Ce capteur photo révolutionnaire fait la taille d’un grain de sable

Des chercheurs de l'université de Princeton et de Washington ont développé un capteur photo microscopique, de la taille d'un grain de sel. D'après leur rapport, cet appareil offre une qualité d'image comparable à celle offerte par des capteurs des centaines de milliers de fois plus grands. Cette technologie pourrait être exploitée dans de nombreux domaines, en médecine par exemple.

Alors que l'université de Stanford présentait en 2020 le plus gros capteur photo jamais construit avec ses 3200 mégapixels, des chercheurs américains de l'université de Princeton et Washington viennent de dévoiler ce qui apparaît comme l'appareil photo le plus petit du monde, dont la taille est comparable à un grain de sel. Et aussi microscopique soit-il, le capteur n'en oublie pas pour autant d'offrir une qualité d'image comparable à celle offerte par des capteurs des centaines de milliers de fois plus imposants.

“Nous démontrons une qualité d'image comparable à celle d'un objectif commercial volumineux à six éléments, même si notre volume de conception est 555 000 fois inférieur”, assurent-ils. Comme vous pouvez en douter, le challenge a été de taille, puisque les scientifiques ont dû apporter des solutions à des problèmes qui touchent directement aux lois fondamentales de l'optique, notamment au niveau de la focale, soit la distance entre la lentille et le capteur de l'appareil. Le risque étant d'obtenir avec un capteur aussi petit une image floue, déformée et parasitée par des aberrations chromatiques à la pelle.

Comme l'expliquent les chercheurs, ils ont exploité ce qu'on appelle “des métasurfaces” pour contourner ces limitations. D'après le CNRS, il s'agit “d'éléments optiques composés de nanoéléments qui permettent d'éviter une longue propagation en introduisant, le long du chemin optique, des changements abrupts de phase, d'amplitude et/ou de polarisation sur une échelle d'épaisseur de l'ordre de la longueur d'onde”.

On pourrait comparer ces métasurfaces à des millions de petites antennes optiques qui composent le capteur. Chacune d'entre elles est configurée de manière unique, de sorte à ce qu'elles reçoivent et traitent les longueurs d'ondes de la lumière différemment. Bien entendu, l'ensemble des informations est ensuite recueillie par le capteur pour transmettre une image cohérente et lisible.

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Comme Google, les chercheurs font appel à l'IA et aux algorithmes

Seulement, les métasurfaces ne sont pas une solution miracle, des déformations et des aberrations chromatiques subsistant encore malgré leur utilisation. Comme Google avec le Pixel 6 (et les précédents Pixels), les chercheurs ont dû recourir à l'intelligence artificielle et à des algorithmes pour reconstruire l'image.

En premier lieu, il fallait s'assurer que ces millions d'antennes soient parfaitement calibrées et configurées, une tâche titanesque compte tenu de leur nombre. Pour ce faire, le chercheur Shane Colburn a mis au point un modèle informatique pour ajuster et optimiser automatiquement les antennes tout en réduisant drastiquement les erreurs et anomalies. Ensuite, ils ont utilisé un algorithme de reconstruction, boosté à l'apprentissage automatique, pour détecter les défauts de l'image en aval et les ajuster. Les résultats obtenus s'améliorant au fil des essais grâce au machine learning.

“Avec ce travail, nous présentons une approche permettant d'obtenir une imagerie de haute qualité, en couleur et à grand champ de vision en utilisant la nano-optique neuronale. Plus précisément, la méthode d'imagerie apprise proposée permet de réduire d'un ordre de grandeur l'erreur de reconstruction sur les données expérimentales par rapport aux travaux existants. Les facteurs clés de ce résultat sont notre modèle de formation d'image méta-optique différentiable et notre nouvel algorithme de déconvolution”, expliquent-ils.

Des exploitations possibles en médecine et en robotique

Ils poursuivent : “Aucune méta-optique existante démontrée à ce jour n'offre une combinaison comparable de qualité d'image, de grande taille d'ouverture, de faible nombre f, de grande largeur de bande fractionnelle, de large FOV et d'insensibilité à la polarisation et la méthode pourrait être proposée à la production de masse”.

En effet, les chercheurs ont opté pour du nitrure de silicium pour composer leur capteur, un matériau semblable au verre et compatible avec les méthodes de production des semi-conducteurs standards. Comme précisé, une production à l'échelle industrielle n'est pas donc pas à exclure, bien au contraire puisque le coût de fabrication serait nettement inférieur à celui des capteurs traditionnels. “Nous pensons que la méthode proposée constitue une étape essentielle vers des caméras ultra petites qui pourraient permettre de nouvelles applications en endoscopie, en imagerie cérébrale ou dans la détection des objets”, concluent les chercheurs.

Source : Nature