Ultra-flat optic pushes beyond what was previously thought possible

Les caméras sont partout. Depuis plus de deux siècles, ces appareils sont devenus de plus en plus populaires et se sont révélés si utiles qu’ils sont devenus une partie indispensable de la vie moderne.

Aujourd’hui, ils sont inclus dans une vaste gamme d’applications, des smartphones et des ordinateurs portables aux systèmes de sécurité et de surveillance aux voitures, aux avions et à l’imagerie des satellites de la Terre au-dessus. Et en tant que tendance globale vers la miniaturisation des produits mécaniques, optiques et électroniques, les scientifiques et les ingénieurs recherchent des moyens de créer des appareils photo plus petits, plus légers et plus économes en énergie pour ces technologies.

Des optiques ultra-plates ont été proposées comme une solution pour ce défi d’ingénierie, car ils sont une alternative aux objectifs relativement volumineux trouvés dans les caméras aujourd’hui. Au lieu d’utiliser une lentille incurvée faite de verre ou de plastique, de nombreuses optiques ultra-flat, telles que les métallats, utilisent un plan mince et plat de nanostructures microscopiques pour manipuler la lumière, ce qui en fait des centaines, voire des milliers de fois plus petites et plus légères que les lentilles de caméra conventionnelles.

Mais il y a un gros problème. Un type de distorsion optique connue sous le nom de “aberration chromatique” limite la capacité des optiques ultra-flat à produire des images couleur de haute qualité lorsque l’optique a une grande ouverture – l’ouverture de l’objectif qui permet de la lumière dans la caméra.

Une grande ouverture augmente le débit léger pour créer des images similaires à ce que la plupart des caméras peuvent produire aujourd’hui. Pendant des années, cette limitation fondamentale des optiques ultra-plates a été considérée par beaucoup comme une barrière impraticable.

C’est-à-dire jusqu’à présent.

Dans une réussite en son genre, les chercheurs de l’UW ECE et du département d’informatique de l’Université de Princeton ont montré qu’un appareil photo contenant une grande ouverture, une optique ultra-plate peut enregistrer des images couleur et une vidéo de haute qualité comparables à ce qui peut être capturé avec un objectif de caméra conventionnel. Cette réalisation notable remet en question une croyance communément répandue que l’imagerie nette et en couleur serait impossible en utilisant un seul métal de grande ouverture.

Leur article, “Batter Spectral Bandwidths for Broadband Nano-Optics”, a été publié dans Communications de la nature.

L’optique ultra-plate développée par l’équipe de recherche est un métal qui n’est qu’à un micron d’épaisseur. Lorsqu’il est apposé sur son substrat de support, il n’a encore que 300 microns d’épaisseur – sur la largeur de quatre poils humains couchés côte à côte.

Au total, il est des centaines de fois plus petit et plus mince qu’un objectif de réfraction standard. Ainsi, lorsque ce métalaux remplace un objectif de caméra conventionnel ou une pile de lentilles, les économies de volume, de poids et de durée de vie de la batterie peuvent être substantielles.

Cette optique ultra-plate pourrait être appliquée à presque n’importe quelle caméra, et elle serait particulièrement utile pour tout système d’imagerie limité par la taille ou le poids.

Les caméras pour smartphone et ordinateur portable sont parmi les premières applications pour ce métal qui me viennent à l’esprit, mais elle pourrait être appliquée à une vaste gamme d’autres technologies, telles que des voitures, des drones ou des satellites qui ont besoin de systèmes d’imagerie légers. Même les instruments médicaux, tels que les endoscopes et les angioscopes, pourraient bénéficier des plus petits systèmes que cette optique ultra-flat pourrait permettre, permettant aux médecins de voir plus profondément à l’intérieur du corps pour diagnostiquer et traiter les maladies.

Cette réalisation est une excroissance d’une collaboration de longue date entre les auteurs principaux du journal, Arka Majumdar, professeur d’UW ECE qui tient une nomination conjointe en physique, et Felix Heide, professeur adjoint d’informatique à l’Université de Princeton.

Majumdar, Heide et leurs équipes de recherche ont produit des progrès spectaculaires de l’optique au cours des dernières années, comme le rétrécissement d’une caméra jusqu’à la taille d’un grain de sel tout en capturant des images nettes et claires et en génie une caméra qui peut identifier des images à la vitesse de la lumière. L’équipe de laboratoire de Majumdar a également une solide expérience de réinvention des optiques pour les caméras pour smartphones et d’autres appareils.

Cette dernière avancée de recherche a émergé d’un effort conjoint précédent supervisé par Majumdar et Heide, dirigé par Ethan Tseng, un doctorant au laboratoire de Heide qui était également co-auteur de cet article.

Les principaux auteurs du journal étaient le professeur adjoint de recherche de l’UW ECE Johannes Fröch et Praneeth Chakravarthula, professeur adjoint d’informatique à l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill. Chakravarthula était un érudit postdoctoral dans le laboratoire de Heide à l’Université de Princeton lorsque cette recherche a eu lieu.

“Auparavant, il était supposé que plus le métal est grand, moins il y a de couleurs qui peuvent être concentrées”, a déclaré Fröch. “Mais nous sommes allés au-delà de cela et avons battu la limite.”

“Nous avons traité cela comme un système holistique”, a ajouté Chakravarthula. “Cela nous a permis de tirer parti des forces complémentaires de l’optique et du calcul, où nous n’avons pas conçu ces différentes parties du système d’imagerie séquentiellement, mais au lieu de cela, nous les avons optimisés conjointement pour maximiser les performances.”

