Metaatome statt Linsen

Pionierarbeit in Harvard

Metalenz ist eine Ausgründung der Harvard University in Cambridge bei Boston im US-Bundesstaat Massachusetts. Sie entspringt der Arbeitsgruppe des Physikers Federico Capasso – einem Forschungsteam, das für optische Metalinsen wichtige Pionierarbeit geleistet hat. Die Begriffe Metaoberfläche und Metalinse gehen auf die 1990er-Jahre zurück. Damals beschäftigten sich die Wissenschaftler häufig mit größeren Wellenlängen als denen des sichtbaren Lichts, etwa mit Mikrowellenstrahlung. Capassos Team zeigte dann 2011, dass sich mit Metaatomen auf einer Oberfläche auch sichtbares Licht gezielt beeinflussen lässt. Kurz darauf wies die Gruppe nach, dass es möglich ist, mit einer solchen Metalinse Licht in einem Brennpunkt zu bündeln – auch wenn das zunächst nicht sonderlich gut gelang.

2016 entstand dann die Firma Metalenz. 2021 konnte sie den europäischen Halbleiterhersteller STMicroelectronics als Kunden gewinnen. Im Juli 2025 kündigten die beiden Unternehmen an, ihre Zusammenarbeit zu vertiefen. Das französische Marktforschungsunternehmen Yole Group veröffentlichte 2024 die Ergebnisse eigener technischer Analysen. Demnach fanden Experten von Yole in zwei Smartphones und in einem Tablet Metalinsen: in Modellen von Apple, Google und Samsung – mutmaßlich aus der Fertigung von STMicroelectronics.

Etliche Bauteile wie aus einem Guss

Der große Reiz bei Metalinsen liegt für einen Halbleiterhersteller in der Art der Fertigung: Metaatome und Halbleiterstrukturen für elektronische Bauteile lassen sich mit denselben Verfahren herstellen, zum Beispiel mit der Lithographie. Dadurch ist es möglich, die Optiken nicht mehr als separate Module zukaufen zu müssen, sondern Halbleiter und Optik auf derselben Fertigungslinie zu produzieren. Der teure Aufwand für Qualifizierung und Test der Optiken und der Gesamtsysteme aus Optik und Elektronik lässt sich so drastisch reduzieren.

Doch Metalenz ist keineswegs das einzige Unternehmen, das im Markt für optische Metalinsen aktiv ist. Ein anderes Beispiel ist NIL Technology (NILT) aus Dänemark – ein Unternehmen, das inzwischen zum taiwanischen Optoelektronik-Spezialisten Radiant gehört. Sein neuestes Produkt ist eine Nahinfrarotkamera für Anwendungen in Authentisierung, Augmented Reality – also die Überlagerung von echten Bildern und virtueller Realität –, für Sicherheitsfunktionen in Autos und als Bestandteil von vernetzter Sensorik. Auch der südkoreanische Smartphone- und Halbleiterhersteller Samsung hat 2025 signalisiert, dass er an Metalinsen forscht, ohne jedoch die Pläne im Detail zu erläutern. 2024 hatte der Konzern auch eine Kooperation mit Metalenz bestätigt.

„Unser Hauptaugenmerk liegt nun auf der Herstellung des weltweit ersten polarisationsbasierten Metaoberflächen-Bildsensors für Mobiltelefone und Laptops, speziell für die Authentisierung per Gesichtserkennung“, sagt Metalenz-Manager Johansson. Die Polarisation ist eine Eigenschaft des Lichts. Sie beschreibt, in welcher Ebene das Licht schwingt. Polarisationssonnenbrillen zum Beispiel nutzen dieses Phänomen, um nur einen geringen Lichtanteil zu den Augen gelangen zu lassen – eben den, der in der richtigen Ebene schwingt. Der Großteil des Lichts, das gewöhnlich in beliebigen Ebenen schwingt, schafft es nicht durch den Filter der Brille hindurch.

Vorteile durch polarisiertes Licht

Bei technisch erzeugtem Licht lässt sich die Polarisation gezielt einstellen, durch Filter oder auch durch Metalinsen. Metalenz will mit so einem Polarisationsansatz die Authentisierung per Gesichtserkennung weiter vereinfachen. Denn während derzeit zwei Aufnahmen dafür notwendig sind, reicht mit Unterstützung der Polarisation eine Aufnahme aus – angeblich bei allen Lichtverhältnissen, egal, ob in grellem Sonnenlicht oder bei Dunkelheit in der Nacht. Zudem, so verspricht das US-Unternehmen, sei die erreichbare Auflösung bei der Tiefenmessung mindestens zehnmal so groß wie mit dem bislang verwendeten strukturierten Laserlicht. Eine größere Auflösung bedeutet zugleich eine höhere Zuverlässigkeit bei der Unterscheidung zwischen Fälschungen und echten Gesichtern. Zudem benötigt die Hardware weniger Platz als bisherige Lösungen.

Dünne Metalinsen statt klassischer dicker Linsen aus Glas oder Kunststoff, weniger Platzbedarf von Baugruppen in Smartphones – diese Vorteile regten schon bald nach den ersten Erfolgen mit optischen Metalinsen die Fantasie in Forschung und Industrie an. Denn es gibt eine Baugruppe in einem Smartphone, die sich schon seit Längerem einer weiteren Miniaturisierung widersetzt: das Kameramodul.

