Le microscope étend efficacement la vue humaine au micromonde. Il prend en charge de nombreuses applications dans la recherche scientifique, le diagnostic biomédical, l’industrie et au-delà. L’objectif ultime est la superrésolution, mais en cours de route, les chercheurs s’efforcent de créer des dispositifs miniatures compacts offrant des performances complètes pour un large champ de vision (FOV), une grande profondeur de champ (DOF) et un débit élevé.
Les microscopes optiques traditionnels sont basés sur des éléments optiques réfractifs, qui sont généralement volumineux et lourds avec des limitations en FOV et DOF, bien qu’ils aient été considérablement développés. Les lentilles diffractives plates semblaient offrir une solution possible pour miniaturiser les systèmes d’imagerie, mais elles atteignent une faible efficacité et une qualité d’image médiocre. La technologie récente d’imagerie sans lentille révolutionne considérablement la technologie d’imagerie et permet des dispositifs d’imagerie très compacts, mais elle dépend fortement du calcul de post-traitement, qui est gourmand en ressources et risque de distorsion.
La technologie Metalens ouvre une nouvelle voie pour réaliser des systèmes d’imagerie optique ultracompacts et légers. Un métalène est une sorte de métasurface composée d’unités de sous-longueur d’onde avec une puissante capacité de manipulation de la lumière. Un réseau de métalens multiplexé par polarisation innovant (basé sur des nanopostes de silicium) a été proposé pour réaliser un microscope compact et à champ large qui brise les contraintes FOV conventionnelles, mais la qualité d’imagerie est relativement médiocre en raison de sa faible efficacité avec le bruit de fond, et le FOV global est encore plus petit que celui du microscope traditionnel avec la même résolution.
Une qualité d’imagerie considérablement améliorée est désormais possible avec une imagerie à plus haute résolution, grâce à des chercheurs de l’Université de Nanjing qui ont développé un dispositif d’imagerie métalens à polariseur intégré (PMID). Comme rapporté dans Photonique avancée, le PMID est implémenté sur la base d’une métasurface en nitrure de silicium montée sur un capteur d’image CMOS avec un filtre à polarisation circulaire fixe inséré entre les deux. Il élimine les bruits de fond et permet même d’effectuer un zoom avant.
Le système est basé sur un réseau spécial de métalens comultiplexés et croisés et un polariseur intégré. En les intégrant à un capteur CMOS à l’échelle de la puce, les chercheurs ont réussi à développer une technique de microscopie à champ de vision large et à grand champ de vision de haute qualité. Des performances significativement élevées sont atteintes, avec un champ de vision de 4 × 4 mm2, un 1,74-µrésolution m (limitée par la taille des pixels CMOS), et une ~200-µm DOF (gamme de longueurs d’onde de 450 à 510 nm). Ce FOV est d’environ 5 à 7 fois celui d’un microscope traditionnel avec la même résolution. L’équipe a démontré les performances exceptionnelles de la microscopie en imageant un grand nombre d’échantillons biologiques.
Selon l’auteur principal Tao Li, chercheur principal au Laboratoire national des microstructures à semi-conducteurs de l’Université de Nanjing, « À notre connaissance, c’est la première fois qu’un imageur de métal a accès à un FOV plus grand qu’un microscope traditionnel avec une qualité d’imagerie similaire. En balayant la longueur d’onde d’éclairage, l’appareil est capable d’obtenir simultanément une imagerie à grande profondeur de champ, grâce à la grande nature dispersive des métalènes. » Li remarque en outre : « Ce PMID à l’échelle de la puce permet la mise en œuvre d’un système de microscope portable miniaturisé, avec une réduction de mille fois en volume et en poids par rapport à un microscope traditionnel. »
Ce microscope à l’échelle de la puce promet de révolutionner les dispositifs optiques traditionnels, présentant un nouvel horizon de dispositifs d’imagerie ultracompacts alimentés par la métatechnologie.
Xin Ye et al, Microscope à métal à l’échelle de la puce pour l’imagerie à champ large et à profondeur de champ, Photonique avancée (2022). DOI : 10.1117/1.AP.4.4.046006
Fourni par SPIE – Société internationale d’optique et de photonique