Ultra-flat optic pushes beyond what was previously thought possible
ALe GIST
L'optique ultra-plate repousse les limites de ce que l'on croyait possible
Par Wayne Gillam, Université de Washington - Département de génie électrique et informatique
Édité par Sadie Harley, relu par Robert Egan
Notes de la rédaction
Comparaison illustrative d'une lentille réfractive standard et d'une optique ultra-plate développée par l'équipe de recherche. L'optique ultra-plate est des centaines de fois plus petite et plus fine. Lorsque cette lentille métallique remplace un objectif ou une pile d'objectifs d'appareil photo classique, les gains de volume, de poids et d'autonomie de la batterie peuvent être substantiels. Crédit : Liz Sabol, Université de Princeton
Les appareils photo sont partout. Depuis plus de deux siècles, ces appareils ont gagné en popularité et se sont révélés si utiles qu'ils sont devenus indispensables à la vie moderne.
Aujourd'hui, ils sont intégrés à une vaste gamme d'applications, des smartphones et ordinateurs portables aux systèmes de sécurité et de surveillance, en passant par les voitures, les avions et les satellites qui capturent la Terre d'en haut. Alors que la tendance générale à la miniaturisation des produits mécaniques, optiques et électroniques se poursuit, scientifiques et ingénieurs cherchent des solutions pour créer des caméras plus petites, plus légères et plus économes en énergie pour ces technologies.
Les optiques ultraplates ont été proposées comme solution à ce défi technique, car elles constituent une alternative aux objectifs relativement encombrants des appareils photo actuels. Au lieu d'utiliser une lentille incurvée en verre ou en plastique, de nombreuses optiques ultraplates, comme les lentilles métalliques, utilisent une fine couche plane de nanostructures microscopiques pour manipuler la lumière, ce qui les rend des centaines, voire des milliers de fois plus petites et plus légères que les objectifs d'appareils photo classiques.
Mais un problème majeur se pose : une distorsion optique appelée « aberration chromatique » limite la capacité des optiques ultraplates à produire des images couleur de haute qualité lorsque l'optique possède une grande ouverture (l'ouverture de l'objectif qui laisse entrer la lumière dans l'appareil photo).
Une grande ouverture augmente le débit lumineux pour créer des images similaires à celles produites par la plupart des appareils photo actuels. Pendant des années, cette limitation fondamentale des optiques ultraplates a été perçue par beaucoup comme un obstacle insurmontable.
Du moins, jusqu'à présent.
Dans une première mondiale, des chercheurs de l'UW ECE et du département d'informatique de l'Université de Princeton ont démontré qu'une caméra équipée d'une optique ultra-plate à grande ouverture permettait d'enregistrer des images et des vidéos couleur de haute qualité, comparables à celles obtenues avec un objectif classique. Cette avancée remarquable remet en question l'idée reçue selon laquelle une seule lentille métallique à grande ouverture ne permettrait pas d'obtenir des images nettes et en couleur.
Leur article, intitulé « Beating spectral bandwidths for large aperture broadband nano-optics », a été publié dans Nature Communications.
L'optique ultra-plate développée par l'équipe de recherche est une lentille métallique d'une épaisseur de seulement un micron. Une fois fixée à son support, elle ne mesure que 300 microns d'épaisseur, soit l'épaisseur de quatre cheveux humains placés côte à côte.
Au total, elle est des centaines de fois plus petite et plus fine qu'une lentille réfractive standard. Ainsi, lorsque cette métalens remplace un objectif ou une pile d'objectifs d'appareil photo conventionnel, les économies de volume, de poids et d'autonomie de la batterie peuvent être substantielles.
Cette optique ultra-plate pourrait être appliquée à presque tous les appareils photo et serait particulièrement utile pour tout système d'imagerie limité par la taille ou le poids.
Les caméras de smartphones et d'ordinateurs portables sont parmi les premières applications qui viennent à l'esprit pour cette métalens, mais elle pourrait être appliquée à un large éventail d'autres technologies, telles que les voitures, les drones ou les satellites, qui nécessitent des systèmes d'imagerie légers. Même les instruments médicaux, tels que les endoscopes et les angioscopes, pourraient bénéficier des systèmes plus compacts que cette optique ultra-plate permettrait, permettant aux médecins d'observer plus en profondeur le corps pour diagnostiquer et traiter les maladies.