Die Krux mit dem Kamerabuckel

Es ist für sich genommen ein technisches Meisterwerk, welche Bildqualität die Kameramodule der Smartphones im Zusammenspiel von Optik, Hard- und Software heute erreichen. Gleich mehrere Einzeloptiken, von denen jede aus mehreren Kunststofflinsen besteht, können zu einem Bild beitragen. Doch zum Leidwesen der Smartphone-Hersteller erzwingen die heutigen Kameramodule aus physikalischen Gründen Kompromisse bei der Bauhöhe. Die Konsequenz ist der „Kamerabuckel“ auf der Rückseite flacher Smartphones. Außerdem beanspruchen die Kameramodule recht viel Platz im Inneren des Smartphone-Gehäuses. Es gibt die Erzählung, dass Designpurist Steve Jobs einst keine Kameramodule akzeptieren wollte, die aus dem iPhone-Gehäuse herausragten.

Aber Metalinsen sind ja flach, könnten sie nicht …? Nicht zuletzt Harvard-Physiker Capasso hat in der Vergangenheit Hoffnungen geschürt, dass der Kamerabuckel dank Metalinsen Geschichte werden könnte. So schrieb er 2018 in einer als „persönliche Perspektive“ bezeichneten wissenschaftlichen Veröffentlichung: „Flache oder planare Komponenten versprechen den Ersatz von brechenden und beugenden Optiken in einer Vielzahl von Anwendungen, von Kameramodulen für Mobiltelefone und Laptops bis hin zu Displays, einschließlich Wearable Optics, virtueller Realität und vielen anderen.“

Heute winkt Metalenz-Manager Johnsson hingegen ab: „So, wie sich das die Leute vorstellen, wird das in absehbarer Zeit nichts. Eine Metalinse wird nicht dazu in der Lage sein, die vielen Linsen zu ersetzen, die in den heutigen Kameras stecken. Die Kamerabuckel verschwinden nicht von der Rückseite der Smartphones.“ Denn die Leistung der Metalinsen sei für die Bildgebung bei sichtbarem Licht einfach nicht gut genug.

Wo die Entwicklung steht, illustrieren ein paar Angaben von Metalenz. Das Unternehmen hat kommerziell bislang nur Metalinsen mit maximal wenigen Millimetern Durchmesser gefertigt. Diese funktionieren ausschließlich im Nahinfrarot im Bereich zwischen 850 und 940 Nanometer und vor allem liefern sie immer nur bei einer einzigen Wellenlänge eine hohe Bildqualität.

Gedämpfte Hoffnungen

Auch Philippe Lalanne, leitender Wissenschaftler am Institut d’Optique in Talence, nahe Bordeaux, dämpft allzu große Hoffnungen: „Was sich im Labor an komplexen Metaoberflächen herstellen lässt, ist nicht so einfach auf eine industrielle Massenfertigung übertragbar. Daher sind komplexe Metalinsen eine technologische und wirtschaftliche Herausforderung.“ Zudem gebe es bei Metalinsen wie bei jeder optischen Linse eine grundlegende physikalische Hürde: Für eine hochwertige optische Abbildung mit großem Öffnungswinkel genügt keine einzelne brechende oder beugende Fläche.

Deshalb bestehen zum Beispiel Fotoobjektive, aber eben auch Smartphone-Kameras, aus etlichen Linsen. Erst dank ihnen wird eine gute Abbildung über ein großes Gesichtsfeld hinweg möglich. „Dabei müssen die optisch wirksamen Flächen einen gewissen Abstand voneinander haben“, sagt Lalanne. „Eine geringe Bauhöhe des optischen Gesamtsystems und eine hohe Abbildungsleistung über ein weites Sichtfeld sind zwei miteinander unvereinbare Anforderungen.“

Daher erwartet der Forscher, dass bei solchen Anforderungen auch Lösungen mit Metalinsen „zwar kompakt, aber nicht ultrakompakt“ sein werden. Denn es gibt eine etablierte Industrie, die beugende Optiken herstellt. Deren optisch wirksame Strukturen haben charakteristische Größen, die wenigen Vielfachen der Lichtwellenlänge entsprechen. Sie sind also viel größer als die Strukturen, die für Metalinsen erforderlich sind. Gefertigt werden sie im Kunststoffspritzgussverfahren – in sehr hoher und reproduzierbarer Qualität und sehr viel billiger als die Fertigungsverfahren für Metalinsen. Zudem wurden sie bereits erfolgreich in abbildende Optiken integriert, die brechende und beugende Technologien kombinieren, um dadurch das Gewicht und Volumen reiner Linsenansätze zu reduzieren.

Dennoch: „Metalinsen bieten im Vergleich zu herkömmlichen beugenden Linsen eine größere Flexibilität im Design“, sagt Lalanne. „Deshalb könnten sie durchaus neue hybride Bildgebungssysteme mit noch geringerem Gewicht und Volumen ermöglichen.“ ■

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…