Depuis des siècles, les lentilles fonctionnent de la même manière : du verre ou du plastique courbé plie la lumière pour mettre les images au point. Mais les lentilles traditionnelles présentent un inconvénient majeur : plus elles doivent être puissantes, plus elles sont encombrantes et lourdes. Les scientifiques ont longtemps cherché un moyen de réduire le poids des lentilles sans sacrifier leur fonctionnalité. Bien qu’il existe des solutions plus fines, elles ont tendance à être limitées dans leur capacité et sont généralement difficiles et coûteuses à fabriquer.
De nouvelles recherches menées par Rajesh Menon, professeur d’ingénierie à l’université de l’Utah, et ses collègues du Price College of Engineering offrent une solution prometteuse applicable aux télescopes et à l’astrophotographie : une lentille plate à grande ouverture qui concentre la lumière aussi efficacement que les lentilles courbes traditionnelles tout en préservant la précision des couleurs. Cette technologie pourrait transformer les systèmes d’imagerie astrophotographique, en particulier dans les applications où l’espace est compté, comme dans les avions, les satellites et les télescopes spatiaux.
Leur dernière étude, qui fait la couverture de la revue Applied Physics Letters, a été dirigée par Apratim Majumder, membre du laboratoire Menon et professeur assistant de recherche au département d’ingénierie électrique et informatique. Parmi les coauteurs figurent Alexander Ingold et Monjurul Meem, membres du laboratoire Menon, Tanner Obray et Paul Ricketts du département de physique et d’astronomie, ainsi que Nicole Brimhall d’Oblate Optics.
Si vous avez déjà utilisé une loupe, vous savez que les lentilles courbent la lumière pour faire apparaître les objets plus grands. Plus la lentille est épaisse et lourde, plus elle déforme la lumière et plus le grossissement est important. Pour les appareils photo de tous les jours et les télescopes de jardin, l’épaisseur de la lentille n’est pas un problème majeur. Mais lorsque les télescopes doivent focaliser la lumière de galaxies situées à des millions d’années-lumière, l’épaisseur de leurs lentilles devient impraticable. C’est pourquoi les observatoires et les télescopes spatiaux utilisent des miroirs massifs et incurvés pour obtenir le même effet de flexion de la lumière, car ils peuvent être beaucoup plus minces et légers que les lentilles.
Les scientifiques ont également tenté de résoudre le problème de l’encombrement en concevant des lentilles plates, qui manipulent la lumière d’une manière différente. L’un des types existants, appelé plaque de zone de Fresnel (FZP), utilise des crêtes concentriques pour focaliser la lumière, plutôt qu’une surface épaisse et incurvée. Si cette méthode permet de créer une lentille légère et compacte, elle présente un inconvénient : elle ne peut pas produire de vraies couleurs. Au lieu de courber toutes les longueurs d’onde de la lumière visible au même angle, les crêtes d’un FZP les diffractent à des angles différents, ce qui donne une image présentant des aberrations chromatiques, c’est-à-dire des distorsions de couleur.
Rajesh Menon et son équipe de l’université de l’Utah entrent en scène. Leur nouvelle lentille plate offre le même pouvoir de flexion de la lumière que les lentilles courbes traditionnelles, tout en évitant les distorsions chromatiques des FZP.
« Nos techniques de calcul suggéraient que nous pouvions concevoir des lentilles plates diffractives à plusieurs niveaux avec de grandes ouvertures qui pourraient focaliser la lumière dans tout le spectre visible, et nous disposons des ressources du Nanofab de l’Utah pour les fabriquer », a indiqué Rajesh Menon, qui dirige le laboratoire de nanotechnologies optiques de l’Utah.
La principale innovation réside dans les anneaux concentriques de taille microscopique que les chercheurs peuvent dessiner sur le substrat. Contrairement aux crêtes des lentilles à effet de champ, qui sont optimisées pour une seule longueur d’onde, la taille et l’espacement des indentations de la lentille plate maintiennent les longueurs d’onde diffractées de la lumière suffisamment proches les unes des autres pour produire une image pleine de couleurs et focalisée.
« La simulation des performances de ces lentilles sur une très large bande passante, du visible au proche infrarouge, a nécessité la résolution de problèmes de calcul complexes impliquant de très grands ensembles de données », a ajouté M. Majumder. « Une fois que nous avons optimisé la conception des microstructures de la lentille, le processus de fabrication impliqué a exigé un contrôle très strict des processus et une stabilité environnementale. »
Une grande lentille plate aux couleurs précises pourrait avoir des implications considérables dans tous les secteurs, mais son application la plus immédiate est l’astronomie. Les chercheurs ont démontré les capacités de leur lentille plate en testant des images du soleil et de la lune.
« Notre démonstration est un pas en avant vers la création de lentilles plates légères à très grande ouverture, capables de capturer des images en couleurs pour les télescopes aériens et spatiaux », a conclu M. Majumder.
Légende illustration : Les anneaux concentriques d’indentations microscopiques sur la lentille plate des chercheurs sont optimisés pour mettre au point toutes les longueurs d’onde de la lumière en même temps. Crédit : Laboratoire Menon, Université de l’Utah
L’étude, intitulée « Color astrophotography with a 100 mm-diameter f/2 polymer flat lens« , est parue le 3 février dans Applied Physics Letters