Le prototype de caméra conçu par l'équipe de recherche. Ce prototype d'ingénierie intègre l'optique ultra-plate avec une ouverture d'objectif d'un centimètre. Crédit : Johannes Fröch
Cette réussite est le fruit d'une collaboration de longue date entre les auteurs principaux de l'article, Arka Majumdar, professeure à l'ECE de l'UW et titulaire d'un poste conjoint en physique, et Felix Heide, professeur adjoint d'informatique à l'Université de Princeton.
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Majumdar, Heide et leurs équipes de recherche ont réalisé des avancées spectaculaires en optique ces dernières années, comme la réduction d'un appareil photo à la taille d'un grain de sel tout en conservant des images nettes et claires, et la conception d'un appareil photo capable d'identifier des images à la vitesse de la lumière. L'équipe du laboratoire de Majumdar possède également une solide expérience en matière de réinvention de l'optique pour les appareils photo de smartphones et autres appareils.
Cette dernière avancée scientifique est le fruit de
Les auteurs principaux de l'article étaient Johannes Fröch, professeur adjoint de recherche à l'UW ECE, et Praneeth Chakravarthula, professeur adjoint d'informatique à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill. Chakravarthula était chercheur postdoctoral au laboratoire de Heide à l'Université de Princeton lorsque ces recherches ont été menées.
« Auparavant, on supposait que plus les métalens étaient grands, moins il y avait de couleurs focalisables », explique Fröch. « Mais nous avons dépassé cette limite.»
« Nous avons traité ce système comme un système holistique », ajoute Chakravarthula. « Cela nous a permis d'exploiter les atouts complémentaires de l'optique et du calcul : nous n'avons pas conçu les différentes parties du système d'imagerie de manière séquentielle, mais les avons optimisées conjointement pour maximiser les performances. »
Parmi les autres co-auteurs de l'article figuraient Shane Colburn, Alan Zhan, Forrest Miller, Anna Wirth-Singh et Zheyi Han, anciens étudiants de l'UW ECE, ainsi que Quentin Tanguy, ancien chercheur postdoctoral de l'UW ECE, et Jipeng Sun, doctorant dans le laboratoire de Heide.
Le professeur Karl Böhringer de l'UW ECE a également co-écrit l'article et contribué à ce projet, en supervisant les étudiants qui ont fabriqué l'optique ultra-plate au Washington Nanofabrication Facility. Böhringer est directeur de l'Institute of Nano-Engineered Systems, dont Majumdar est membre du corps enseignant.
Le calcul assisté par l'IA permet d'obtenir des images haute résolution.
Dans la plupart des systèmes d'imagerie, plusieurs lentilles réfractives sont utilisées, car une seule ne permet pas de focaliser toutes les couleurs. Ce problème, qui définit la « chromaticité », est exacerbé dans les optiques ultra-plates.
De nombreux scientifiques et ingénieurs considèrent même les métallentilles comme hyperchromatiques, car toute la lumière ne peut être focalisée en un point donné. Ceci limite la capacité des optiques ultra-plates à présenter des ouvertures plus larges tout en conservant une bonne qualité d'image dans le visible.
Avant cette avancée scientifique, il était impossible de construire des métallentilles à grandes ouvertures capables de produire une image de haute qualité. La plupart des premiers travaux sur les métallentilles utilisaient des ouvertures d'appareil photo inférieures à un millimètre.
En comparaison, l'ouverture de l'appareil photo conçu par l'équipe de recherche est d'un centimètre, soit nettement plus grande. L'équipe a démontré qu'avec un puissant backend de calcul co-conçu avec le matériel optique, des ouvertures encore plus grandes sont possibles.
