Les métaux de l'équipe UW se composent de réseaux de minuscules piliers de nitrure de silicium sur du verre qui affectent la façon dont la lumière interagit avec la surface. Selon la taille et la disposition de ces piliers, des lentilles microscopiques avec des propriétés différentes peuvent être conçues. Un métal traditionnel (en haut) présente des décalages de distance focale pour différentes longueurs d'onde de lumière, produire des images avec un flou de couleur sévère. Le design metalens modifié de l'équipe UW (en bas), cependant, interagit avec différentes longueurs d'onde de la même manière, générer des images uniformément floues qui permettent une correction logicielle simple et rapide pour récupérer des images nettes et nettes. Crédit :Shane Colburn/Alan Zhan/Arka Majumdar
Pour les photographes et les scientifiques, les lentilles sont des sauveteurs. Ils réfléchissent et réfractent la lumière, rendant possible les systèmes d'imagerie qui conduisent la découverte à travers le microscope et préservent l'histoire grâce aux caméras.
Mais les lentilles à base de verre d'aujourd'hui sont encombrantes et résistent à la miniaturisation. Technologies de nouvelle génération, comme des caméras ultrafines ou de minuscules microscopes, nécessitent des lentilles faites d'une nouvelle gamme de matériaux.
Dans un article publié le 9 février dans Avancées scientifiques , des scientifiques de l'Université de Washington ont annoncé qu'ils avaient réussi à combiner deux méthodes d'imagerie différentes :un type de lentille conçue pour une interaction à l'échelle nanométrique avec les ondes lumineuses, ainsi qu'un traitement informatique robuste pour créer des images en couleur.
La lentille ultrafine de l'équipe fait partie d'une classe d'objets d'ingénierie connus sous le nom de métasurfaces. Les métasurfaces sont des analogues 2D de métamatériaux, qui sont des matériaux fabriqués avec des propriétés physiques et chimiques qui ne se trouvent pas normalement dans la nature. Une lentille à base de métasurface (ou métalens) se compose de surfaces matérielles plates à motifs microscopiques conçues pour interagir avec les ondes lumineuses. À ce jour, les images prises avec des métalenses donnent des images claires, au mieux, pour seulement de petites tranches du spectre visuel. Mais les métaux de l'équipe UW, en conjonction avec le filtrage informatique, produisent des images en couleur avec de très faibles niveaux d'aberrations dans le spectre visuel.
« Notre approche combine les meilleurs aspects des métalenses avec l'imagerie informatique, ce qui nous permet, pour la première fois, pour produire des images en couleur avec une grande efficacité, " a déclaré l'auteur principal Arka Majumdar, un professeur assistant UW de physique et de génie électrique.
Partie de la configuration expérimentale de l'équipe pour capturer une image à l'aide d'un métalens. Les chercheurs capturent une image de fleurs à l'aide d'un métal (monté sur une lame de microscope) et la visualisent à l'aide d'un microscope. Crédit :Matt Hagen/UW Clean Energy Institute
Au lieu de verre manufacturé ou de silicone, les métalenses consistent en des réseaux répétés de structures à l'échelle nanométrique, comme des colonnes ou des ailettes. S'il est correctement disposé à ces échelles minuscules, ces structures peuvent interagir avec les ondes lumineuses individuelles avec une précision que les lentilles traditionnelles ne peuvent pas. Puisque les métalenses sont aussi si petites et minces, ils prennent beaucoup moins de place que les objectifs encombrants des caméras et des microscopes à haute résolution. Les Metalenses sont fabriqués par le même type de processus de fabrication de semi-conducteurs que celui utilisé pour fabriquer des puces informatiques.
"Les Metalenses sont des outils potentiellement précieux en imagerie optique car ils peuvent être conçus et construits pour bien fonctionner pour une longueur d'onde de lumière donnée, " a déclaré l'auteur principal Shane Colburn, un étudiant au doctorat UW en génie électrique. "Mais cela a également été leur inconvénient:chaque type de métal ne fonctionne mieux que dans une plage de longueurs d'onde étroite."
Dans des expériences produisant des images avec des métalenses, la gamme de longueurs d'onde optimale jusqu'à présent a été très étroite :au mieux environ 60 nanomètres de large avec un rendement élevé. Mais le spectre visuel est large de 300 nanomètres.
Les métalenses d'aujourd'hui produisent généralement des images précises dans leur plage optimale étroite, comme une image entièrement verte ou une image entièrement rouge. Pour les scènes qui incluent des couleurs en dehors de cette plage optimale, les images paraissent floues, avec une mauvaise résolution et d'autres défauts appelés "aberrations chromatiques". Pour une rose dans un vase bleu, un metalens optimisé pour le rouge pourrait ramasser les pétales rouges de la rose avec peu d'aberrations, mais la tige verte et le vase bleu seraient des taches non résolues, avec des niveaux élevés d'aberrations chromatiques.
