Killian Court MIT à large champ de vision

Illustration artistique en 3D des metalens à large champ de vision capturant un panorama à 180 ° de Killian Court du MIT et produisant une image plate monochrome haute résolution. ” Crédit: Image: Mikhail Shalaginov, Tian Gu, Christine Daniloff, Felice Hankel, Juejun Hu

La seule pièce de verre produit des images panoramiques nettes.

Pour capturer des vues panoramiques en une seule photo, les photographes utilisent généralement des objectifs fisheye – des objectifs ultra grand angle fabriqués à partir de plusieurs morceaux de verre incurvé, qui déforment la lumière entrante pour produire des images larges et ressemblant à des bulles. Leur conception sphérique et multipièce rend les objectifs fisheye intrinsèquement volumineux et souvent coûteux à produire.

Désormais ingénieurs chez MIT et l’Université du Massachusetts à Lowell ont conçu un objectif grand angle complètement plat. Il s’agit du premier objectif fisheye plat à produire des images panoramiques nettes à 180 degrés. La conception est un type de «métalens», un matériau ultra-mince à motifs avec des caractéristiques microscopiques qui fonctionnent ensemble pour manipuler la lumière d’une manière spécifique.

Dans ce cas, le nouvel objectif fisheye se compose d’un seul morceau de verre plat, d’une épaisseur d’un millimètre, recouvert d’un côté de minuscules structures qui diffusent avec précision la lumière entrante pour produire des images panoramiques, tout comme le ferait un ensemble d’objectif fisheye incurvé à plusieurs éléments. L’objectif fonctionne dans la partie infrarouge du spectre, mais les chercheurs disent qu’il pourrait être modifié pour capturer des images en utilisant également la lumière visible.

Le nouveau design pourrait potentiellement être adapté à une gamme d’applications, avec des objectifs minces et ultra grand angle intégrés directement dans les smartphones et les ordinateurs portables, plutôt que physiquement attachés en tant que modules complémentaires volumineux. Les lentilles à profil bas pourraient également être intégrées dans des appareils d’imagerie médicale tels que des endoscopes, ainsi que dans des lunettes de réalité virtuelle, des appareils électroniques portables et d’autres appareils de vision par ordinateur.

«Cette conception est quelque peu surprenante, car certains ont pensé qu’il serait impossible de fabriquer un métal avec une vue ultra-large», déclare Juejun Hu, professeur associé au Département de science et d’ingénierie des matériaux du MIT. «Le fait que cela puisse réellement réaliser des images fisheye est complètement hors des attentes.

Il ne s’agit pas seulement d’une flexion légère, c’est hallucinant. »

Hu et ses collègues ont publié leurs résultats le 18 septembre 2020 dans le journal Nano Lettres. Les co-auteurs du MIT de Hu sont Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha Agarwal et Tian Gu, ainsi que Sensong An et Hualiang Zhang de UMass Lowell.

Design à l’arrière

Les Metalenses, bien que toujours en grande partie à un stade expérimental, ont le potentiel de remodeler considérablement le domaine de l’optique. Auparavant, les scientifiques ont conçu des lentilles métalliques qui produisent des images haute résolution et relativement grand angle allant jusqu’à 60 degrés. Pour élargir davantage le champ de vision, il faudrait traditionnellement des composants optiques supplémentaires pour corriger les aberrations ou le flou – une solution de contournement qui ajouterait du volume à une conception metalens.

Hu et ses collègues ont plutôt proposé une conception simple qui ne nécessite pas de composants supplémentaires et conserve un nombre minimum d’éléments. Leur nouveau métal est une seule pièce transparente en fluorure de calcium avec une fine pellicule de tellurure de plomb déposée sur une face. L’équipe a ensuite utilisé des techniques lithographiques pour sculpter un motif de structures optiques dans le film.

Lentille Fisheye plate

Photographie de dessus de l’objectif montrant la métasurface fabriquée (zone verte). Crédits: Felice Frankel

Chaque structure, ou «méta-atome», Comme l’équipe les appelle, est façonnée selon l’une des nombreuses géométries nanométriques, comme une configuration rectangulaire ou en forme d’os, qui réfracte la lumière d’une manière spécifique. Par exemple, la lumière peut mettre plus de temps à se disperser ou à se propager d’une forme par rapport à une autre – un phénomène connu sous le nom de retard de phase.

