Une minuscule lentille en métamatériau capture des images surdimensionnées

En utilisant le type de physique de déformation de la lumière qui rend possible les "capes d'invisibilité", les scientifiques ont développé un petit appareil photo léger qui peut prendre des photos aussi bonnes ou meilleures que les appareils photo numériques commerciaux plus de 100 fois plus volumineux, pour une utilisation potentielle dans smartphones et autres appareils portables, selon une nouvelle étude.

Les caméras modernes ont généralement plusieurs objectifs qui les aident à capturer des images de haute qualité, mais qui rendent également les caméras grandes et lourdes. Ce volume empêche les caméras haut de gamme de s'intégrer facilement dans les appareils mobiles tels que les smartphones, les drones et les équipements vidéo.

Le nouvel appareil à objectif unique a pris des images de résolution comparable à celles d'un appareil photo Sony de qualité professionnelle, occupant un volume inférieur à 1% de l'optique de Sony.

Pour miniaturiser les caméras, les scientifiques explorent de plus en plus les optiques plates constituées de métastructures, des matériaux dont les structures contiennent des motifs répétitifs à des échelles inférieures aux longueurs d'onde caractéristiques de tout ce que les structures sont conçues pour manipuler. Les métastructures optiques, qui sont conçues pour manipuler le rayonnement électromagnétique, peuvent plier la lumière de manière inattendue, ce qui entraîne des capes d'invisibilité à l'échelle nanométrique et d'autres dispositifs.

Une autre stratégie pour aider à miniaturiser les caméras est l'imagerie computationnelle, qui utilise un logiciel pour corriger les défauts des composants optiques. Des recherches antérieures ont suggéré que la combinaison d'optiques fabriquées à partir de métamatériaux (également appelées méta-optiques) augmentées par l'imagerie computationnelle pourrait potentiellement conduire à des images de haute qualité en utilisant des optiques de quelques micromètres d'épaisseur.

Un problème majeur lorsqu'il s'agit de concevoir des méta-optiques est l'extraordinaire difficulté rencontrée par les chercheurs pour modéliser par ordinateur les interactions complexes entre la lumière et tous les composants optiques. Cela signifie que bien que la méta-optique ait théoriquement beaucoup de potentiel, les matériaux méta-optiques que les scientifiques finissent par fabriquer offrent souvent une qualité d'image nettement inférieure à celle des méthodes optiques conventionnelles, explique la co-auteure de l'étude Karen Egiazarian de l'Université de Tampere, en Finlande.

Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont exploré une stratégie de "matériel dans la boucle" dans laquelle ils ont mené des expériences en utilisant des lentilles et des capteurs réels au lieu de modéliser par ordinateur le comportement de ces composants. Cela a permis de réduire considérablement les exigences de traitement du développement de la méta-optique d'au moins cent fois et les besoins en mémoire d'au moins dix fois, notent les chercheurs.

La méta-optique hybride résultante consistait en une lentille réfractive standard de 4,5 millimètres d'épaisseur recouverte d'un film méta-optique de quartz de 500 µm d'épaisseur recouvert de piliers carrés de nitrure de silicium de 700 nanomètres de haut. Dans des expériences, les scientifiques ont utilisé les techniques hybrides de méta-optique et d'imagerie computationnelle pour capturer des photos d'images distantes de 0,5 à 1,8 mètre.

Le nouvel appareil à objectif unique a pris des photos en couleur dont la qualité était aussi bonne ou meilleure que celles capturées par un appareil photo sans miroir Sony Alpha 1 III commercial avec un objectif composé Sony SEL85F18, selon les chercheurs.

"Cette méthodologie hardware-in-the-loop est capable de produire de meilleures optiques par rapport à l'état de l'art", déclare le co-auteur de l'étude Vladimir Katkovnik, également à l'Université de Tampere.

Dans le même temps, le nouvel appareil représentait moins de 1% du volume du système Sony.

"Je pense que l'application la plus percutante à l'heure actuelle est la conception d'une nouvelle génération d'appareils photo personnalisés pour smartphones", déclare Samuel Pinilla, auteur principal de l'étude, du Science and Technology Facilities Council, à Harwell, en Angleterre. "Nous nous intéressons également aux applications biomédicales." Les recherches futures peuvent également explorer des applications méta-optiques telles que l'imagerie hyperspectrale et la classification des images, explique Egiazarian.

Les méta-optiques hybrides du nouvel appareil ne faisaient que 5 mm de large. À l'avenir, les chercheurs suggèrent qu'ils pourraient développer des méta-optiques encore plus larges qui collectent plus de lumière pour une meilleure qualité d'image. Cependant, la fabrication de telles optiques "est encore un domaine en développement, et plus de percées sont nécessaires ici pour mettre en œuvre avec succès une conception donnée", déclare le co-auteur de l'étude Igor Shevkunov, à Tampere.

Les scientifiques ont détaillé leurs découvertes en ligne le 26 mai dans la revue Science Advances.