Inspirés par les créatures préhistoriques, les chercheurs fabriquent des lentilles record

Il y a cinq cents millions d’années, les océans regorgeaient de billions de trilobites, des créatures qui étaient des cousins ​​éloignés des limules. Tous les trilobites avaient une large gamme de vision, grâce aux yeux composés – des yeux uniques composés de dizaines à des milliers de minuscules unités indépendantes, chacune avec sa propre cornée, sa lentille et ses cellules photosensibles. Mais un groupe, Dalmanitina socialis, était exceptionnellement clairvoyant. Leurs yeux à double foyer, montés chacun sur des tiges et composés de deux lentilles qui orientaient la lumière à des angles différents, permettaient à ces créatures marines de voir simultanément des proies flottant à proximité ainsi que des ennemis lointains s’approchant à plus d’un kilomètre de distance.

Inspirés par les yeux de D. socialis, des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont mis au point une caméra miniature dotée d’un objectif bifocal avec une profondeur de champ record – la distance sur laquelle la caméra peut produire des images nettes en une seule photo. La caméra peut imager simultanément des objets aussi proches que 3 centimètres et aussi éloignés que 1,7 kilomètre. Ils ont conçu un algorithme informatique pour corriger les aberrations, affiner les objets à des distances intermédiaires entre ces distances focales proches et lointaines et générer une image finale tout au point couvrant cette énorme profondeur de champ.

Ces caméras légères et à grande profondeur de champ, qui intègrent la technologie photonique à l’échelle du nanomètre avec la photographie pilotée par logiciel, promettent de révolutionner les futurs systèmes d’imagerie haute résolution. En particulier, les caméras augmenteraient considérablement la capacité de produire des images très détaillées de paysages urbains, de groupes d’organismes qui occupent un large champ de vision et d’autres applications photographiques dans lesquelles des objets proches et éloignés doivent être mis au point avec précision.

Les chercheurs du NIST Amit Agrawal et Henri Lezec, ainsi que leurs collègues de l’Université du Maryland à College Park et de l’Université de Nanjing, décrivent leur travail en ligne dans le numéro du 19 avril de Communication Nature.

Les chercheurs ont fabriqué un ensemble de minuscules lentilles appelées métalenses. Ce sont des films ultra-minces gravés ou imprimés avec des groupements de piliers nanométriques conçus pour manipuler la lumière de manière spécifique. Pour concevoir leurs lentilles métalliques, Agrawal et ses collègues ont clouté une surface plane de verre avec des millions de minuscules piliers rectangulaires à l’échelle nanométrique. La forme et l’orientation des nanopiliers constitutifs focalisaient la lumière de telle sorte que la métasurface agissait simultanément comme une macro lentille (pour les objets rapprochés) et un téléobjectif (pour les objets éloignés).

Plus précisément, les nanopiliers ont capturé la lumière d’une scène d’intérêt, qui peut être divisée en deux parties égales : la lumière qui est polarisée circulairement à gauche et polarisée circulairement à droite. (La polarisation fait référence à la direction du champ électrique d’une onde lumineuse ; la lumière polarisée circulairement à gauche a un champ électrique qui tourne dans le sens inverse des aiguilles d’une montre, tandis que la lumière polarisée circulairement à droite a un champ électrique qui tourne dans le sens des aiguilles d’une montre.)

Les nanopiliers ont plié la lumière polarisée circulairement gauche et droite de différentes quantités, en fonction de l’orientation des nanopiliers. L’équipe a disposé les nanopiliers, qui étaient rectangulaires, de sorte qu’une partie de la lumière entrante devait traverser la partie la plus longue du rectangle et une partie à travers la partie la plus courte. Dans le chemin le plus long, la lumière devait traverser plus de matière et subissait donc plus de courbure. Pour le chemin le plus court, la lumière avait moins de matière à parcourir et donc moins de courbure.

La lumière qui est courbée par des quantités différentes est amenée à un foyer différent. Plus la courbure est grande, plus la lumière est concentrée. Ainsi, selon que la lumière a traversé la partie la plus longue ou la plus courte des nanopiliers rectangulaires, le métalène produit des images à la fois des objets distants (à 1,7 kilomètre) et proches (à quelques centimètres).

Sans traitement supplémentaire, cependant, cela laisserait des objets à des distances intermédiaires (plusieurs mètres de la caméra) non focalisés. Agrawal et ses collègues ont utilisé un réseau de neurones – un algorithme informatique qui imite le système nerveux humain – pour apprendre aux logiciels à reconnaître et à corriger les défauts tels que le flou et l’aberration des couleurs dans les objets qui résidaient à mi-chemin entre le foyer proche et lointain des métalènes. L’équipe a testé sa caméra en plaçant des objets de différentes couleurs, formes et tailles à différentes distances dans une scène d’intérêt et en appliquant une correction logicielle pour générer une image finale focalisée et exempte d’aberrations sur toute la plage de kilomètres de profondeur de champ.

Les lentilles métalliques développées par l’équipe améliorent la capacité de collecte de la lumière sans sacrifier la résolution de l’image. De plus, comme le système corrige automatiquement les aberrations, il a une tolérance élevée aux erreurs, permettant aux chercheurs d’utiliser des conceptions simples et faciles à fabriquer pour les lentilles miniatures, a déclaré Agrawal.

Cette histoire est republiée avec l’aimable autorisation du NIST. Lire l’histoire originale ici.