Pouvez-vous imaginer un jour utiliser un télescope aussi fin qu'une feuille de papier, ou une caméra haute performance beaucoup plus petite et plus légère ? Ou ne plus avoir cette bosse de caméra derrière votre smartphone ?

Dans un article publié en Communication Nature , des chercheurs de l'Université d'Ottawa ont proposé un nouvel élément optique qui pourrait transformer ces idées en réalité en miniaturisant considérablement les dispositifs optiques, ayant potentiellement un impact sur de nombreuses applications dans nos vies.

Pour en savoir plus sur ce projet, nous avons parlé à l'auteur principal, le Dr Orad Reshef, un stagiaire postdoctoral senior dans le Groupe Robert Boyd, et directeur de recherche, le Dr Jeff Lundeen, qui est la Chaire de recherche du Canada en photonique quantique, Professeur agrégé au Département de physique de l'Université d'Ottawa, et directeur du Lundeen Lab.

Pouvez-vous décrire le nouvel élément optique développé par votre équipe ? la plaque d'espace ?

Orad Reshef :La lumière "se diffuse" naturellement lorsqu'elle voyage, et tous les appareils optiques que nous connaissons reposent sur cette propagation ; nous ne saurions pas comment concevoir des caméras sans cela. Par exemple, dans chaque télescope, il y a un grand espace entre l'oculaire et la lentille de l'objectif pour laisser à la lumière un espace de diffusion.

Une plaque spatiale simule la même propagation que la lumière éprouverait en parcourant une grande distance dans un petit appareil. Éclairer, une plaque d'espace ressemble à plus d'espace qu'elle n'en occupe. Dans un sens, la plaque d'espacement est une contrepartie de la lentille, faire des choses que l'objectif ne peut pas faire pour réduire des systèmes d'imagerie entiers.

Nous avons introduit l'idée d'une plaque spatiale dans notre article, en le démontrant expérimentalement et en montrant qu'il est compatible avec la lumière à large bande dans le spectre visible que nous utilisons pour voir.

Jeff Lundeen :Nous avons réfléchi à ce qui se passerait si vous manipuliez la lumière en fonction de l'angle plutôt que de la position d'un rayon lumineux. Les lentilles agissent via la position du rayon. L'angle est un domaine complètement nouveau, et personne n'avait montré qu'il pouvait être utilisé pour faire quelque chose de particulièrement utile. Nous avons identifié une application utile, compresser l'espace. Et puis nous avons montré que nous pouvions réellement concevoir et démontrer expérimentalement des plaques qui font exactement cela.

Orad Reshef :C'est passionnant car cet appareil va nous permettre de réduire toutes sortes de très gros appareils que nous pensions impossibles à miniaturiser en optique. Pour le concevoir, nous devons proposer un nouvel ensemble de règles incompatibles avec celles utilisées dans la conception des verres. Personne ne sait ce qu'ils sont, c'est comme le Far West.

Comment l'idée t'est-elle venue?

Jeff Lundeen :Orad Reshef est un expert dans l'utilisation de la nanotechnologie pour manipuler un rayon en fonction de sa position (par exemple, des méta-lentilles ou, plus généralement, méta-surfaces). Nous discutions avec désinvolture des limites de la manipulation de la lumière avec ces méta-surfaces et j'ai dit que ce serait cool de manipuler la lumière à la place en fonction de son angle.

Le Dr Reshef était immédiatement convaincu qu'il pouvait concevoir et fabriquer quelque chose qui pourrait le faire et j'ai par la suite conclu que l'objectif le plus simple serait de remplacer l'espace nécessaire à la propagation (c'est-à-dire, propagation).

Au cours des prochains mois, lors de discussions avec le Dr Boyd et le Dr Reshef, nous avons lentement réalisé à quel point un tel appareil serait étonnant et utile. Le Dr Reshef et moi avons tous deux proposé des conceptions viables et complètement différentes, qui a montré qu'il y avait plusieurs façons de créer un tel appareil. Nous en avons étudié trois dans notre article, mais d'autres sont à venir.

Comment cette technologie pourrait-elle être utilisée ? Quelles sont les applications de la plaque spatiale dans notre vie quotidienne ?

Orad Reshef :Une plaque spatiale peut être utilisée pour miniaturiser de nombreux systèmes optiques, que ce soit un écran ou un capteur. Par exemple, une plaque spatiale avancée peut permettre l'utilisation de télescopes ou d'appareils photo fins comme du papier ; il pourrait être utilisé pour retirer la bosse de l'appareil photo à l'arrière de votre smartphone.

Jeff Lundeen :Les gens trimballent de gros appareils photo avec d'énormes téléobjectifs. Si nous pouvons améliorer suffisamment les performances de la plaque spatiale, J'envisage la possibilité de construire plus petit, caméras plus légères avec de bien meilleures performances. En particulier, le spaceplate combiné avec metalenses nous permettrait de faire toute la surface arrière de, dire, un iPhone Max, dans un appareil photo plat et mince. Il aurait une résolution jusqu'à 14 fois supérieure et des performances en faible luminosité que ces caméras grandes et lourdes.

Des caméras minces et petites seraient utiles dans une grande variété d'applications, y compris dans les soins de santé où des pilules ou des endoscopes photographiques pourraient regarder à l'intérieur des artères ou du système digestif.

Quelles sont les prochaines étapes?

Orad Reshef :Nous travaillons dur pour développer la prochaine génération de cette technologie. Nous voulons essayer d'augmenter le facteur de compression et d'améliorer les performances globales. Nous avons déjà des conceptions pour augmenter le facteur de compression de cinq à plus de 100 fois, et d'augmenter la transmission totale. Pour continuer à faire cela, nous devons proposer un tout nouveau paradigme de conception.

Une dernière réflexion ?

Orad Reshef :Il est surprenant que les éléments optiques comme les lentilles existent depuis un millénaire et que leurs règles de conception soient bien comprises depuis plus de 400 ans, et pourtant, nous découvrons encore de nouveaux éléments optiques fondamentaux pour l'imagerie.

L'article Une optique pour remplacer l'espace et son application aux systèmes d'imagerie ultra-mince est publié dans Communication Nature .