Pour capturer des vues panoramiques en une seule prise de vue, les photographes utilisent généralement des objectifs fisheye - des objectifs ultra grand-angle fabriqués à partir de plusieurs morceaux de verre incurvé, qui déforment la lumière entrante pour produire large, images ressemblant à des bulles. Leur sphérique, la conception multipièces rend les objectifs fisheye intrinsèquement volumineux et souvent coûteux à produire.

Aujourd'hui, les ingénieurs du MIT et de l'Université du Massachusetts à Lowell ont conçu un objectif grand angle complètement plat. C'est le premier objectif fisheye plat à produire des Images panoramiques à 180 degrés. La conception est un type de "metalens, " un matériau ultra-fin avec des motifs microscopiques qui fonctionnent ensemble pour manipuler la lumière d'une manière spécifique.

Dans ce cas, le nouvel objectif fisheye se compose d'un seul plat, morceau de verre millimétrique recouvert d'un côté de minuscules structures qui diffusent avec précision la lumière entrante pour produire des images panoramiques, tout comme une courbe conventionnelle, l'assemblage d'objectif fisheye à plusieurs éléments le ferait. La lentille fonctionne dans la partie infrarouge du spectre, mais les chercheurs disent qu'il pourrait être modifié pour capturer des images en utilisant également la lumière visible.

La nouvelle conception pourrait potentiellement être adaptée à une gamme d'applications, avec mince, objectifs ultra grand-angle intégrés directement dans les smartphones et ordinateurs portables, plutôt que physiquement attachés en tant que modules complémentaires volumineux. Les lentilles à profil bas peuvent également être intégrées dans des dispositifs d'imagerie médicale tels que des endoscopes, ainsi que dans les lunettes de réalité virtuelle, électronique portable, et d'autres appareils de vision par ordinateur.

"Cette conception est quelque peu surprenante, car certains ont pensé qu'il serait impossible de faire un metalens avec une vue ultra grand champ, " dit Juejun Hu, professeur agrégé au Département de science et d'ingénierie des matériaux du MIT. "Le fait que cela puisse réellement réaliser des images fisheye est complètement en dehors des attentes.

Ce n'est pas seulement de la lumière, c'est de l'esprit."

Hu et ses collègues ont publié leurs résultats aujourd'hui dans la revue Lettres nano . Les co-auteurs de Hu au MIT sont Mikhail Shalaginov, Fan Yang, Peter Su, Dominique Lyzwa, Anuradha Agarwal, et Tian Gu, avec Sensong An et Hualiang Zhang de UMass Lowell.

Conception à l'arrière

Métalenses, bien qu'encore largement à un stade expérimental, ont le potentiel de remodeler considérablement le domaine de l'optique. Précédemment, les scientifiques ont conçu des métalenses qui produisent des images à haute résolution et relativement grand angle jusqu'à 60 degrés. Pour élargir davantage le champ de vision, il faudrait traditionnellement des composants optiques supplémentaires pour corriger les aberrations, ou flou - une solution de contournement qui ajouterait du volume à une conception de metalens.

Hu et ses collègues ont plutôt proposé une conception simple qui ne nécessite pas de composants supplémentaires et conserve un nombre minimum d'éléments. Leur nouveau métal est une seule pièce transparente faite de fluorure de calcium avec un mince film de tellurure de plomb déposé sur un côté. L'équipe a ensuite utilisé des techniques lithographiques pour sculpter un motif de structures optiques dans le film.

Chaque structure, ou "méta-atome, " comme l'équipe les appelle, est façonné dans l'une de plusieurs géométries à l'échelle nanométrique, telle qu'une configuration rectangulaire ou en forme d'os, qui réfracte la lumière d'une manière spécifique. Par exemple, la lumière peut prendre plus de temps à se disperser, ou se propager d'une forme à une autre - un phénomène connu sous le nom de retard de phase.

Dans les objectifs fisheye conventionnels, la courbure du verre crée naturellement une distribution de retards de phase qui produit finalement une image panoramique. L'équipe a déterminé le motif correspondant de méta-atomes et a gravé ce motif dans la face arrière du verre plat.

« Nous avons conçu les structures arrière de manière à ce que chaque partie puisse produire une mise au point parfaite, " dit Hu.

Sur la face avant, l'équipe a placé une ouverture optique, ou ouverture pour la lumière.

"Quand la lumière entre par cette ouverture, il se réfractera à la première surface du verre, et ensuite se dispersera angulairement, " explique Shalaginov. " La lumière va alors frapper différentes parties de l'arrière, sous des angles différents et pourtant continus. Tant que vous concevez correctement la face arrière, vous pouvez être sûr d'obtenir une image de haute qualité sur l'ensemble de la vue panoramique."

A travers le panorama

Dans une démonstration, la nouvelle lentille est réglée pour fonctionner dans la région de l'infrarouge moyen du spectre. L'équipe a utilisé la configuration d'imagerie équipée des metalens pour prendre des photos d'une cible rayée. Ils ont ensuite comparé la qualité des photos prises sous différents angles à travers la scène, et j'ai découvert que le nouvel objectif produisait des images des rayures nettes et claires, même aux bords du champ de vision de la caméra, s'étendant sur près de 180 degrés.

« Cela montre que nous pouvons obtenir des performances d'imagerie parfaites sur presque toute la vue à 180 degrés, en utilisant nos méthodes, " dit Gu.

Dans une autre étude, l'équipe a conçu les métalens pour qu'ils fonctionnent à une longueur d'onde proche de l'infrarouge en utilisant des nanopostes de silicium amorphe comme méta-atomes. Ils ont branché les métaux dans une simulation utilisée pour tester les instruments d'imagerie. Prochain, ils ont alimenté la simulation d'une scène de Paris, composé d'images en noir et blanc assemblées pour former une vue panoramique. Ils ont ensuite exécuté la simulation pour voir quel type d'image le nouvel objectif produirait.

« La question clé était, l'objectif couvre-t-il tout le champ de vision ? Et nous voyons qu'il capture tout à travers le panorama, " dit Gu. " Vous pouvez voir des bâtiments et des gens, et la résolution est très bonne, que vous regardiez le centre ou les bords."

L'équipe affirme que la nouvelle lentille peut être adaptée à d'autres longueurs d'onde de la lumière. Pour fabriquer un objectif fisheye plat similaire pour la lumière visible, par exemple, Hu dit que les caractéristiques optiques devront peut-être être rendues plus petites qu'elles ne le sont maintenant, pour mieux réfracter cette gamme particulière de longueurs d'onde. Le matériau de la lentille devrait également changer. Mais l'architecture générale que l'équipe a conçue resterait la même.

Les chercheurs explorent les applications de leur nouvel objectif, pas seulement des appareils photo fisheye compacts, mais aussi comme projecteurs panoramiques, ainsi que des capteurs de profondeur intégrés directement dans les smartphones, ordinateurs portables, et appareils portables.

"Actuellement, tous les capteurs 3D ont un champ de vision limité, c'est pourquoi lorsque vous éloignez votre visage de votre smartphone, il ne te reconnaîtra pas, " dit Gu. " Ce que nous avons ici est un nouveau capteur 3D qui permet le profilage de profondeur panoramique, ce qui pourrait être utile pour les appareils électroniques grand public."