Les capacités visuelles extraordinaires des papillons et des crevettes-mantes inspirent une innovation technologique remarquable dans le domaine de l’imagerie. Des chercheurs ont développé un dispositif révolutionnaire permettant de capturer des informations visuelles auparavant inaccessibles à l’œil humain.
Les papillons possèdent une vision nettement supérieure à celle des humains. Leur capacité à percevoir davantage de couleurs et à détecter la polarisation de la lumière leur confère des avantages considérables. Cette aptitude particulière leur permet de naviguer avec précision, de rechercher de la nourriture et de communiquer entre eux.
Les crevettes-mantes, quant à elles, disposent d’une perception visuelle encore plus étendue. Ces crustacés sont capables de détecter un spectre lumineux plus large ainsi que la polarisation circulaire des ondes lumineuses. Cette faculté est utilisée pour transmettre un «code amoureux», facilitant la recherche de partenaires.
Une innovation inspirée par la nature
Une équipe de chercheurs du Penn State College of Engineering a mis au point un élément optique ultramince appelé métasurface. Ce dispositif peut être fixé à un appareil photo conventionnel pour encoder les données spectrales et de polarisation des images capturées, que ce soit en photo ou en vidéo.
Le fonctionnement de cette métasurface repose sur de minuscules nanostructures semblables à des antennes, qui modifient les propriétés de la lumière. Un cadre d’apprentissage automatique, également développé par l’équipe, décode ensuite ces informations visuelles multidimensionnelles en temps réel sur un ordinateur portable standard.
Une technologie compacte et abordable
Xingjie Ni, professeur associé de génie électrique et auteur principal de l’étude, a déclaré : «Le règne animal nous montre que les aspects de la lumière au-delà de ce que nous pouvons voir avec nos yeux contiennent des informations que nous pouvons utiliser dans diverses applications». Il a ajouté : «Pour y parvenir, nous avons effectivement transformé un appareil photo conventionnel en une caméra hyperspectro-polarimétrique compacte et légère en intégrant notre métasurface.»
Contrairement aux caméras hyperspectrales et polarimétriques traditionnelles, souvent volumineuses et coûteuses à produire, la métasurface développée par l’équipe capture simultanément les données spectrales et de polarisation. D’une taille de trois millimètres sur trois millimètres, ce dispositif peu onéreux à fabriquer est placé entre l’objectif et les capteurs d’un appareil photo.
Un traitement en temps réel des données
Le décodage des images brutes pour révéler les informations spectrales et de polarisation est réalisé grâce à un cadre d’apprentissage automatique. Bofeng Liu, doctorant en génie électrique et co-auteur de l’étude, a développé ce système en l’entraînant sur 1,8 million d’images à l’aide de techniques d’augmentation de données.
«À 28 images par seconde – principalement limitées par la vitesse de l’appareil photo utilisé – nous sommes capables de récupérer rapidement les informations spectrales et de polarisation à l’aide de notre réseau neuronal. Cela nous permet de capturer et de visualiser les données d’image en temps réel.» a indiqué le doctorant.
Des applications potentielles variées
Les chercheurs ont testé leur métasurface et leur réseau neuronal en enregistrant des vidéos de lettres «PSU» transparentes sous différentes illuminations laser. Ils ont également capturé des images du scarabée glorieux, connu pour réfléchir la lumière polarisée circulairement visible par ses congénères.
Selon Bofeng Ni, l’accès immédiat aux informations hyperspectro-polarimétriques de différents objets pourrait bénéficier aux consommateurs si la technologie était commercialisée. Il a illustré cette idée en déclarant : «Nous pourrions apporter notre appareil photo à l’épicerie, prendre des clichés et évaluer la fraîcheur des fruits et légumes sur les étagères avant de les acheter».
Cette caméra augmentée ouvre ainsi une fenêtre sur un monde jusqu’alors invisible, offrant de nouvelles perspectives dans de nombreux domaines d’application.
Légende illustration : Xingjie Ni, à gauche, professeur agrégé d’ingénierie électrique, présente un capteur de caméra intégré à une métasurface de trois millimètres par trois millimètres. La métasurface transforme une caméra conventionnelle en une caméra hyperspectro-polarimétrique. Zhiwen Liu, à droite, co-auteur de l’article, est professeur d’ingénierie électrique. Credit: Kate Myers/Penn State
Article : ‘Real-time machine learning–enhanced hyperspectro-polarimetric imaging via an encoding metasurface’ / ( 10.1126/sciadv.adp5192 )
Penn State – Publication dans la revue Science Advances / 4-Sep-2024
