Les ingénieurs de Caltech ont développé un système de lentilles optiques plates qui peuvent être facilement produites en série et intégrées à des capteurs d'image, ouvrant la voie à des appareils photo moins chers et plus légers dans tous les domaines, des téléphones portables aux appareils médicaux.

La technologie repose sur l'empilement de deux métasurfaces. Les métasurfaces sont des feuilles de matériau dont les propriétés électromagnétiques peuvent être modifiées à la demande. Dans ce cas, les métasurfaces sont parsemées de cylindres de silicium plus petits qu'un micron de diamètre qui modifient la façon dont la lumière les traverse.

"La façon dont nous fabriquons les lentilles n'a pas beaucoup changé depuis l'époque de van Leeuwenhoek. Jusqu'à présent, " dit Andrei Faraon de Caltech (BS '04), se référant à Antonie van Leeuwenhoek, un scientifique et fabricant de lentilles néerlandais qui a créé certains des premiers microscopes.

Faraon, professeur adjoint de physique appliquée et de science des matériaux à la Division de l'ingénierie et des sciences appliquées de Caltech, a collaboré avec le chercheur postdoctoral Caltech Amir Arbabi et Seunghoon Han de Samsung Electronics pour développer le système de lentilles. Leurs travaux ont été publiés dans Communication Nature le 28 novembre.

Une lentille classique en plastique ou en verre a une forme incurvée qui courbe le chemin de la lumière entrante vers un seul point focal. En effet, la lumière se propage plus rapidement à travers le verre plus fin sur les bords de la lentille qu'à travers le verre plus épais au centre.

Les métasurfaces accomplissent la même tâche en utilisant des nanoposts de silicium, cylindres de seulement 600 nanomètres de haut et avec des diamètres variables dans les centaines de nanomètres. (Pour l'échelle, une mèche de cheveux humains vaut 100, 000 nanomètres de large.) Chaque métasurface est parsemée de dizaines de millions de ces postes. La lumière voyage plus rapidement à travers les nanopostes de plus petits diamètres qu'à travers les nanoposts de plus grands diamètres, Ainsi, le contrôle de la largeur des nanopostes permet aux ingénieurs d'ajuster finement le chemin de la lumière traversant la métasurface pour créer des lentilles plates.

Les premières expériences avec des métasurfaces nanopost ont donné des lentilles dont les images étaient floues sur les bords, comme une loupe. Cependant, en couplant deux métasurfaces ensemble, chaque nanopost-side-out, les ingénieurs ont pu créer un système d'objectif capable de capturer et de focaliser la lumière à partir d'une plage angulaire de 70 degrés, rendre la technologie utile pour la première fois dans les applications d'imagerie au microscope et par caméra.

« Des métasurfaces comme celles-ci peuvent être facilement produites en masse, un peu comme les puces informatiques, " dit Arbabi. " Cela signifie que cela pourrait être un moyen bon marché et facilement évolutif de créer de minuscules lentilles de quelques millimètres de diamètre. "

En outre, les lentilles peuvent être intégrées de manière transparente aux capteurs d'image CMOS (semi-conducteur à oxyde métallique complémentaire) car elles sont fabriquées à l'aide des mêmes matériaux et techniques de fabrication. Les capteurs d'image CMOS sont les minuscules puces qui sous-tendent la photographie numérique, et ont été développés au JPL.

Appartement, poids léger, et les objectifs bon marché sont demandés pour divers appareils électroniques grand public équipés d'appareils photo, ou des dispositifs médicaux tels que des endoscopes, dit Faraon.

Prochain, l'équipe envisage d'intégrer ces lentilles dans des caméras et des microscopes miniaturisés, et étendre leurs fonctionnalités et leur bande passante de fonctionnement.