz für bestehende optische Module mit einer erheblichen Reduzierung der Systemkomplexität.

Gemini ist sozusagen die nächste logische Entwicklung – bei der man mit Metaoberflächen mehrere Funktionen in einer einzigen Optik kodieren kann. Normalerweise haben Sie eine Optik und eine Funktion – Ihre Brille beispielsweise erfüllt normalerweise nur eine Aufgabe. Mit einer Metaoberfläche können Sie tatsächlich mehrere Funktionen in einer einzigen Optik unterbringen.

Deshalb möchte Gemini die Anwendungen der 3D-Sensorik auf der Beleuchtungsseite erweitern, wo man tatsächlich mehrere Muster aus einer einzigen Metaoberfläche projizieren kann. Und die Art und Weise, wie wir das tun, besteht tatsächlich darin, eine Polarisationsreaktion in die Metaoberfläche zu kodieren – man trifft die Metaoberfläche mit der Polarisation A und sie bewirkt eine Sache; man trifft es mit Polarisation B und es macht etwas völlig Einzigartiges und Unabhängiges.

Mit Orion kombinieren wir also im Wesentlichen mehrere Optiken in einer Metaoberfläche. Wenn Sie sich für Gemini entscheiden, nehmen Sie mehrere verschiedene optische Module – normalerweise benötigen Sie dazu zwei völlig unabhängige, eigenständige Beleuchtungsmodule – und wir kombinieren diese zu einer einzigen Metaoberfläche.

PolarEyes befindet sich in derselben natürlichen Entwicklung und arbeitet an der bildgebenden Seite der Dinge. Mit PolarEyes machen wir ein vollständiges Polarisationsbild der Szene, die Sie betrachten.

Standardobjektive erfassen eigentlich nur die Intensitätsinformationen. Aber manchmal möchte man auch an die Polarisationsinformationen gelangen, denn diese sagen viel über das Material und den molekularen Aufbau eines Objekts aus; Es kann Ihnen sogar sagen, ob das, was Sie sehen, natürlich oder künstlich ist. Polarisationskameras gibt es heute tatsächlich, aber sie sind typischerweise etwa 100 Millimeter groß und kosten oft etwa 500 US-Dollar.

Mit PolarEyes können wir mithilfe einer einzigen Metaoberfläche alle Polarisationsinformationen, die von der Szene reflektiert werden, vollständig analysieren. So erhalten Sie zusätzliche Informationen, die Ihre herkömmlichen Objektive normalerweise wegwerfen. Es ist ein Schritt über Zwillinge hinaus, in dem Sinne, dass Zwillinge an zwei Polarisierungen arbeiten; Mit PolarEyes erhalten Sie das vollständige Polarisationsbild von allem, was Sie betrachten.

Wir suchen nach Orten, an denen wir diese Fähigkeit der Polarisationserkennung und Bildgebung nutzen und sie nicht nur für Dinge wie Biometrie, sondern auch für Dinge wie die Überwachung von Vitalfunktionen nutzen können. Dies ist ein Fall, in dem Sie mithilfe dieser Polarisationsinformationen möglicherweise Dinge wahrnehmen und tun können, die Sie sonst nicht könnten.

Der andere Punkt, an dem wir sehen, dass das Unternehmen expandiert und die Technologie voranschreitet, ist die Fähigkeit, dies im gesamten sichtbaren Spektrum zum Funktionieren zu bringen. Alles, worüber wir bisher gesprochen haben, konzentrierte sich wirklich auf diese schmalbandigen Anwendungen. Aber wir haben jetzt auch die Möglichkeit, auf einige vollständig sichtbare Bildgebungsanwendungen umzusteigen, wiederum nicht nur durch das Design der Optik selbst, sondern auch durch die Algorithmen und Software, die wir mit der Metaoberfläche koppeln.

Eigentlich begann es für mich mit der Arbeit mit meinem Großvater. Er war bei der Marine und Funker. Und nach seiner Karriere bei der Marine und seinem Dienst im Zweiten Weltkrieg ergriff er diese Leidenschaft und wurde Elektroingenieur aufgrund seiner Ausbildung, nicht unbedingt aufgrund seiner Ausbildung. Und in seinem Keller baute und entwarf er Radios.

