Si le port d'un casque de réalité virtuelle ou de réalité augmentée devait devenir monnaie courante, les fabricants de matériel devront trouver comment rendre les appareils petits et légers tout en s'assurant que leurs images sont nettes et claires. Malheureusement, cette tâche est confrontée à une limitation clé en optique :les lentilles conventionnelles sont des objets en verre incurvés qui focalisent différentes longueurs d'onde de lumière dans différents endroits, qui montrerait aux téléspectateurs des images floues. Par conséquent, à peu près tout avec un objectif - des minuscules appareils photo pour smartphone aux projecteurs à grande échelle - utilise plusieurs objectifs, qui ajoutent du poids, épaisseur et complexité, coût croissant.

Nous avons trouvé une nouvelle façon de fabriquer entièrement transparent, lentilles ultracompactes capables de focaliser correctement toutes les couleurs du spectre au même point. Parce que notre lentille comprend des nanostructures spécialement conçues, qui n'existent pas dans la nature, focaliser la lumière, nous l'appelons une "méta-lentille". Il a l'avantage d'être ultracompact tout en étant capable de fournir une imagerie de meilleure qualité sur un spectre de lumière plus large que la plupart des objectifs traditionnels, sans nécessiter plusieurs lentilles.

Lumière de courbure

Depuis des siècles, la plupart des objectifs pour télescopes, les verres et autres équipements optiques ont été fabriqués en meulant le verre en une forme incurvée grossière, puis en le polissant pour plier la lumière proprement et clairement. Cependant, ces lentilles ne peuvent pas focaliser la lumière de toutes les couleurs sur le même point.

C'est une propriété de base de la lumière que différentes couleurs - ou fréquences - se déplacent à différentes vitesses dans une lentille. Ils ne peuvent pas atteindre le même point en même temps, résultant en des images floues.

Pour réduire cet effet, les fabricants de lentilles commerciales construisent des dispositifs optiques complexes avec de nombreuses lentilles séparées, chacun précisément rectifié en courbes et aligné pour concentrer sa gamme de longueurs d'onde au bon endroit. Cependant, ils se retrouvent avec de gros, lentilles lourdes et complexes - rien de facile à porter confortablement dans le cadre d'une expérience VR.

Le pouvoir des nanostructures

Pour remplacer ces énormes et coûteux produits de précision, nous commençons avec une feuille de verre plat ordinaire d'un millimètre d'épaisseur. Dessus, nous plaçons une couche de nanostructures rectangulaires soigneusement conçues, un million de fois plus mince que la couche de verre, en dioxyde de titane, qui est totalement transparent à la lumière visible.

Les nanostructures sont conçues pour courber les rayons lumineux entrants selon des angles de plus en plus grands à mesure qu'ils frappent la méta-lentille de son centre, de sorte que tous les rayons soient focalisés au même endroit. Pour fixer les nanostructures sur le substrat de verre, nous utilisons la lithographie, une technique largement utilisée pour produire en masse des puces informatiques.

En 2016, nous avons montré que l'utilisation de verre plat avec des nanostructures pouvait focaliser la lumière d'une couleur spécifique aussi bien qu'une lentille incurvée traditionnelle. Mais dans cette recherche, ce que nous avons fait souffrait du même problème séculaire que le verre bombé :chaque couleur se concentrait sur un emplacement différent. Pour que nos lentilles plates forment des images de haute qualité, toute la lumière – quelle que soit sa couleur – doit se concentrer sur le même point.

Y compris toutes les couleurs

Dans notre dernier travail, nous concevons un ensemble plus sophistiqué de nanostructures, qui, même sur une surface plane, peut faire bien plus qu'une lentille incurvée traditionnelle. Les nanostructures courbent toujours la lumière à des angles d'autant plus élevés qu'elles sont éloignées du centre, mais avec une modification importante inspirée par une idée clé. Après avoir quitté la méta-lentille, la lumière doit voyager jusqu'au point focal, qui est plus éloigné des bords que du centre de la lentille.

Pour parcourir une plus longue distance dans le même laps de temps, cette lumière doit voyager plus vite. Nous avons donc construit des nanostructures qui transmettent la lumière plus rapidement, et d'autres qui le font plus lentement. Nous plaçons les nanostructures à transmission plus rapide sur les bords de la lentille, donc la lumière les traverse plus rapidement que dans celles du milieu. Cela aide efficacement la lumière des bords de la méta-lentille à rattraper la lumière au centre, de sorte que tous les rayons se concentrent ensemble.

Cette approche peut être modifiée pour un certain nombre de situations spécialisées, permettant la construction de méta-lentilles qui ont un large éventail de propriétés, comme la capacité d'affecter certaines couleurs mais pas d'autres :une nanostructure conçue sur mesure peut effectuer cet ajustement de manière relativement simple, sans les contraintes ou les complexités du polissage des lentilles en verre incurvées selon des spécifications très précises.

Une fois conçu, les méta-lentilles peuvent être créées dans le cadre d'un processus de production de masse plus large :par exemple, de casques VR ou de lunettes de réalité augmentée. Ils peuvent également être utilisés à la place des objectifs de caméra en verre dépoli plus coûteux sur les smartphones et les ordinateurs portables, perte de poids, l'épaisseur et le coût des appareils portables.

Il peut sembler surprenant que le défi séculaire de la mise au point multicolore puisse être résolu par un mince morceau de verre sous des nanostructures à peine visibles à l'œil humain. Mais en effet, l'approche des méta-objectifs peut fournir ce que tous ces objectifs traditionnels encombrants ne peuvent pas fournir :une image claire dans une large gamme de couleurs.

Cet article a été initialement publié sur The Conversation. Lire l'article original.