Les autres co-auteurs du journal comprenaient les anciens de l’UW ECE Shane Colburn, Alan Zhan, Forrest Miller, Anna Wirth-Singh et Zheyi Han ainsi que l’ancien chercheur postdoctoral de l’UW ECE Quentin Tanguy et Jipeng Sun, un doctorant de Heide’s Lab.

Le professeur de l’UW ECE, Karl Böhringer, a également co-écrit le journal et a contribué à l’effort, supervisant les étudiants qui ont fabriqué l’optique ultra-plate dans le centre de nanofabrication de Washington. Böhringer est le directeur de l’Institut des systèmes nano-ingénients, dont Majumdar est membre du corps professoral.

Le calcul alimenté par AI permet des images à haute résolution

Dans la plupart des systèmes d’imagerie, plusieurs lentilles de réfraction sont utilisées car une seule lentille ne peut pas mettre au point toutes les couleurs. Ce problème, spécifiant la «chromaticité», devient exacerbée en optique ultra-plate.

De nombreux scientifiques et ingénieurs considèrent même que les métallites sont hyperchromatiques car toute la lumière ne peut pas être mise en évidence à un point donné. Cela limite la capacité des optiques ultra-plates d’avoir des ouvertures plus larges et de pouvoir bien faire en termes d’imagerie de la lumière visible.

Avant cette avancée de recherche, il n’était pas jugé possible de construire des métallites avec de grandes ouvertures qui peuvent produire une image de haute qualité. La plupart des efforts antérieurs avec des métallites fonctionnaient avec des ouvertures de caméras qui mesuraient moins d’un millimètre.

En comparaison, l’ouverture de la caméra conçue par l’équipe de recherche a une taille de centimètre, nettement plus grande. L’équipe a démontré qu’avec un fort backend informatique co-conçu avec le matériel optique, des ouvertures encore plus grandes sont possibles.

“Les gens ont essayé des conceptions optiques purement basées sur la physique ou heuristiques et fabriqués à la main pour résoudre ce problème, mais dans notre travail, nous le traitons comme un problème de calcul”, a déclaré Chakravartthula. “Nous avons utilisé des outils d’IA pour comprendre quelle devrait être la forme de ces structures de lentilles et quel devrait être le calcul correspondant.”

Le backend informatique du système optique de l’équipe a incorporé l’IA – un réseau de neurones à diffusion probabiliste. Ce backend propulsé par l’IA prend les données reçues de l’optique ultra-flat et produit des images avec une brume plus faible, une meilleure précision de couleurs, des teintes plus vives et une meilleure réduction du bruit. Tout cela se traduit par des images couleur de haute qualité qui sont presque indiscernables de ce qui peut être capturé avec une caméra conventionnelle.

“Auparavant, j’envisageais toujours des problèmes du côté optique du système”, a déclaré Fröch. “Mais ce projet m’a vraiment montré que si vous considérez l’ensemble du système et essayez ensuite de tirer parti de la force de chaque partie – l’optique et le backend informatique – ils peuvent travailler en synergie pour produire cette très bonne qualité d’image que nous avons montrée ici.”

Travaillant vers des images encore plus nettes, de nouvelles modalités

Les prochaines étapes de l’équipe de recherche comprennent le raffinage et l’amélioration de la qualité d’image produits par leur optique ultra-plate. Ils prévoient également d’explorer différentes modalités pour le système optique qu’ils ont développé qui pourrait être utile pour augmenter la vision humaine. Ces modalités impliquent de capturer et de travailler avec des informations de lumière qui dépassent ce qui est visible pour l’œil humain.

Pour illustrer, de nombreux animaux, comme les papillons, peuvent voir bien au-delà du spectre de la lumière visible par l’homme et gagner des informations utiles à partir de différentes caractéristiques de la lumière, comme sa polarisation – l’orientation des ondes légères lorsqu’ils voyagent dans l’espace.

Les animaux utilisent ces informations pour trouver de la nourriture, échapper aux prédateurs et attirer des compagnons. De la même manière, les humains peuvent utiliser la lumière au-delà de ce que les gens peuvent voir pour permettre la détection multimodale pour la polarisation ou les informations spectrales.

Un exemple de ceci est la détection et la possibilité de la lumière, ou LiDAR, qui est actuellement utilisée dans les véhicules autonomes et dans les smartphones pour aider à la réalité augmentée, à la réalité virtuelle et aux applications de perception en profondeur. L’équipe de recherche prévoit que leur optique ultra-plate pourrait être applicable à ce type de technologies.

La commercialisation de cette optique ultra-plate est également une possibilité distincte dans un avenir proche. Les métallistes conviennent à la fabrication de masse dans les fonderies en utilisant la lithographie de la nanoprint, ce qui rend l’optique abordable et évolutive. L’équipe parle actuellement avec un professeur UW dans le département en ophtalmologie, qui souhaite créer de petits appareils légers et portables qui seraient plus faciles à utiliser pour les inspections oculaires.

Fröch a également déclaré qu’il existe des startups qui pourraient être intéressées à commercialiser cette technologie. Il a également noté que les recherches de l’équipe pouvaient ouvrir de nouvelles avenues pour d’autres dans le domaine de l’optique à explorer.

“Je pense que le point à retenir globalement ici est que même lorsqu’il y a des limites perçues pour résoudre un certain problème, cela ne signifie pas qu’il n’est pas possible de le résoudre”, a déclaré Fröch.

“Notre travail montre la capacité, ce qui peut être fait avec l’optique ultra-plate. Je pense que nos recherches font avancer le domaine, et il y aura beaucoup plus de ce type de travail à l’avenir.”