Des lentilles plates faites de nanostructures transforment de minuscules caméras et projecteurs

Les Metalenses entrent enfin dans les mains des consommateurs

Cette image d'un métalène, prise au microscope électronique à balayage, montre la variation de la taille et de la disposition des nanopiliers utilisés pour manipuler la lumière.

À l'intérieur des ordinateurs, téléphones et autres appareils mobiles d'aujourd'hui, de plus en plus de capteurs, de processeurs et d'autres appareils électroniques se battent pour l'espace. Les appareils photo occupent une grande partie de ce précieux bien immobilier - à peu près tous les gadgets ont besoin d'un appareil photo, ou de deux, trois ou plus. Et la partie la plus encombrante de l'appareil photo est l'objectif.

Les lentilles de nos appareils mobiles collectent et dirigent généralement la lumière entrante par réfraction, en utilisant une courbe dans un matériau transparent, généralement du plastique, pour plier les rayons. Ces objectifs ne peuvent donc pas rétrécir beaucoup plus qu'ils ne l'ont déjà : Pour rendre un appareil photo petit, l'objectif doit avoir une distance focale courte ; mais plus la focale est courte, plus la courbure est importante et donc l'épaisseur au centre. Ces objectifs très incurvés souffrent également de toutes sortes d'aberrations, de sorte que les fabricants de modules de caméra utilisent plusieurs objectifs pour compenser, ce qui ajoute à l'encombrement de l'appareil photo.

Avec les objectifs d'aujourd'hui, la taille de l'appareil photo et la qualité de l'image tirent dans des directions différentes. La seule façon de rendre les lentilles plus petites et meilleures est de remplacer les lentilles réfractives par une technologie différente.

Cette technologie existe. C'est le metalens, un dispositif développé à Harvard et commercialisé à Metalenz, où je suis ingénieur d'application. Nous créons ces dispositifs en utilisant des techniques traditionnelles de traitement des semi-conducteurs pour construire des nanostructures sur une surface plane. Ces nanostructures utilisent un phénomène appelé optique de métasurface pour diriger et focaliser la lumière. Ces lentilles peuvent être extrêmement fines - quelques centaines de micromètres d'épaisseur, soit environ deux fois l'épaisseur d'un cheveu humain. Et nous pouvons combiner la fonctionnalité de plusieurs objectifs incurvés dans un seul de nos appareils, ce qui répond davantage au manque d'espace et ouvre la possibilité de nouvelles utilisations pour les caméras dans les appareils mobiles.

Avant de vous expliquer comment les métalènes ont évolué et comment cela fonctionne, considérons quelques efforts antérieurs pour remplacer la lentille incurvée traditionnelle.

Conceptuellement, tout appareil qui manipule la lumière le fait en modifiant ses trois propriétés fondamentales : la phase, la polarisation et l'intensité. L'idée que toute onde ou champ d'onde peut être déconstruit jusqu'à ces propriétés a été proposée par Christiaan Huygens en 1678 et est un principe directeur dans toute l'optique.

Dans ce métal unique [entre les pincettes], les piliers ont moins de 500 nanomètres de diamètre. La case noire en bas à gauche de l'agrandissement représente 2,5 micromètres. Métalenz

Au début du XVIIIe siècle, les économies les plus puissantes du monde accordaient une grande importance à la construction de phares dotés de lentilles de projection plus grandes et plus puissantes pour aider à protéger leurs intérêts maritimes. Cependant, à mesure que ces lentilles de projection grossissaient, leur poids augmentait également. En conséquence, la taille physique d'une lentille qui pouvait être élevée au sommet d'un phare et soutenue structurellement limitait la puissance du faisceau pouvant être produit par le phare.

Le physicien français Augustin-Jean Fresnel s'est rendu compte que s'il découpait une lentille en facettes, une grande partie de l'épaisseur centrale de la lentille pouvait être supprimée tout en conservant la même puissance optique. La lentille de Fresnel a représenté une amélioration majeure de la technologie optique et est maintenant utilisée dans une foule d'applications, y compris les phares et les feux de freinage automobiles, les rétroprojecteurs et, toujours, les lentilles de projection des phares. Cependant, la lentille de Fresnel a des limites. D'une part, les bords plats des facettes deviennent des sources de lumière parasite. D'autre part, les surfaces à facettes sont plus difficiles à fabriquer et à polir avec précision que les surfaces incurvées en continu. C'est interdit pour les objectifs d'appareil photo, en raison des exigences de précision de surface nécessaires pour produire de bonnes images.

