Les chercheurs ont développé un métalène qui agit à la fois comme un séparateur de couleur et comme une lentille. Il peut être directement intégré sur les pixels du capteur pour créer un capteur sans filtre avec une sensibilité accrue. Crédit : Masashi Miyata, NTT Device Technology Labs
Les avancées technologiques permettent des capteurs d’imagerie sans filtre qui sont prêts à améliorer l’imagerie rapide et en faible luminosité pour les smartphones et les véhicules autonomes.
Les chercheurs ont montré que les lentilles de métasurface à l’échelle des pixels nouvellement conçues – des surfaces planes qui utilisent des nanostructures pour manipuler la lumière – peuvent être utilisées pour fabriquer des capteurs d’imagerie qui sont environ trois fois plus sensibles que ceux utilisés aujourd’hui. La nouvelle architecture de capteur pourrait permettre aux appareils photo numériques d’imager plus rapidement ou dans des conditions avec moins de lumière.
“Les capteurs d’imagerie traditionnels tels que ceux utilisés dans les smartphones, les appareils portables et les véhicules autonomes ont une sensibilité limitée car ils reposent sur des filtres de couleur placés sur chaque pixel”, a déclaré le chef de l’équipe de recherche Masashi Miyata de NTT Device Technology Labs au Japon. “Nos nouveaux metalenses sont fabriqués à partir d’une surface hautement technique qui peut collecter la lumière tout en séparant simultanément les couleurs primaires sans aucun filtre de couleur, ouvrant une voie pour améliorer considérablement la sensibilité.”
Dans OPTIQUE, le journal d’Optica Publishing Group pour la recherche à fort impact, Miyata et ses collègues rapportent que les capteurs de couleur sans filtre fabriqués avec les nouveaux metalenses ont considérablement amélioré les niveaux de signal sans sacrifier la qualité de l’image couleur ou la résolution spatiale. Et parce que les nouveaux métalenses sont fabriqués à l’aide d’un processus compatible CMOS, ils pourraient facilement être intégrés aux capteurs actuels pour créer des dispositifs d’imagerie sans filtre.
“Nous envisageons nos métalenses jouant un rôle important dans le développement de capteurs d’images couleur sans filtre qui dépassent les limites de sensibilité actuelles”, a déclaré Miyata. “Ces nouveaux capteurs pourraient un jour permettre aux gens de capturer plus facilement des vues nocturnes avec des smartphones ou activer de nouvelles caméras qui capturent avec précision les objets à grande vitesse, ce qui sera utile pour la sécurité et la conduite autonome.”
Élimination des filtres
Dans un capteur conventionnel, les informations de couleur sont acquises en utilisant des filtres de couleur qui absorbent une partie de la lumière. Un filtre rouge, par exemple, ne laisse passer que les longueurs d’onde rouges tout en absorbant toutes les autres longueurs d’onde. Cela signifie que seulement environ 30% de la lumière est réellement détectée.
Pour augmenter la sensibilité, les chercheurs de NTT ont conçu un réseau de métalens qui acquiert des informations sur les couleurs sans perte optique grâce à un processus appelé tri des couleurs. Cela implique de diviser la lumière en rouge, vert et bleu, puis de concentrer chaque couleur sur différents pixels. Le réseau de métalens à l’échelle du pixel a été créé en gravant des nanoposts dans une couche de nitrure de silicium de 1250 nm d’épaisseur.
Bien que d’autres séparateurs de couleurs à l’échelle des pixels aient été démontrés expérimentalement, ils n’ont pas été pratiques pour les appareils grand public car ils étaient soit inefficaces, affectés par la polarisation de la lumière ou sensibles à la lumière qui pourrait frapper le capteur sous un angle oblique. Les nouveaux métalenses, cependant, sont basés sur une plate-forme de métasurface enrichie en dispersion qui les rend insensibles à la polarisation et supprime la diaphonie spectrale pour tous les pixels de couleur. Parce que les métalenses sont si efficaces pour focaliser la lumière, leurs performances de tri des couleurs ne sont pas affectées par la lumière oblique.
Évaluation des performances du capteur
Les chercheurs ont utilisé un microscope optique pour imiter la façon dont la lumière traverserait un réseau de métaux avant d’atteindre un capteur. Cette expérience a montré que, par rapport à un capteur à filtre, le capteur à base de métal génère des images couleur avec des niveaux de signal améliorés de 2,83 fois sans sacrifier la qualité des couleurs.
Des études de simulation optique ont également montré que l’architecture du capteur à base de métaux présentait moins de dégradation de l’image en raison du bruit du capteur, qui est souvent le facteur limitant dans l’imagerie de scènes sombres ou ultra-rapide. Maintenant qu’ils ont fait la démonstration du nouveau concept de capteur, les chercheurs prévoient de créer et de tester un dispositif intégré en montant directement un réseau de métaux sur un capteur d’image.
« Nous espérons que nos travaux stimuleront davantage le développement de dispositifs et de systèmes optiques pratiques basés sur des métasurfaces », a déclaré Miyata. « Avec leur capacité à aplatir et à rétrécir les composants optiques tout en améliorant considérablement les performances, nous pensons que les métasurfaces optiques peuvent être appliquées non seulement aux capteurs d’images, mais également à divers dispositifs optoélectroniques tels que ceux utilisés dans les écrans, les projecteurs et les dispositifs de réalité augmentée ou virtuelle. “
Référence : « Metalenses à triage des couleurs pour les capteurs d’image à haute sensibilité » par Masashi Miyata, Naru Nemoto, Kota Shikama, Fumihide Kobayashi et Toshikazu Hashimoto, 16 décembre 2021, OPTIQUE.
DOI : 10.1364 / OPTICA.444255
