À la pointe de la technologie : des chercheurs de Princeton et de l’Université de Washington ont mis au point un appareil photo de la taille d’un gros grain de sel. Généralement, les nano-caméras comme celle-ci produisent une image de mauvaise qualité. Cependant, ce groupe de chercheurs a trouvé un moyen de produire des images en couleur nettes comparables aux caméras conventionnelles 500 000 fois plus grandes.
La caméra exploite le matériel d’imagerie et le traitement informatique pour produire des résultats étonnants par rapport aux équipements de pointe précédents. La principale innovation est une technologie appelée « métasurface ».
Dans les appareils photo traditionnels, une série de lentilles courbées concentrent les rayons lumineux sur une image. Une métasurface, qui peut être produite de la même manière que les circuits intégrés, n’a qu’un demi-millimètre de large et est remplie de 1,6 million de poteaux cylindriques. Ces minuscules colonnes ont à peu près la taille du virus de l’immunodéficience humaine.
« Chaque poste a une géométrie unique et fonctionne comme une antenne optique », note Phys.org. « Il est nécessaire de varier la conception de chaque poste pour façonner correctement l’ensemble du front d’onde optique. »
Les algorithmes basés sur l’apprentissage automatique calculent les données à partir des interactions des messages avec la lumière et produisent des images de meilleure qualité avec le champ de vision le plus large de toutes les caméras de métasurface comparables conçues jusqu’à présent.
De plus, les caméras précédentes de ce type nécessitaient une lumière laser pure et d’autres conditions de laboratoire pour produire une image. Parce que sa surface optique est intégrée aux algorithmes de traitement du signal, cet appareil peut capturer des images avec la lumière naturelle, ce qui le rend plus pratique. Les chercheurs envisagent de l’utiliser dans des procédures médicales non invasives et comme capteurs compacts pour les petits robots.
Les scientifiques ont comparé les images capturées avec leur technologie aux méthodes précédentes, et les résultats étaient de nuit et de jour (image ci-dessus). Ils l’ont également opposé à un appareil photo traditionnel avec une optique composée de six lentilles réfractives, et à part le flou sur les bords, les images étaient comparables.
« Cela a été un défi de concevoir et de configurer ces petites microstructures pour faire ce que vous voulez », a déclaré Princeton Ph.D. Ethan Tseng, qui a co-dirigé l’étude publiée dans Nature Communications. « Pour cette tâche spécifique de capture d’images RVB à grand champ de vision, c’est un défi car il existe des millions de ces petites microstructures, et il n’est pas clair comment les concevoir de manière optimale. »
Pour comprendre les configurations de poste, ils ont conçu une simulation informatique pour tester différentes configurations de nano-antenne. Cependant, développer un modèle avec 1,6 million de messages peut consommer des quantités « massives » de RAM et de temps. Ils ont donc réduit la simulation pour se rapprocher de manière adéquate des capacités de rendu d’image de la métasurface.
Le prochain objectif de l’équipe est d’ajouter plus de capacités de calcul à la technologie. L’optimisation de la qualité de l’image est une évidence, mais ils souhaitent également incorporer la détection d’objets et d’autres capacités de détection pour rendre la caméra viable pour un usage médical et commercial.
Comme mentionné précédemment, l’endoscopie et la robotique ne sont que quelques applications pratiques pour les métasurfaces. Une utilisation sans doute plus excitante serait d’éliminer la bosse de l’appareil photo sur les smartphones.
« Nous pourrions transformer des surfaces individuelles en caméras à ultra haute résolution, de sorte que vous n’auriez plus besoin de trois caméras à l’arrière de votre téléphone, mais tout l’arrière de votre téléphone deviendrait une caméra géante », a déclaré Felix Heide, le auteur principal de l’étude et professeur adjoint d’informatique à Princeton. « Nous pouvons penser à des façons complètement différentes de construire des appareils à l’avenir. »