Une autre approche, désormais largement utilisée dans la détection 3D et la vision artificielle, trouve ses racines dans l'une des expériences les plus célèbres de la physique moderne : la démonstration de la diffraction de Thomas Young en 1802. Cette expérience a montré que la lumière se comporte comme une onde, et lorsque les ondes se rencontrent, elles peuvent s'amplifier ou s'annuler en fonction de la distance parcourue par les ondes. Le soi-disant élément optique diffractif (DOE) basé sur ce phénomène utilise les propriétés ondulatoires de la lumière pour créer un motif d'interférence, c'est-à-dire des régions alternées d'obscurité et de lumière, sous la forme d'un réseau de points, d'une grille ou de tout nombre de formes. Aujourd'hui, de nombreux appareils mobiles utilisent des DOE pour convertir un faisceau laser en "lumière structurée". Ce motif lumineux est projeté, capturé par un capteur d'image, puis utilisé par des algorithmes pour créer une carte 3D de la scène. Ces minuscules DOE s'intègrent parfaitement dans de petits gadgets, mais ils ne peuvent pas être utilisés pour créer des images détaillées. Donc, encore une fois, les applications sont limitées.

Entrez les métalens. Développées à Harvard par une équipe dirigée par le professeur Federico Capasso, Rob Devlin, alors étudiant diplômé, les associés de recherche Reza Khorasaninejad, Wei Ting Chen et d'autres, les métalenses fonctionnent d'une manière fondamentalement différente de toutes ces autres approches.

Un metalens est une surface de verre plate avec une couche semi-conductrice sur le dessus. Gravé dans le semi-conducteur se trouve un réseau de piliers de plusieurs centaines de nanomètres de haut. Ces nanopiliers peuvent manipuler les ondes lumineuses avec un degré de contrôle impossible avec les lentilles réfractives traditionnelles.

Imaginez un marais peu profond rempli d'herbes marines debout dans l'eau. Une vague entrante fait osciller les herbes marines d'avant en arrière, envoyant le pollen s'envoler dans les airs. Si vous considérez cette onde entrante comme de l'énergie lumineuse et les nanopiliers comme des tiges d'herbes marines, vous pouvez imaginer comment les propriétés d'un nanopilier, y compris sa hauteur, son épaisseur et sa position à côté d'autres nanopiliers, pourraient modifier la distribution de la lumière émergente. de la lentille.

Une plaquette de 12 pouces peut contenir jusqu'à 10 000 lentilles métalliques, fabriquées à l'aide d'une seule couche semi-conductrice.Metalenz

Nous pouvons utiliser la capacité d'un métalens à rediriger et à modifier la lumière de plusieurs façons. Nous pouvons diffuser et projeter la lumière sous la forme d'un champ de points infrarouges. Invisibles à l'œil, ces points sont utilisés dans de nombreux appareils intelligents pour mesurer la distance, cartographier une pièce ou un visage. Nous pouvons trier la lumière par sa polarisation (plus à ce sujet dans un instant). Mais la meilleure façon d'expliquer comment nous utilisons ces métasurfaces comme objectif est probablement d'examiner l'application d'objectif la plus familière : la capture d'une image.

Le processus commence par éclairer une scène avec une source de lumière monochromatique, un laser. (Bien que l'utilisation d'un métal pour capturer une image en couleur soit conceptuellement possible, il s'agit toujours d'une expérience de laboratoire et loin d'être commercialisée.) Les objets de la scène font rebondir la lumière partout. Une partie de cette lumière revient vers le metalens, qui est pointé, piliers vers l'extérieur, vers la scène. Ces photons de retour frappent le sommet des piliers et transfèrent leur énergie en vibrations. Les vibrations, appelées plasmons, descendent les piliers. Lorsque cette énergie atteint le bas d'un pilier, elle sort sous forme de photons, qui peuvent ensuite être capturés par un capteur d'image. Ces photons n'ont pas besoin d'avoir les mêmes propriétés que ceux qui sont entrés dans les piliers ; nous pouvons modifier ces propriétés par la façon dont nous concevons et distribuons les piliers.

Les chercheurs du monde entier explorent le concept des métalenses depuis des décennies.

Dans un article publié en 1968 dans Soviet Physics Uspekhi, le physicien russe Victor Veselago a mis l'idée de métamatériaux sur la carte, émettant l'hypothèse que rien n'excluait l'existence d'un matériau présentant un indice de réfraction négatif. Un tel matériau interagirait avec la lumière très différemment d'un matériau normal. Là où la lumière rebondit habituellement sur un matériau sous forme de réflexion, elle passerait autour de ce type de métamatériau comme de l'eau circulant autour d'un rocher dans un ruisseau.

