Les lentilles en verre traditionnelles (a) concentrent différentes couleurs sur différents points, ce qui entraîne une séparation des couleurs et un flou de l'image. En revanche, de nouvelles lentilles à gradient d'indice augmenté par métasurface (b) corrigent la séparation des couleurs en focalisant le bleu, vert, et la lumière rouge au même point. Crédit :Jogender Nagar, État de Pennsylvanie
Produire les images couleur parfaites dont nous avons besoin et que nous aimons nécessite souvent plusieurs, lentilles lourdes de sorte que chaque couleur se concentre exactement dans le même plan. Maintenant, les ingénieurs de Penn State ont développé une nouvelle théorie qui résout le problème en utilisant une seule lentille mince composée de matériaux à gradient d'indice et de couches de métasurface pour diriger correctement la lumière.
« Si nous voulons des systèmes optiques performants, alors nous devons surmonter la dispersion matérielle, " a déclaré Sawyer D. Campbell, enseignant-chercheur adjoint en génie électrique. "Si nous ne le faisons pas, nous obtenons des couleurs maculées, ce qui dégrade considérablement la qualité de l'image."
Lentilles apochromatiques simples - celles qui focalisent correctement les trois couleurs rouges, bleu et vert - qui ont moins de courbure et sont plus minces et plus légers pourraient améliorer les appareils photo des téléphones portables et permettre la fabrication de téléphones portables plus minces. Ils pourraient aussi faire plus léger, de meilleures caméras corporelles, caméras de casque, portées de tireur d'élite, les appareils d'imagerie thermique et les véhicules aériens sans pilote ou les drones. En substance, tout ce qui utilise des lentilles pour imager pourrait être rendu plus simple et plus léger.
"Habituellement, il y a plusieurs lentilles, mais cela augmente le poids, " dit Jogender Nagar, étudiant diplômé en génie électrique. "Notre objectif est d'améliorer le SWaP, de réduire la taille et le poids tout en augmentant les performances."
Les chercheurs ont pensé combiner deux technologies :celle des verres à gradient d'indice (GRIN), et les métasurfaces - des couches optiques ultra-minces avec des caractéristiques de sous-longueur d'onde qui manipulent le front d'onde de la manière souhaitée. Les chercheurs rapportent les résultats de leurs travaux dans le numéro actuel de Optique .
"Notre système utilise une seule lentille, " dit Nagar. " Nous utilisons la courbure de la lentille, la répartition des matériaux dans la lentille, et une métasurface - un motif placé sur la surface - pour rendre la lentille plus fine, briquet, mais concentrez-vous toujours correctement."
La plupart des lentilles utilisent la courbure pour contrôler le point focal, mais trois objectifs conventionnels distincts sont nécessaires pour concentrer les trois couleurs distinctes sur un point focal et produire une image de haute qualité. En faisant varier spatialement la composition du matériau à l'intérieur de la lentille, une lentille GRIN peut parfaitement focaliser deux couleurs. Puis, en ajoutant une métasurface à la lentille GRIN, une lentille stratifiée peut parfaitement focaliser les trois couleurs et faire le travail de trois lentilles conventionnelles.
"Le gradient dans la lentille peut être axial, variant le long de la direction de propagation de la lumière, ou axe optique ; ou radiale - s'écartant vers l'extérieur de l'axe optique, " a déclaré Douglas H. Werner, John L. et Genevieve H. McCain Chaire Professeur en génie électrique. "Ou cela pourrait être plus complexe."
Les chercheurs ont développé un modèle théorique et un cadre de simulation pour créer ces lentilles.
"Nous avons dû utiliser des outils avancés spécialement développés en laboratoire, " a déclaré Werner. " Des outils pour la modélisation, la simulation et l'optimisation que nous avons créées pour résoudre un problème de conception aussi difficile."
Le modèle théorique spécifie la courbure et le gradient de surface appropriés dans la lentille GRIN et le motif approprié pour la métasurface afin de satisfaire les exigences de mise au point parfaite des trois couleurs. Le modèle optimise à la fois la lentille et la métasurface pour qu'elles fonctionnent ensemble.
« La théorie est très générale et couvre un large éventail de conditions, " a déclaré Werner. " La fabrication sera le défi initial. Nous espérons que le développement de la théorie orientera la fabrication, permettant de produire de telles lentilles à faible coût et à fort volume."