„Der Ort, an dem es für mich wirklich begann, war die Zusammenarbeit mit meinem Großvater … [Er] und ich arbeiteten zusammen und bauten … Kurzwellenradios zusammen. Ich würde sagen, das war der allererste Funke, als diese Idee entstand: Man könnte diese Komponenten nehmen, sie zusammenfügen, und dann hörte man plötzlich jemanden am anderen Ende der Welt.“ – Rob Devlin

Also haben er und ich zusammengearbeitet und diese Kurzwellenradios zusammengestellt. Ich würde sagen, das war der allererste Funke, als diese Idee entstand: Man könnte diese Komponenten nehmen, sie zusammenfügen, und dann hörte man plötzlich jemanden am anderen Ende der Welt. Es war eine coole Erkenntnis – man sieht keine der Radiowellen, die da rausgehen, und man hat nicht unbedingt diese direkte physische Verbindung. Aber wenn man die Komponenten richtig zusammenfügt, ist man plötzlich in der Lage, mit jemandem zu interagieren und zu kommunizieren.

Das hat mich generell in Richtung Ingenieurwesen geführt und den Wunsch geweckt, etwas im Ingenieurwesen zu machen. Ich habe in der Elektrotechnik angefangen und mich wiederum hauptsächlich mit der Signalverarbeitung beschäftigt. Und von da an interessierte ich mich auch dafür, wie man Materialien nutzen kann, um neue Komponenten zu entwerfen – und so eine Ebene tiefer in die Materie einzusteigen. Das brachte mich dazu, einen Master in Materialwissenschaften zu machen. und von da an sind Metamaterialien und Metaoberflächen sozusagen die perfekte Kombination dieser beiden Bereiche. Denn in einem Metamaterial oder einer Metaoberfläche versuchen Sie, eine Art Signal zu manipulieren, indem Sie ein Designermaterial erstellen.

Und egal, ob Sie mit Radiowellen oder mit sichtbarem oder infrarotem Licht arbeiten, die gleiche Idee gilt auch für eine Metaoberfläche. Vieles von dem, was wir tun, können wir nicht wirklich sehen. Aber am Ende des Tages, wenn man die Dinge richtig zusammenfügt, hat man plötzlich diese Verbindung, diese neuen Informationen aus der Welt, die man betrachtet. Wir arbeiten derzeit mit etwas, das viel kleiner ist als Widerstände in einem Radio. Wir arbeiten mit Nanostrukturen. Aber im Grunde läuft es auf dasselbe hinaus.

Ich habe gerade meinen Ph.D. gemacht. in der Gruppe von Federico Capasso in Harvard, der Gruppe, in der ein Großteil der grundlegenden Arbeit an Metaoberflächen wirklich begann, die bis ins Jahr 2011 zurückreicht. In Federicos Gruppe konzentrierte ich mich hauptsächlich darauf, Wege zu finden, um die Leistung und Herstellung dieser Metaoberflächen zu verbessern sie so weit, dass sie für praktische Anwendungen wirklich nützlich sein könnten. Bis zu diesem Zeitpunkt gab es viele schöne Arbeiten an Metaoberflächen und den aufregenden Dingen, die sie tun konnten … aber insgesamt waren die Geräte eher ineffizient, wenn es darum ging, das Licht dorthin zu bringen, wo man es eigentlich haben wollte. Und oft wurden für die Materialien immer noch Metalle verwendet, was nicht wirklich auf die Halbleitergießerei übertragbar war.

Während meiner Doktorarbeit kamen wir 2016 an den Punkt, an dem wir über eine Prozessdesignfähigkeit verfügten, die es uns endlich ermöglichte, den Wirkungsgradbereich von 85–90 % für diese Geräte zu erreichen. Im selben Jahr zeigten wir die ersten wirklich hochwertigen Bilder mit einer Metaoberfläche. Und wir haben einen Artikel veröffentlicht, der auf dem Cover von Science landete.

Zu diesem Zeitpunkt dachte ich tatsächlich noch darüber nach, den akademischen Weg einzuschlagen; Federico und ich dachten nicht unbedingt an ein Unternehmen. Aber aus diesem Papier – allein aus der Menge an Kaltakquise, die wir von Mobiltelefonherstellern, von Leuten aus der Optikindustrie, von Unternehmern und Investoren bekamen, die uns fragten, was wir tun würden – sagten wir: „Nun, jetzt ist es wahrscheinlich an der Zeit, das zu sehen.“ ob das mehr sein kann als nur schöne Aufsätze und Recherchen. Es ist Zeit, es auf den Kopf zu stellen. Und das haben wir 2016 getan.