Il a fallu attendre 2000 avant que la théorie des métamatériaux ne soit mise en œuvre en laboratoire. Cette année-là, Richard A. Shelby et ses collègues de l'Université de Californie à San Diego ont démontré un métamatériau à indice de réfraction négatif dans la région des micro-ondes. Ils ont publié la découverte en 2001 dans Science, faisant sensation alors que les gens imaginaient des capes d'invisibilité. (Bien qu'il soit intéressant de réfléchir, la création d'un tel dispositif nécessiterait la fabrication et l'assemblage précis de milliers de métasurfaces.)

Les premiers métalènes à créer des images de haute qualité avec la lumière visible sont sortis du laboratoire de Federico Capasso à Harvard. Démontrée en 2016, avec une description de la recherche publiée dans Science, la technologie a immédiatement suscité l'intérêt des fabricants de smartphones. Harvard a ensuite concédé la propriété intellectuelle fondamentale exclusivement à Metalenz, où elle est maintenant commercialisée.

Une seule lentille métallique [droite] peut remplacer une pile de lentilles traditionnelles [gauche], simplifiant la fabrication et réduisant considérablement la taille d'un ensemble de lentilles.Metalenz

Depuis lors, des chercheurs de l'Université Columbia, de Caltech et de l'Université de Washington, en collaboration avec l'Université Tsinghua, à Pékin, ont également démontré la technologie.

Une grande partie du travail de développement effectué par Metalenz consiste à affiner la conception des appareils. Afin de traduire les caractéristiques de l'image comme la résolution en motifs à l'échelle nanométrique, nous avons développé des outils pour aider à calculer la façon dont les ondes lumineuses interagissent avec les matériaux. Nous convertissons ensuite ces calculs en fichiers de conception pouvant être utilisés avec des équipements de traitement de semi-conducteurs standard.

La première vague de métasurfaces optiques à se frayer un chemin dans les systèmes d'imagerie mobiles a de l'ordre de 10 millions de piliers de silicium sur une seule surface plane de seulement quelques millimètres carrés, chaque pilier étant réglé avec précision pour accepter la bonne phase de lumière, un processus minutieux même avec l'aide d'un logiciel avancé. Les futures générations de métalènes n'auront pas nécessairement plus de piliers, mais elles auront probablement des géométries plus sophistiquées, comme des bords inclinés ou des formes asymétriques.

Metalenz est sorti du mode furtif en 2021, annonçant qu'il se préparait à augmenter la production d'appareils. La fabrication n'était pas un défi aussi important que la conception, car l'entreprise fabrique des métasurfaces en utilisant les mêmes matériaux, procédés de lithographie et de gravure qu'elle utilise pour fabriquer des circuits intégrés.

En fait, les métalenses sont moins exigeants à fabriquer que même une micropuce très simple car ils ne nécessitent qu'un seul masque de lithographie par opposition aux dizaines requises par un microprocesseur. Cela les rend moins sujets aux défauts et moins chers. De plus, la taille des caractéristiques d'une métasurface optique se mesure en centaines de nanomètres, alors que les fonderies ont l'habitude de fabriquer des puces dont les caractéristiques sont inférieures à 10 nanomètres.

Et, contrairement aux lentilles en plastique, les lentilles métalliques peuvent être fabriquées dans les mêmes fonderies qui produisent les autres puces destinées aux smartphones. Cela signifie qu'ils pourraient être directement intégrés aux puces de caméra CMOS sur place plutôt que d'avoir à être expédiés vers un autre emplacement, ce qui réduit encore leurs coûts.

Une seule méta-optique, associée à un réseau d'émetteurs laser, peut être utilisée pour créer le type de motif de points ou de lignes à contraste élevé et proche infrarouge utilisé dans la détection 3D. Métalenz

En 2022, ST Microelectronics a annoncé l'intégration de la technologie de métasurface de Metalenz dans ses modules FlightSense. Les générations précédentes de FlightSense ont été utilisées dans plus de 150 modèles de smartphones, drones, robots et véhicules pour détecter la distance. De tels produits avec la technologie Metalenz à l'intérieur sont déjà entre les mains des consommateurs, bien que ST Microelectronics ne publie pas de détails.

