スマートフォンのカメラは驚くほど優れていますが、レンズやセンサーといった物理的な要件によって根本的に制限されています。Metalenzは、単一の「メタサーフェス」で構成されたカメラでその制約を克服し、スマートフォンなどのデバイスの貴重なスペースとバッテリー寿命を節約できると期待されています。そして、このカメラはまもなく発売されます。
このコンセプトは、Lumotive社とEchodyne社の平面ビームフォーミングレーダーやLIDARの基盤となった「メタマテリアル」に似ていますが、その派生ではありません。複雑な3D構造を、精密に設計された「2D」表面（もちろん実際には2次元ではありませんが、通常はミクロン単位の特徴を持つ平面です）を用いて実現するというアイデアです。
カメラの場合、主要な構成要素は、光を捉えるレンズ（最近は通常、複数枚が積層されている）と、その光を感知・測定するイメージセンサーです。現在のカメラ、特にスマートフォンのカメラが直面している問題は、レンズをこれ以上小型化すると画像の鮮明さに重大な影響を与えることです。同様に、センサーも扱える光量の限界に近づいています。そのため、ここ数年の写真技術の進歩のほとんどは、計算面において実現されてきました。
写真の未来はコードだ
複雑な光学系やその他のカメラシステムを必要としない人工表面の利用は、長年の目標でした。2016年に、蛾の目からヒントを得て2Dカメラのようなものを開発したNASAのプロジェクトについて書きました。しかし、これは思ったよりも難しいのです。実験室では使える画像が生成されていますが、AppleやSamsungに持ち込むようなものではありません。
メタレンズは、この状況を変えようとしています。同社の技術は、長年メタサーフェスの科学に関する論文を発表してきたハーバード大学のフェデリコ・カパッソ氏の研究成果に基づいています。カパッソ氏と、カパッソ氏の研究室で博士号を取得したロブ・デブリン氏は、その成果を商業化するために共同で同社を設立しました。
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「初期のデモは非常に非効率でした」と、この分野への最初の参入者たちについてデブリン氏は語る。「光はあちこちで散乱し、材料やプロセスは規格外でした。設計は現実世界での要求に応えられませんでした。実際に動作するものを1つ作って論文を発表するのは一つのことですが、1000万個作って、それらがすべて同じ動作をすることを確認するのは別の話です。」
1ミリメートル以下の光で動くこれらの小さなカメラは、ほとんどどこにでも隠れることができる。
彼らの画期的な成果は、長年の努力と研究の成果と呼べるのであれば、適切な画像を生成するメタサーフェス カメラを製作できるだけでなく、特殊な部品や製造工程を必要とせずにそれを実現する能力だ。
「ここでは標準的な半導体プロセスと材料をすべて使用しており、全く同じ装置を使用しています。ただし、電子部品の代わりにレンズを使用しています」とデブリン氏は述べた。「ファウンドリーパートナーと協力することで、既に1日に100万個のレンズを製造可能です。」
最初の課題は、入射光がレンズによって曲げられたり方向付けられたりしないため、メタサーフェスに非常に無秩序な状態で入射するという点にあります。デブリン氏自身の博士論文は、この無秩序な状態を制御することに焦点が当てられていました。
「マクロレンズ（つまり、従来型のレンズで、近接撮影ができないレンズ）の光はマクロスケールで制御されます。つまり、光を曲げるにはレンズの曲率に頼ることになります。それでできることは限られています」と彼は説明した。「しかし、ここでは人間の髪の毛の1000分の1ほどの微細な構造が採用されているため、レンズに当たる光を非常に細かく制御できるのです。」
メタサーフェスのこの極端にクローズアップした写真からもわかるように、これらの特徴は精密に調整された円筒形で、「まるで小さなナノスケールのコカ・コーラの缶のようだ」とデブリン氏は述べた。他のメタマテリアルと同様に、これらの構造は可視光線や近赤外線の波長よりもはるかに小さく、その仕組みを理解するには数年の研究を要する。
その結果、民生用および産業用デバイスに見られる小型カメラスタックに比べて、極めて小型で複雑さを大幅に削減したカメラが誕生しました。念のためお伝えしますが、MetalenzはiPhoneのメインカメラを置き換えるものではありません。従来の写真撮影用途では、従来のレンズとセンサーが依然として主流です。しかし、チップ型レンズの強みを活かせる用途は他にもあります。
例えば、FaceIDアセンブリのようなものは、一つの可能性を秘めています。「このモジュールは携帯電話業界では非常に複雑で、まるでルーブ・ゴールドバーグ・マシンのようなものです」とデブリン氏は言います。小型のライダーセンサーも同様です。
このスケールでは優先順位が異なり、レンズを除けばセンサーに到達する光量が大幅に増加します。つまり、あらゆる寸法を小型化しつつ、性能を向上させ、消費電力を削減できる可能性があるということです。
まだ研究室でしか開発されていない「あったらいいのに」というレベルのデバイスだと思われないように、Metalenzは商用化に向けて着実に歩みを進めています。先日調達した1,000万ドルのシリーズAラウンドは、3M Ventures、Applied Ventures LLC、Intel Capital、M Ventures、TDK Venturesに加え、Tsingyuan Ventures、Braemar Energy Venturesなど、多くのサプライヤーが参加しています。
他の多くのハードウェア スタートアップ企業とは異なり、Metalenz は小規模なブティック デモ デバイスから始めるのではなく、最初から大規模な取り組みを行っています。
「従来の製造技術を採用しているため、非常に迅速に規模を拡大できます。工場やファウンドリーを建設する必要がなく、数百万ドルもの資金を調達する必要もありません。既存のものを活用できるのです」とデブリン氏は述べた。「しかし、それは大量生産のアプリケーションを検討する必要があることを意味します。ファウンドリーのパートナーにメリットを理解してもらうには、数千万単位のユニット数が必要です。」
デブリン氏は具体的なことは明かさなかったが、最初のパートナーは「3Dセンシングに積極的」であり、スマートフォンではないものの、Metalenzカメラを搭載した消費者向けデバイスが2022年初頭に出荷され、2022年後半にはスマートフォンベースのソリューションも出荷される予定だと述べた。
つまり、Metalenzはステルス状態から脱し、Aラウンドの資金調達を終えたばかりのスタートアップではありますが、既に数千万ドル規模の出荷を計画しています。1,000万ドルは商業化への架け橋ではなく、このような本格的な取り組みに伴う人材の採用や初期費用を賄うための短期的な資金です。投資家リストに名を連ねる人々の中で、ROI（投資収益率）に深刻な疑問を抱いている人はまずいないでしょう。
3DセンシングはMetalenzにとって最初の主要な応用分野ですが、同社はすでに他の分野にも取り組んでいます。複雑な実験装置を、現場で簡単に持ち運べるハンドヘルド型の電子機器に小型化する可能性もその一つです。また、ベンチトップ型のツールを、集光能力の向上や操作の高速化によって改良することもその一つです。
数年後には、あなたが使っているデバイスにMetalenzコンポーネントが搭載されているかもしれませんが、おそらくあなたはそれに気付かないかもしれません。おそらく、パフォーマンスの向上やフォームファクターのスリム化の功績はすべて携帯電話メーカーが独占するでしょう。しかし、分解図や部品表にMetalenzコンポーネントが載る可能性はあります。その時、この大学発のスピンアウト企業が一流企業へと成長したことがわかるでしょう。
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