Comme le savent tous ceux qui s'intéressent à la photographie, pour obtenir des fonctionnalités telles qu'un zoom puissant, vous avez généralement besoin d'un gros appareil photo. La raison en est que la plupart des caméras reposent sur la réfraction, la lumière passant à travers les lentilles ralentit et change de direction. La focalisation de cette lumière réfractée nécessite un certain espace.

Une voie prometteuse vers les plus petits, caméras puissantes intégrées aux smartphones et autres appareils consiste à concevoir des éléments optiques qui manipulent la lumière par diffraction - la courbure de la lumière autour d'obstacles ou à travers de petits espaces - au lieu de la réfraction.

Wolfgang Heidrich et ses collègues du Visual Computing Center de KAUST et de l'Université de la Colombie-Britannique (UBC) au Canada sont à l'avant-garde du développement de nouveaux éléments optiques diffractifs (DOE) pouvant être imprimés sur de petits, substrats minces. L'équipe combine ses DOE soigneusement conçus avec des techniques de calcul avancées qui peuvent grandement améliorer les images produites par de si petits dispositifs optiques.

Heidrich est arrivé à KAUST en 2014 de l'UBC, où il développait auparavant des écrans à très haut contraste pour les téléviseurs.

« Nous avons développé la première technologie d'affichage prête à l'emploi qui comportait une composante informatique majeure, en ce sens que le matériel lui-même n'était pas utile sans un calcul substantiel, " dit-il. " L'image cible serait envoyée à l'appareil, et ensuite l'appareil devrait exécuter des algorithmes assez sophistiqués sur l'image (en temps réel !) pour produire le meilleur contraste d'image. Cela m'a vraiment inculqué le besoin de co-conception matériel-logiciel, où vous développez l'optique, l'électronique et les algorithmes en même temps pour qu'ils s'emboîtent le mieux possible."

Plus récemment, Heidrich et ses collègues ont appliqué la même approche à l'imagerie informatique pour les caméras. Un problème majeur auquel ils s'attaquent, appelé aberration chromatique, sera familier à tous ceux qui ont joué avec des prismes triangulaires pour produire un arc-en-ciel - différentes longueurs d'onde changent de direction en variant les quantités lorsqu'elles sont réfractées par des lentilles, résultant en des distributions de couleurs incorrectes dans les images.

L'aberration chromatique est un problème encore plus important lorsque la lumière est manipulée par diffraction, les DOE subissent donc une perte de fidélité des couleurs et un flou qui dépend de la distribution des couleurs de la lumière entrante. Pour lutter contre cela, Heidrich et ses collègues ont conçu un mince, DOE léger appelé achromat diffractif pour équilibrer les contributions de focalisation de différentes longueurs d'onde1. Les résultats des tests de ce nouveau composant innovant ont été publiés dans ACM Transactions on Graphics, la première destination de revue pour les études d'infographie.

"Dans un objectif DOE ordinaire, la mise au point sera presque parfaite pour une seule longueur d'onde de conception, et progressivement floue à mesure que vous vous éloignez de cette longueur d'onde de conception, " explique Heidrich. " L'achromat diffractif sacrifie un peu de netteté pour la longueur d'onde de conception en échange d'une plus grande netteté à toutes les autres longueurs d'onde. Tout flou restant peut ensuite être supprimé par calcul."

Les chercheurs ont appliqué la même combinaison d'optique de pointe avec des algorithmes informatiques dans une étude récente publiée dans Rapports scientifiques cela pourrait conduire à des zooms extrêmement petits2. Ils ont utilisé des algorithmes de calcul pour concevoir deux DOE avec des formes particulières, de telle sorte que lorsqu'ils sont placés l'un sur l'autre, ils représentent une lentille diffractive avec une distance focale spécifique.

Vient ensuite le plus intelligent.

"Lorsque vous faites pivoter les deux DOE l'un par rapport à l'autre, la distance focale, ou tout autre paramètre du système optique, peut changer en douceur, " dit Heidrich. " Une application évidente est de produire des zooms qui n'exigent pas que le barillet de l'objectif entre et sorte de l'appareil photo pour zoomer. "

Heidrich pense que l'environnement de recherche actif de la KAUST a été inestimable pour la poursuite de ses objectifs récents. « J'ai pu constituer une équipe interdisciplinaire, pour des projets plus ambitieux qui font passer notre co-conception hardware-software au niveau supérieur, " dit-il. " Qui plus est, tous nos éléments optiques diffractifs ont été construits dans le KAUST Nanofabrication Core Lab, ce qui a permis des délais d'exécution rapides pour les expériences."

L'imagerie numérique n'en est qu'à ses balbutiements, et offre de nombreuses pistes que Heidrich et ses collègues espèrent explorer dans les années à venir. Peut-être le plus excitant, parce que les DOE sont si minces, ils n'absorbent pas beaucoup d'énergie de la lumière lors de son passage. Cela signifie que les EOD pourraient, en principe, être utilisé pour manipuler n'importe quelle partie du spectre électromagnétique, des ondes radio aux rayons gamma.