« Des chercheurs ont essayé des conceptions optiques artisanales, purement physiques ou heuristiques, pour résoudre ce problème, mais dans notre travail, nous le traitons comme un problème de calcul », explique Chakravarthula. « Nous avons utilisé des outils d'IA pour déterminer la forme de ces structures de lentilles et les calculs correspondants. »
Le backend de calcul du système optique de l'équipe intégrait l'IA, un réseau neuronal probabiliste basé sur la diffusion. Ce backend, alimenté par l'IA, traite les données reçues de l'optique ultra-plate et produit des images présentant un voile réduit, une meilleure précision des couleurs, des teintes plus vives et une meilleure réduction du bruit. Il en résulte des images couleur de haute qualité, quasiment impossibles à distinguer de celles capturées avec un appareil photo classique.
« Auparavant, j'examinais toujours les problèmes du côté optique du système », explique Fröch. « Mais ce projet m'a vraiment montré qu'en considérant le système dans son ensemble et en essayant d'exploiter les atouts de chaque élément – l'optique et le backend de calcul –, ils peuvent fonctionner en synergie pour produire la qualité d'image exceptionnelle que nous présentons ici.»
Vers des images encore plus nettes, de nouvelles modalités
Les prochaines étapes pour l'équipe de recherche consistent à affiner et à améliorer la qualité d'image produite par leur optique ultra-plate. Ils prévoient également d'explorer différentes modalités pour le système optique qu'ils ont développé, qui pourraient être utiles pour améliorer la vision humaine. Ces modalités impliquent la capture et l'exploitation d'informations issues de la lumière, au-delà de ce qui est visible à l'œil nu.
À titre d'exemple, de nombreux animaux, comme les papillons, peuvent voir bien au-delà du spectre lumineux visible par l'homme et tirer des informations utiles de différentes caractéristiques de la lumière, comme sa polarisation (l'orientation des ondes lumineuses lorsqu'elles se propagent dans l'espace).
Les animaux utilisent ces informations pour trouver de la nourriture, échapper aux prédateurs et attirer des partenaires. De même, les humains peuvent exploiter la lumière au-delà de ce que l'on perçoit pour permettre la détection multimodale de polarisation ou d'informations spectrales.
Le LiDAR, ou détection et télémétrie par la lumière, en est un exemple. Il est actuellement utilisé dans les véhicules autonomes et les smartphones pour des applications de réalité augmentée, de réalité virtuelle et de perception de la profondeur. L'équipe de recherche prévoit que son optique ultra-plate pourrait être applicable à ce type de technologies.
La commercialisation de cette optique ultra-plate est également envisageable dans un avenir proche. Les Metalenses sont adaptées à la fabrication en série en fonderie grâce à la lithographie par nano-impression, ce qui rend l'optique abordable et évolutive. L'équipe est actuellement en discussion avec un professeur du département d'ophtalmologie de l'UW, qui souhaite créer des appareils portables, compacts et légers, plus faciles à utiliser pour l'inspection oculaire.
Fröch a également indiqué que des startups pourraient être intéressées par la commercialisation de cette technologie. Il a également souligné que les recherches de l'équipe pourraient ouvrir de nouvelles perspectives à d'autres acteurs du domaine de l'optique.
« Je pense que le point essentiel à retenir est que même si la résolution d'un problème est perçue comme limitée, cela ne signifie pas qu'il est impossible de le résoudre », a déclaré Fröch.
« Nos travaux démontrent les possibilités offertes par l'optique ultra-plate. Je pense que nos recherches font progresser le domaine, et il y aura beaucoup plus à venir.
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RESUME
Une optique ultra-plate repousse les limites de ce que l'on croyait possible.
Les caméras sont omniprésentes. Depuis plus de deux siècles, ces appareils ont gagné en popularité et se sont révélés si utiles qu'ils sont devenus indispensables à la vie moderne.
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COMMENTAIRES
Cet article vient de me faire dcouvrir a quel point il peut se produire une accélération du progrés technologique ... Cette optique ultramincve peut se dévelppper partout et il faut s en rejouir !
C est encore à Princeton que ça a démarré !!!
XXMore information: Johannes E. Fröch et al, Beating spectral bandwidth limits for large aperture broadband nano-optics, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-58208-4
Journal information: Nature Communications
Provided by University of Washington - Department of Electrical & Computer Engineering
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