Dans les objectifs fisheye conventionnels, la courbure du verre crée naturellement une distribution de retards de phase qui produit finalement une image panoramique. L’équipe a déterminé le motif correspondant de méta-atomes et a sculpté ce motif à l’arrière du verre plat.

«Nous avons conçu les structures de la face arrière de telle sorte que chaque partie puisse produire une mise au point parfaite», déclare Hu.

Sur la face avant, l’équipe a placé une ouverture optique, ou ouverture pour la lumière.

«Lorsque la lumière entre par cette ouverture, elle se réfracte à la première surface du verre, puis se disperse angulairement», explique Shalaginov. «La lumière atteindra alors différentes parties de l’arrière, sous des angles différents mais continus. Tant que vous concevez correctement la face arrière, vous pouvez être sûr d’obtenir des images de haute qualité sur toute la vue panoramique. »

À travers le panorama

Dans une démonstration, la nouvelle lentille est réglée pour fonctionner dans la région infrarouge moyen du spectre. L’équipe a utilisé la configuration d’imagerie équipée des métalens pour prendre des photos d’une cible rayée. Ils ont ensuite comparé la qualité des photos prises sous différents angles de la scène et ont constaté que le nouvel objectif produisait des images des rayures nettes et claires, même sur les bords de la vue de la caméra, sur près de 180 degrés.

«Cela montre que nous pouvons obtenir des performances d’imagerie parfaites sur presque toute la vue à 180 degrés, en utilisant nos méthodes», déclare Gu.

Dans une autre étude, l’équipe a conçu les metalens pour qu’ils fonctionnent à une longueur d’onde proche infrarouge en utilisant des nanopostes de silicium amorphe comme méta-atomes. Ils ont branché les metalens dans une simulation utilisée pour tester les instruments d’imagerie. Ensuite, ils ont alimenté la simulation d’une scène de Paris, composée d’images en noir et blanc cousues ensemble pour en faire une vue panoramique. Ils ont ensuite exécuté la simulation pour voir quel type d’image le nouvel objectif produirait.

«La question clé était la suivante: l’objectif couvre-t-il tout le champ de vision? Et nous voyons qu’il capture tout à travers le panorama », dit Gu. “Vous pouvez voir des bâtiments et des personnes, et la résolution est très bonne, que vous regardiez au centre ou sur les bords.”

L’équipe affirme que le nouvel objectif peut être adapté à d’autres longueurs d’onde de lumière. Pour fabriquer une lentille fisheye plate similaire pour la lumière visible, par exemple, Hu dit que les caractéristiques optiques devront peut-être être rendues plus petites qu’elles ne le sont actuellement, pour mieux réfracter cette plage particulière de longueurs d’onde. Le matériau de la lentille devrait également changer. Mais l’architecture générale que l’équipe a conçue resterait la même.

Les chercheurs explorent des applications pour leur nouvel objectif, non seulement en tant que caméras fisheye compactes, mais aussi en tant que projecteurs panoramiques, ainsi que des capteurs de profondeur intégrés directement dans les smartphones, les ordinateurs portables et les appareils portables.

«Actuellement, tous les capteurs 3D ont un champ de vision limité, c’est pourquoi lorsque vous éloignez votre visage de votre smartphone, il ne vous reconnaîtra pas», dit Gu. «Ce que nous avons ici, c’est un nouveau capteur 3D qui permet le profilage de profondeur panoramique, ce qui pourrait être utile pour les appareils électroniques grand public.»

Référence: «Single-Element Diffraction-Limited Fisheye Metalens» par Mikhail Y. Shalaginov, Sensong An, Fan Yang, Peter Su, Dominika Lyzwa, Anuradha M. Agarwal, Hualiang Zhang, Juejun Hu et Tian Gu, 18 septembre 2020, Nano Lettres.
DOI: 10.1021 / acs.nanolett.0c02783

Cette recherche a été financée en partie par DARPA dans le cadre du programme EXTREME.