En effet, la détection de distance est un point idéal pour la génération actuelle de la technologie des métalens, qui fonctionne à des longueurs d'onde proches de l'infrarouge. Pour cette application, de nombreuses entreprises d'électronique grand public utilisent un système de temps de vol, qui comporte deux composants optiques : un qui transmet la lumière et un qui la reçoit. L'optique de transmission est plus compliquée. Celles-ci impliquent plusieurs lentilles qui collectent la lumière d'un laser et la transforment en ondes lumineuses parallèles ou, comme l'appellent les ingénieurs optiques, un faisceau collimaté. Ceux-ci nécessitent également un réseau de diffraction qui transforme le faisceau collimaté en un champ de points. Un seul métal peut remplacer toutes ces optiques de transmission et de réception, ce qui permet d'économiser de l'espace dans l'appareil et de réduire les coûts.

Et un métal fait mieux le travail de champ de points dans des conditions d'éclairage difficiles car il peut éclairer une zone plus large en utilisant moins de puissance qu'un objectif traditionnel, dirigeant plus de lumière là où vous le souhaitez.

Les systèmes d'imagerie conventionnels, au mieux, ne recueillent des informations que sur la position spatiale des objets, leur couleur et leur luminosité. Mais la lumière transporte un autre type d'informations : l'orientation des ondes lumineuses lorsqu'elles voyagent dans l'espace, c'est-à-dire la polarisation. Les futures applications de métalènes tireront parti de la capacité de la technologie à détecter la lumière polarisée.

La polarisation de la lumière réfléchie par un objet transmet toutes sortes d'informations sur cet objet, y compris la texture de la surface, le type de matériau de surface et la profondeur à laquelle la lumière pénètre dans le matériau avant de rebondir vers le capteur. Avant le développement des métalènes, un système de vision artificielle nécessiterait des sous-systèmes optomécaniques complexes pour recueillir des informations de polarisation. Ceux-ci font généralement tourner un polariseur - structuré comme une clôture pour ne laisser passer que les ondes orientées à un certain angle - devant un capteur. Ils surveillent ensuite l'impact de l'angle de rotation sur la quantité de lumière frappant le capteur.

Les optiques de métasurface sont capables de capturer les informations de polarisation de la lumière, de révéler les caractéristiques d'un matériau et de fournir des informations de profondeur.Metalenz

Un metalens, en revanche, n'a pas besoin de clôture ; toute la lumière entrante passe à travers. Ensuite, il peut être redirigé vers des régions spécifiques du capteur d'image en fonction de son état de polarisation, à l'aide d'un seul élément optique. Si, par exemple, la lumière est polarisée le long de l'axe X, les nanostructures de la métasurface dirigeront la lumière vers une section du capteur d'image. Cependant, s'il est polarisé à 45 degrés par rapport à l'axe X, la lumière sera dirigée vers une section différente. Ensuite, le logiciel peut reconstruire l'image avec des informations sur tous ses états de polarisation.

Grâce à cette technologie, nous pouvons remplacer les équipements de laboratoire auparavant volumineux et coûteux par de minuscules dispositifs d'analyse de polarisation intégrés dans les smartphones, les voitures et même les lunettes de réalité augmentée. Un polarimètre basé sur un smartphone pourrait vous permettre de déterminer si une pierre dans un anneau est en diamant ou en verre, si le béton est durci ou a besoin de plus de temps, ou si un bâton de hockey coûteux vaut la peine d'être acheté ou contient des microfissures. Des polarimètres miniaturisés pourraient être utilisés pour déterminer si la poutre de support d'un pont risque de tomber en panne, si une tache sur la route est de la glace noire ou juste humide, ou si une tache de verdure est vraiment un buisson ou une surface peinte utilisée pour cacher un réservoir. Ces appareils pourraient également aider à permettre une identification faciale infalsifiable, car la lumière se reflète sur une photo 2D d'une personne sous des angles différents d'un visage 3D et sur un masque en silicone différemment de la peau. Les polariseurs portables pourraient améliorer les diagnostics médicaux à distance. Par exemple, la polarisation est utilisée en oncologie pour examiner les modifications tissulaires.

Mais comme le smartphone lui-même, il est difficile de prédire où les metalenses nous mèneront. Quand Apple a lancé l'iPhone en 2008, personne n'aurait pu prédire qu'il donnerait naissance à des entreprises comme Uber. De la même manière, les applications les plus passionnantes des métalenses sont peut-être celles que nous ne pouvons même pas encore imaginer.