Ich denke, eine der großen Überraschungen für mich war, wie viel anspruchsvoller die Industrie sein kann als wenn man etwas in der Forschung macht – aber auch, wie viel mehr Kontakte man zu anderen Menschen haben kann.

Metalenz arbeitet an der Kommerzialisierung der Metaoberflächentechnologie, um neue Arten optischer Funktionalität zu ermöglichen – wie zum Beispiel das neue Polarisationsbildgebungsprodukt PolarEyes des Unternehmens. [Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Metalenz, Inc.]

Natürlich gibt es in der akademischen Welt Kooperationen und es gibt Kollegen oder andere Leute im Labor, die mithelfen. Aber um ein echtes Produkt herzustellen, das einem Verbraucher zugänglich zu machen, müssen alle Menschen in verschiedenen Fachgebieten zusammenarbeiten – das war ein wirklich großartiger Teil der Arbeit in der Industrie. Es ist schon ein Rätsel, wenn wir uns zurücklehnen und darüber nachdenken, wie viele Menschen ein Produkt in verschiedenen Bereichen angefasst haben, damit es von der Designphase bis zu etwas gelangt, das in einem Verbrauchergerät verbaut wird.

Gleichzeitig denke ich, dass ein Ph.D. bereitet einen wirklich darauf vor. Weil Sie diese offenen Fragen haben. Es kann sein, dass Sie es mit einer etwas anderen Denkweise anwenden, wenn Sie es für ein Produkt betrachten, als nur nach Wissen zu streben, um Wissen zu erweitern. Aber gleichzeitig ist die Fähigkeit, mit Unsicherheiten und offenen Fragen umzugehen, die man in einer Doktorarbeit erhält, sehr wichtig. und wenn man etwas in der Wissenschaft macht – ich denke, dass sich das alles ganz gut auf die Industrie übertragen lässt.

Es war auf jeden Fall wirklich toll zu sehen. Wenn Sie zum ersten Mal ein Produkt auf den Markt bringen, insbesondere wenn Sie versuchen, etwas ganz Neues zu machen, ist das an sich schon aufregend. Aber gleichzeitig möchten Sie sicherstellen, dass Sie nicht einfach in Ihrem eigenen Hype-Zyklus gefangen sind … Branchenspezifische Auszeichnungen wie diese helfen Ihnen, das Gefühl zu bekommen, dass Sie auf dem richtigen Weg sind. Und natürlich auch im Hinblick auf die Verbindung mit Kunden und anderen Menschen hat es uns ermöglicht, die Botschaft wirklich bekannt zu machen und PolarEyes für die zweite Generation unserer Technologie zu begeistern.

Ich denke, eines der wichtigsten Dinge ist, sehr aufgeschlossen zu sein. Als wir beispielsweise das Unternehmen gründeten, dachten wir nicht unbedingt darüber nach, dass 3D-Sensorik der Ort sein würde, an dem Metaoberflächen zuerst zum Einsatz kommen würden. Wir dachten wirklich, dass das gesamte sichtbare Spektrum entwickelt werden müsste, um ein Endprodukt zu erhalten.

Aber als wir herumgingen und aufgeschlossen blieben, anstatt zu versuchen, die Technologie in einen bestimmten Markt zu zwingen, fanden wir das richtige Produkt, das zu dem passte, was wir taten. Wir haben dafür gesorgt, dass wir echte Schwachstellen lösen und nicht nur über eine wirklich coole Technologie verfügen.

„[Eines der größten Dinge ist, sehr aufgeschlossen zu sein … Ich denke, das andere ist auch, die Massenproduktionsseite der Dinge nicht von Anfang an zu übersehen.“ – Rob Devlin

Ich denke, die andere Sache besteht auch darin, die Massenproduktionsseite der Dinge nicht von Anfang an zu übersehen. Es gibt Beispiele für wirklich interessante, wirklich coole Technologien von Universitäten, die nie ihr volles Potenzial ausgeschöpft haben, weil es für sie am Ende keinen Weg zur Massenproduktion gab oder sie zu kompliziert waren oder so ähnlich.