Majumdar et son équipe ont émis l'hypothèse que, si un seul métal pouvait produire un type cohérent d'aberration visuelle dans une image à travers toutes les longueurs d'onde visibles, ils pourraient ensuite résoudre les aberrations pour toutes les longueurs d'onde à l'aide d'algorithmes de filtrage informatique. Pour la rose dans le vase bleu, ce type de métalens capturerait une image de la rose rouge, vase bleu et tige verte tous avec des types similaires d'aberrations chromatiques, qui pourrait être abordé plus tard en utilisant le filtrage informatique.
Les metalens de l'équipe UW, couplé à un traitement informatique, peut capturer des images pour une variété de longueurs d'onde lumineuses avec de très faibles niveaux d'aberrations chromatiques. Pour cette image en noir et blanc de la Joconde (en haut), la première ligne montre à quel point un métal optimisé pour le vert capture l'image pour le feu vert, mais provoque un flou important pour les longueurs d'onde bleues et rouges. Les metalens améliorés de l'équipe UW (deuxième rangée) capturent des images avec des types d'aberrations similaires pour le bleu, longueurs d'onde verte et rouge, montrant un flou uniforme sur les longueurs d'onde. Mais le filtrage informatique supprime la plupart de ces aberrations, comme indiqué dans la rangée du bas, ce qui est une amélioration substantielle par rapport à un metalens traditionnel (première rangée), qui n'est focalisé que pour le feu vert et inintelligible pour le bleu et le rouge. Crédit :Shane Colburn/Alan Zhan/Arka Majumdar
Ils ont conçu et construit un métal dont la surface était recouverte de minuscules, colonnes de nitrure de silicium de l'ordre du nanomètre. Ces colonnes étaient suffisamment petites pour diffracter la lumière sur tout le spectre visuel, qui englobe des longueurs d'onde allant de 400 à 700 nanomètres.
De manière critique, les chercheurs ont conçu la disposition et la taille des colonnes de nitrure de silicium dans les métaux de manière à ce qu'elles présentent une "fonction d'étalement de point spectralement invariante". Essentiellement, cette caractéristique garantit que, pour l'ensemble du spectre visuel, l'image contiendrait des aberrations pouvant être décrites par le même type de formule mathématique. Puisque cette formule serait la même quelle que soit la longueur d'onde de la lumière, les chercheurs pourraient appliquer le même type de traitement informatique pour "corriger" les aberrations.
Ils ont ensuite construit un prototype de métalen sur la base de leur conception et testé les performances des métalens lorsqu'ils sont couplés à un traitement informatique. Une mesure standard de la qualité d'image est la « similitude structurelle », une mesure qui décrit dans quelle mesure deux images de la même scène partagent la luminosité, structure et contraste. Plus les aberrations chromatiques dans une image sont élevées, plus la similitude structurelle qu'il aura avec l'autre image sera faible. L'équipe de l'UW a découvert que lorsqu'elle utilisait un métalène conventionnel, ils ont atteint une similitude structurelle de 74,8 % en comparant des images rouges et bleues du même motif ; cependant, lors de l'utilisation de leur nouvelle conception de métalens et de leur traitement informatique, la similarité structurelle s'est élevée à 95,6 pour cent. Pourtant, l'épaisseur totale de leur système d'imagerie est de 200 micromètres, qui est d'environ 2, 000 fois plus fines que les caméras de téléphones portables actuelles.
« Il s'agit d'une amélioration substantielle des performances des métaux pour l'imagerie couleur, en particulier pour l'élimination des aberrations chromatiques, " a déclaré le co-auteur Alan Zhan, un doctorant UW en physique.
En outre, contrairement à de nombreux autres systèmes d'imagerie basés sur les métasurfaces, l'approche de l'équipe UW n'est pas affectée par l'état de polarisation de la lumière, qui fait référence à l'orientation du champ électrique dans l'espace 3D dans lequel les ondes lumineuses se déplacent.
L'équipe a déclaré que sa méthode devrait servir de feuille de route pour la fabrication d'un métalens - et la conception d'étapes de traitement informatique supplémentaires - qui peuvent capturer la lumière plus efficacement, ainsi que d'accentuer le contraste et d'améliorer la résolution. Cela peut apporter minuscule, des systèmes d'imagerie de nouvelle génération à portée de main.
