Adieu lentilles épaisses, la révolution optique sera plate ou ne sera pas

La miniaturisation des dispositifs optiques représente un défi technique significatif pour de nombreux secteurs. Les lentilles optiques, traditionnellement encombrantes, pourraient voir leur taille et leur coût drastiquement réduits grâce à des innovations récentes dans le domaine de la fabrication. Voici comment des chercheurs japonais redéfinissent les règles de l’optique avec des solutions simples, mais efficaces.

Des lentilles plates à la portée de tous

Les lentilles optiques ultra-minces, semblables à celles que l’on pourrait fabriquer en masse comme des microprocesseurs, promettent de transformer le paysage des dispositifs optiques. Une équipe de chercheurs de l’Université de Tokyo et de JSR Corp. a fabriqué et testé des lentilles plates nommées Fresnel zone plates (FZPs).

Pour la première fois, ils ont utilisé uniquement des équipements communs de fabrication de semi-conducteurs, l’i-line stepper. Bien que ces lentilles plates ne possèdent pas encore l’efficacité des lentilles en production, elles offrent un potentiel considérable pour remodeler l’optique dans divers domaines, allant de l’astronomie aux soins de santé et à l’électronique grand public.

Simplicité et innovation dans la fabrication

Les lentilles plates, comme les metalenses (métalentilles), existent déjà, mais elles sont souvent coûteuses et complexes à produire, limitant ainsi leur adoption à grande échelle. Les industriels, grâce aux recherches académiques, cherchent des alternatives pour améliorer à la fois la qualité, la performance et l’efficacité tout en réduisant les coûts. Les FZPs se révèlent être des candidats prometteurs dans les dispositifs où l’espace est restreint. Pour la première fois, les chercheurs ont réussi à créer des échantillons de lentilles en quelques étapes simples avec des machines standard de l’industrie.

« Nous avons développé une méthode simple et reproductible en masse pour les FZPs en utilisant un système lithographique commun des semi-conducteurs, ou stepper », a précisé le professeur associé Kuniaki Konishi de l’Institut pour la Science et la Technologie des Photons. « Cela est dû à un type spécial de résine photorésistante ou masque appelé photorésine de couleur, initialement conçu pour servir de filtres de couleur. En appliquant simplement, exposant et développant ce matériau, nous avons produit des lentilles capables de focaliser la lumière visible jusqu’à seulement 1,1 micron, soit environ 100 fois plus fin qu’un cheveu humain. »

Défi de l’efficacité

Le principal inconvénient des nouvelles FZPs réside dans leur efficacité de collecte de la lumière, qui n’atteint que 7%, produisant ainsi des images excessivement bruitées. Cependant, l’équipe travaille déjà sur des méthodes pour augmenter cette efficacité de quatre fois en modifiant l’utilisation des photorésines de couleur. Cela nécessiterait néanmoins un contrôle plus fin des propriétés physiques de ces photorésines, un défi que les chercheurs sont prêts à relever.

« En plus de fabriquer efficacement des FZPs, nous avons également conçu des simulations qui correspondent très précisément à nos expériences. Cela signifie que nous pourrions adapter les conceptions aux applications spécifiques dans différents domaines, comme la médecine, avant de passer à la production », a ajouté Konishi. « De plus, nous entrevoyons des bénéfices environnementaux et économiques, car contrairement aux méthodes traditionnelles, le processus de production des FZPs élimine le besoin de produits chimiques toxiques pour l’attaque et réduit considérablement la consommation d’énergie. »

Bien que l’intégration des FZPs dans des produits comme les smartphones ultra-minces ne soit pas imminente, cette technologie ou celle qui en est inspirée pourrait bientôt voir le jour. Cette avancée pourrait non seulement améliorer la qualité des images mais aussi rendre les dispositifs optiques plus accessibles et plus respectueux de l’environnement.

Légende illustration : Plaque développée. La lentille unicolore finale est développée sur une plaque et ressemble aux puces de silicium avant qu’elles ne soient intégrées dans des circuits plus importants. ©2024 Konishi et al. CC-BY-ND

Ryohei Yamada, Hiroyuki Kishida, Tomohiro Takami, Itti Rittaporn, Mizuho Matoba, Haruyuki Sakurai, Kuniaki Konishi, « Optical Fresnel zone plate plate plate lenses made entirely of colored photoresist through an i-line stepper, » Light : Science & Applications : 16 janvier 2025, doi:10.1038/s41377-024-01725-6.