Une équipe de chercheurs de l’Université de l’Utah, Salt Lake City, et d’Oblate Optics, Inc. a créé une caméra qui ne nécessite pas de mise au point.
La nouvelle lentille plate pourrait réduire considérablement le poids, la complexité et le coût des caméras et autres systèmes d’imagerie, tout en augmentant leur fonctionnalité. Crédit photo : Rajesh Menon, Université de l’Utah.
“Nos lentilles plates peuvent réduire considérablement le poids, la complexité et le coût des caméras et autres systèmes d’imagerie, tout en augmentant leur fonctionnalité”, a déclaré le Dr Rajesh Menon, un scientifique de l’Université de l’Utah.
“De telles optiques pourraient permettre d’obtenir des caméras de smartphones plus fines, des caméras améliorées et plus petites pour l’imagerie biomédicale telle que l’endoscopie, et des caméras plus compactes pour les automobiles.”
Les lentilles plates de l’équipe peuvent maintenir la mise au point pour des objets distants d’environ 6 m (20 pieds) les uns des autres.
Ils utilisent des nanostructures dessinées sur une surface plane plutôt que du verre ou du plastique encombrant pour obtenir les propriétés optiques importantes qui contrôlent la façon dont la lumière se déplace.
“Cette nouvelle lentille pourrait avoir de nombreuses applications intéressantes en dehors de la photographie, comme la création d’un éclairage très efficace pour le LIDAR qui est essentiel pour de nombreux systèmes autonomes, y compris les voitures à conduite autonome”, a déclaré le Dr Menon.
“L’approche de conception que nous avons utilisée pourrait être étendue pour créer des composants optiques avec un nombre quelconque de propriétés telles qu’une bande passante extrême, une fabrication plus facile ou un coût plus faible.”
Les caméras conventionnelles, qu’elles soient utilisées dans les smartphones ou pour la microscopie, nécessitent une mise au point pour s’assurer que les détails d’un objet sont nets. S’il y a plusieurs objets à différentes distances de la caméra, chaque objet doit être mis au point séparément.
“Le nouvel objectif élimine le besoin de mise au point et permet à n’importe quelle caméra de garder tous les objets au point simultanément”, a déclaré le Dr Menon.
“Les caméras conventionnelles utilisent également plusieurs lentilles pour garder différentes couleurs de lumière au point simultanément. Puisque notre conception est très générale, nous pouvons également l’utiliser pour créer une seule lentille plate qui fait le point sur toutes les couleurs de la lumière, ce qui simplifie drastiquement les caméras encore plus.”
Pour focaliser la lumière, les lentilles traditionnelles transforment les ondes lumineuses parallèles en ondes sphériques qui convergent vers un point focal.
Menon et ses collègues ont réalisé que des ondes ayant d’autres formes pouvaient produire un effet similaire, augmentant ainsi considérablement le nombre de modèles de lentilles possibles.
“Contrairement à ce qui est enseigné dans les manuels d’optique, nos recherches ont montré qu’il y a plus d’une façon dont la transmission de la lumière est affectée par une lentille idéale – un concept connu sous le nom de fonction pupillaire”, a-t-il déclaré.
“Cela a ouvert des possibilités essentiellement infinies pour la fonction pupillaire de l’objectif, et nous avons cherché parmi ces possibilités celle qui permet d’obtenir une profondeur de foyer extrême.”
Après avoir choisi la meilleure conception de lentille pour la profondeur de foyer, les chercheurs ont utilisé des techniques de nanofabrication pour fabriquer un prototype de lentille.
Les expériences ont confirmé que la nouvelle lentille fonctionnait comme prévu et atteignait une profondeur de champ de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle d’une lentille conventionnelle équivalente.
Les scientifiques ont fait la démonstration de la nouvelle lentille en utilisant la lumière infrarouge et une ouverture numérique relativement faible – un nombre qui caractérise la gamme d’angles sur lesquels la lentille peut accepter ou émettre de la lumière.
Ils prévoient d’étendre la lentille à des ouvertures numériques plus grandes et de l’utiliser avec l’ensemble du spectre de la lumière visible.
Des travaux visant à garantir que les lentilles puissent être fabriquées en masse sont également nécessaires avant qu’elles puissent être commercialisées.
“Cette recherche est un bon exemple de la façon dont l’abandon des notions traditionnelles peut permettre des dispositifs considérés auparavant comme impossibles. Elle constitue un bon rappel pour remettre en question les dictats du passé”, a déclaré le Dr Menon.
Les travaux de l’équipe ont été publiés dans la revue Optica.
