Voir grand à l'aide d'une méta-lentille

Image panoramique et faibles aberrations optiques font rarement partie du même portrait. Mais voilà qu'une équipe d'ingénieurs du MIT et de l'Université du Massachussetts à Lowell (UML) réalise un tour de force grâce à une lentille plate: concevoir un dispositif optique à grand-angle aussi mince que quelques millimètres et ne déformant pratiquement pas l'image.


Présentée dans Nano Letters la semaine dernière, cette lentille plate, également appelée méta-lentille, permet de capturer une image de près de 180° de large, la première en son genre, tout en réduisant considérablement les déformations optiques. Ces déformations, qu'on peut généralement observées dans les vidéos enregistrées par une caméra "fisheye" telle une GoPro, sont typiques des lentilles en verre, particulièrement les lentilles grand-angle qui présentent une forte courbure. Pour cause: plus une lentille est courbée et plus il lui est difficile d'acheminer les rayons lumineux provenant de différents angles au même point focal. L'image qui en résulte est alors floue et déformée sur les bords. Bien sûr, un tel résultat peut être recherché pour des raisons artistiques ou esthétiques, mais lorsqu'il est question d'instrument de mesure, les déformations sont détestables. Une des méthodes utilisées pour corriger ces aberrations est justement de faire appel non pas à un ensemble de lentilles courbes, ensemble qui peut être lourd, encombrant et coûteux, mais plutôt à une seule méta-lentille de l'épaisseur de quelques cheveux.

En effet, une lentille plate réduit considérablement les aberrations optiques par son absence manifeste de rondeur. L'idée est simple, mais difficile à réaliser. Des dépôts micrométriques de plomb et de tellure doivent être apposés sur la surface d'une pellicule transparente faite de fluoride de calcium en suivant un patron bien précis. Ces dépôts, ou méta-atomes, sont d'ailleurs de forme et de taille variables, mais judicieusement calculées. Certains sont rectangulaires alors que d'autres ont la forme d'un "H". La géométrie particulière des méta-atomes et leur disposition méticuleuse permettent de rediriger les rayons lumineux selon leur angle d'incidence. Par exemple, les rayons provenant directement en face de la lentille plate ne seront pas acheminés au même endroit sur l'écran que ceux qui viennent de la gauche ou de la droite. De l'autre côté de la pellicule se trouve un tout petit diaphragme, large d'un millimètre, dont le rôle est d'assurer le focus de l'image. Bref, les propriétés optiques d'une lentille plate sont exclusivement dues à son architecture, c'est-à-dire à la forme des méta-atomes, à leur taille et au patron de leur disposition.

La méta-lentille réalisée par les ingénieurs du MIT et de L'UML allie ces trois ingrédients et parvient à être la première à pouvoir offrir un champ de vue aussi large tout en assurant une image de haute qualité. Pour l'instant, le dispositif qu'ils ont mis au point est conçu pour traiter la lumière infrarouge d'une longueur d'onde bien précise, mais selon les auteurs de la publication, cette architecture est adaptable à d'autres régions du spectre lumineux. Pour ce qui est du registre du visible, le défi est alors de réduire considérablement la taille des méta-atomes et de changer les matériaux utilisés.

Les lentilles plates sont depuis plusieurs années les objets de prometteuses avancées technologiques. D'ailleurs, une lentille plate ne nécessitant aucun focus, ou une autre adaptée à une plage complète du régime de la lumière visible ne sont que des exemples des rapides développements dans le domaine. Dans un avenir proche, il ne serait pas étonnant de rencontrer des lentilles plates dans les appareils photos de nos cellulaires, dans des caméras biomédicales ou même dans des appareils de réalité virtuelle.