En utilisant l’impression 3D et le silicium poreux, des chercheurs de l’Université de l’Illinois à Urbana-Champaign ont développé des achromates compacts à longueur d’onde visible, essentiels pour les optiques miniaturisées et légères. Ces micro-optiques hybrides hautes performances atteignent des efficacités de focalisation élevées, tout en minimisant le volume et l’épaisseur. De plus, ces microlentilles peuvent être construites en réseaux pour former des images de plus grande surface pour les imageurs et écrans achromatiques à champ lumineux.
Cette étude a été dirigée par les professeurs de science et d’ingénierie des matériaux Paul Braun et David Cahill, le professeur de génie électrique et informatique Lynford Goddard et l’ancien étudiant diplômé Corey Richards. Le résultats de cette recherche ont été publiés dans Communications naturelles.
« Nous avons développé un moyen de créer des structures présentant les fonctionnalités de l’optique composée classique, mais dans des matériaux minces hautement miniaturisés, via des approches de fabrication non traditionnelles », explique Braun.
Dans de nombreuses applications d’imagerie, plusieurs longueurs d’onde de lumière sont présentes, par exemple la lumière blanche. Si une seule lentille est utilisée pour focaliser cette lumière, différentes longueurs d’onde se concentrent en différents points, ce qui donne une image aux couleurs floues. Pour résoudre ce problème, plusieurs lentilles sont empilées pour former une lentille achromatique. « En imagerie en lumière blanche, si vous utilisez une seule lentille, vous obtenez une dispersion considérable, et chaque couleur constituante est donc focalisée sur une position différente. Avec une lentille achromatique, cependant, toutes les couleurs se concentrent au même point », explique Braun.
Le défi, cependant, est que la pile d’éléments de lentille requise pour fabriquer une lentille achromatique est relativement épaisse, ce qui peut rendre une lentille achromatique classique inadaptée aux plates-formes technologiques plus récentes et réduites, telles que les caméras ultracompactes à longueur d’onde visible, les microscopes portables et même appareils portables.
Pour former une lentille beaucoup plus fine, l’équipe a combiné une lentille réfractive avec une lentille diffractive plate. Braun explique que la lentille inférieure est la lentille diffractive qui focalise la lumière rouge, par exemple, plus près, et que la lentille supérieure est la lentille réfractive qui focalise davantage le rouge. Ils s’annulent et se concentrent au même endroit.
Pour créer le système d’imagerie achromatique hybride compact, les chercheurs ont développé un processus de fabrication, appelé indice de réfraction contrôlable sous la surface via une exposition au faisceau (SCRIBE), dans lequel les structures polymères sont imprimées en 3D dans un support hôte en silicium poreux qui supporte mécaniquement les composants optiques. Dans ce processus, un polymère liquide est introduit dans le silicium poreux et un laser ultrarapide est utilisé pour convertir le polymère liquide en polymère solide. Grâce à cette méthode, ils ont pu intégrer les éléments diffractifs et réfractifs de la lentille sans avoir besoin de supports externes tout en minimisant le volume, en augmentant la facilité de fabrication et en fournissant une mise au point achromatique à haute efficacité.
« Si vous imprimez des lentilles dans l’air et que vous souhaitez en empiler deux, vous devrez imprimer la première lentille, puis construire une structure de support autour de celle-ci », explique Richards. « Ensuite, vous devrez imprimer la deuxième lentille à l’intérieur de cette structure de support. Mais dans le silicium poreux, vous pouvez simplement suspendre les deux lentilles l’une sur l’autre. L’intégration est beaucoup plus transparente en ce sens. »
Grâce à cette approche, des images de plus grande surface peuvent être reconstruites à partir d’un ensemble de microlentilles achromatiques hybrides. Le réseau peut capturer des informations sur le champ lumineux, ce qui constitue un défi important pour les microlentilles polymères conventionnelles, qui ne sont généralement pas achromatiques, et ouvrira la voie à des applications telles que les caméras à champ lumineux et les écrans à champ lumineux.