Les ingénieurs travaillant à la miniaturisation des systèmes optiques pour l’électronique moderne ont connu un grand succès en ce qui concerne les composants les plus familiers, les lentilles et les capteurs optiques. Il a été plus difficile de réduire la taille du troisième composant d’un système optique, l’espace libre entre l’objectif et le capteur nécessaire pour que les ondes lumineuses réalisent la mise au point.
Les chercheurs ont développé une technologie pour remplacer tout ou partie de cet espace libre par un dispositif mince et transparent appelé plaque spatiale. Maintenant, les chercheurs de Cornell dirigés par le doctorant Kunal Shastri et le professeur adjoint Francesco Monticone, ainsi que leurs collaborateurs, ont pour la première fois défini les limites fondamentales et pratiques des plaques spatiales dans un article publié dans la revue Optique intitulé « Dans quelle mesure l’espace peut-il être compressé ? Limites de bande passante des plaques spatiales. »
« Dans la quête de miniaturisation des systèmes optiques », explique Shastri dans l’article, « un aspect souvent négligé est le grand volume d’espace libre entre le détecteur et la lentille, ou entre les lentilles, qui est essentiel pour permettre à la lumière d’acquérir une distance – phase dépendante et dépendante de l’angle et réaliser, par exemple, la mise au point à une certaine distance. »
La longueur de l’espace libre derrière un objectif est essentielle à la capacité de l’objectif à focaliser une image sur le capteur ou sur un film, comme c’était le cas avant les appareils photo numériques. L’espace libre permet aux ondes lumineuses provenant de différentes directions après la lentille de se propager et d’acquérir suffisamment de phase pour converger vers le point focal : le capteur. C’est l’une des raisons pour lesquelles les objectifs d’appareil photo conçus pour faire la mise au point et agrandir un sujet éloigné, par exemple les téléobjectifs, sont si longs. Les plaques spatiales sont conçues pour imiter la réponse de phase optique de l’espace libre sur une longueur beaucoup plus petite.
Monticone, en collaboration avec l’ancien doctorant Aobo Chen, avait précédemment utilisé des simulations informatiques pour concevoir des plaques spatiales évolutives et pour démontrer comment elles fonctionneraient dans un système optique. Ce nouveau travail élargit cette recherche en définissant les limites de la capacité d’une plaque spatiale à maximiser trois paramètres optiques fondamentaux : le taux de compression, l’ouverture numérique et la bande passante.
« Il est très compliqué d’atteindre ces trois objectifs en même temps », a expliqué Monticone, « avoir un taux de compression maximal et, en même temps, maximiser également l’ouverture numérique et la bande passante. Dans cet article, nous essayons de clarifier le mécanisme physique général derrière tout effet de compression de l’espace, quelle que soit la manière dont vous implémentez la plaque d’espace. »
Des recherches antérieures sur la technologie des plaques spatiales avaient donné des conceptions fonctionnelles mais peu pratiques ou inefficaces qui fonctionnaient pour une seule couleur, ou pour une petite plage d’angles, ou devaient être immergées dans un matériau à indice de réfraction élevé, comme l’huile. Ces dispositifs ne pourraient pas être utilisés pour miniaturiser des systèmes optiques typiques.
« Il y a beaucoup d’intérêt à savoir si les plaques spatiales fonctionneraient pour tout le spectre visible de la lumière et dans l’espace libre, et personne n’était sûr que nous pourrions le faire », a déclaré Shastri. « Nous voulions donc vraiment voir s’il y avait des limites physiques qui empêcheraient les plaques spatiales de fonctionner pour de vraies caméras sur toute la bande passante visible. »
Shastri a expliqué que les limites qu’ils définissent dans cet article récemment publié indiqueront aux autres ingénieurs travaillant sur le terrain à quelle distance ou à quel point ils sont proches des limites fondamentales globales des dispositifs de plaque spatiale qu’ils conçoivent. « Et c’est, je pense, très précieux », a déclaré Shastri. « C’est la raison pour laquelle nous avons écrit cet article. »
Les plaques spatiales peuvent être conçues en utilisant les mêmes matériaux que ceux à partir desquels les systèmes d’imagerie conventionnels sont fabriqués, qu’il s’agisse de couches de verre et d’autres matériaux transparents avec différents indices de réfraction, d’une surface à motifs ou d’une dalle de cristal photonique – toute structure qui fournit un contraste suffisant dans l’indice de réfraction passer d’un matériau à l’autre. Le facteur clé est que la plaque spatiale doit être hautement transmissive ; vous ne voulez pas qu’il absorbe la lumière.
« Dans la mise en œuvre la plus simple possible », a déclaré Monticone, « une plaque spatiale pourrait être fabriquée sous la forme d’un empilement de couches, et les couches auraient au moins deux indices de réfraction différents. En optimisant l’épaisseur et l’espacement, vous pouvez optimiser la réponse optique. «
Les applications de la technologie des plaques spatiales ne se limitent pas aux caméras. Les plaques spatiales pourraient miniaturiser les projecteurs, les télescopes et même les antennes en utilisant une gamme plus large du spectre électromagnétique. Monticone et Shastri sont impatients d’aller au-delà des modèles informatiques qu’ils utilisent et de concevoir des expériences physiques avec des plaques spatiales fabriquées.
« La prochaine étape sera la démonstration expérimentale d’une plaque spatiale fonctionnant dans l’espace libre à des fréquences optiques », a déclaré Monticone. « En utilisant des méthodes de conception informatique, nous chercherons à optimiser les plaques spatiales pour qu’elles fonctionnent le plus près possible de nos limites fondamentales. Peut-être serons-nous en mesure de combiner une lentille plate et une plaque spatiale dans un seul appareil, réalisant des plans ultra-minces, monolithiques et planaires. systèmes optiques pour une variété d’applications. »
Kunal Shastri et al, Dans quelle mesure l’espace peut-il être compressé ? Limites de bande passante des plaques spatiales, Optique (2022). DOI : 10.1364/OPTICA.455680