Sie müssen also im Hinterkopf behalten, dass es nicht nur interessant sein soll, sondern dass Sie es am Ende des Tages schaffen möchten und dass Sie in der Lage sein möchten, es kosteneffektiv, wiederholt und so weiter zu machen. Schon sehr früh einige Leute ins Unternehmen zu holen, die über diese Branchenerfahrung verfügten, einige Narben davon hatten, weil sie es schon einmal gemacht hatten, und ein paar graue Haare – das hat ungemein dabei geholfen, sicherzustellen, dass die Technologie tatsächlich ihren Weg auf den Markt fand.

Um noch einmal auf die Idee der Massenproduktion zurückzukommen: Ich denke, dass es ein wirklich cooler Moment für mich und alle im Unternehmen war, als wir die ersten 300-Millimeter-Wafer mit 10.000 unserer Geräte darauf bekamen, die aus einem Halbleiter gefertigt waren Gießerei und eine Halbleiterfabrik.

Wissen Sie, wir waren unterwegs und haben die Begeisterung von Kunden und anderen Leuten gesehen, und ich denke, dass sich Metasurfaces im Allgemeinen seit langem in der akademischen Welt auf einem Aufwärtstrend befindet, wo die Leute sagten: „Das ist bereit für die Hauptsendezeit.“ . Aber dann sah ich den fertigen Wafer aus der Fabrik und sah mehr Geräte auf einem einzelnen Wafer, als die Capasso-Gruppe wahrscheinlich zusammen in der Doktorarbeit aller hergestellt hatte. Arbeit – das war einer dieser Momente, die einfach richtig cool waren. Denn jetzt war es so: Okay: Es ist nicht nur spannend und nicht nur interessant. Es ist real und du kannst es schaffen.

Rob Devlin, abgebildet mit einem Halbleiterwafer, der Metalenz-Geräte enthält. [Bild: Mit freundlicher Genehmigung von Metalenz, Inc.]

In diesem Sinne denke ich, dass eine der größten Herausforderungen das Henne-Ei-Problem war. Wenn man den Kunden eine neue Technologie vorstellt, sagen sie: „Das ist großartig, das ist fantastisch.“ Zeigen Sie mir etwas in Massenproduktion.“ Und wenn man dann versucht, einen Partner für die Massenproduktion zu finden, sagen sie: „Das ist großartig, das ist interessant.“ Zeigen Sie mir einen Kunden, damit wir sicherstellen können, dass wir investieren können.“

Ich denke, das war eine der größten Herausforderungen, nämlich den richtigen Partner und den richtigen Kunden zu finden, die uns helfen könnten, diese Lücke zu schließen. Und es müssen mehr sein als nur interessante PowerPoint-Folien oder Prototypen, die wir verschicken. Irgendwann setzen die Leute ihre Jobs aufs Spiel. Wie viel Zeit und Mühe es gekostet hat, dorthin zu gelangen, und sicherzustellen, dass wir dabei weiter vorankommen – ich denke, das war eine der großen Herausforderungen.

Kurzfristig denke ich, dass in den nächsten zwei Jahren so etwas wie PolarEyes auf den Markt kommen wird. Und das erste Ziel betrifft wirklich die Biometrie. Wenn aber letztendlich neue Informationen in diese Systeme eingebracht werden, kann eine ganze Reihe von Anwendungen entstehen, die wir uns vielleicht noch nicht einmal vorstellen können.

Wenn wir dann im Laufe von 5 bis 10 Jahren dazu übergehen, Dinge mit dem gesamten sichtbaren Spektrum zu tun, können wir uns beispielsweise mit der Frage befassen, wie wir die Polarisation für die Überwachung von Vitalfunktionen und andere Anwendungen nutzen können.

Was die Marktgröße betrifft, gehen wir davon aus, dass die Märkte, die wir mit etwas wie PolarEyes und Orion und den anderen Technologien insgesamt ansprechen könnten, kurzfristig zwischen 1 und 10 Milliarden US-Dollar liegen werden. Letztendlich wird es jedoch in den nächsten zehn Jahren zu einem noch größeren Aufkommen von Computer-Vision- und Machine-Vision-Anwendungen im Allgemeinen kommen. Ich denke also, dass ein Markt von 30 bis 50 Milliarden US-Dollar zum jetzigen Zeitpunkt, wenn wir zehn Jahre in die Zukunft blicken, wirklich realistisch erscheint.

Veröffentlichungsdatum: 02. August 2023