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Une caméra de la taille d’un grain de sel pour sonder l’intérieur du corps humain

Crédits : Université de Princeton

Des chercheurs annoncent avoir développé un appareil photo de la taille d’un gros grain de sel. Contrairement à d’autres systèmes similaires déjà déployés qui proposent des images floues et déformées avec des champs de vision limités, celui-ci permettra une vision claire et en couleurs, favorisant ainsi la détection d’éventuels problèmes dans le corps humain.

Vers une optique de métasurface

Les caméras sont omniprésentes dans de nombreux domaines d’application, comme l’imagerie médicale, les smartphones, la sécurité, la robotique ou encore la conduite autonome. Des imageurs plus petits peuvent également permettre de nombreuses nouvelles applications en nanorobotique ou en imagerie in vivo.

Il existe également des capteurs avec des pixels submicroniques. Néanmoins, dans ce domaine, l’optique conventionnelle impose quelques limitations. Les objectifs doivent en effet rester suffisamment « imposants » pour permettre l’empreinte optique par exemple. Une autre barrière fondamentale est la difficulté de réduire la distance focale, car cela induit des aberrations chromatiques plus importantes.

Pour contourner ces obstacles, les chercheurs se tournent de plus en plus vers une optique de métasurface conçue par ordinateur.

Un appareil photo traditionnel utilise en effet une série de lentilles en verre ou en plastique incurvées pour focaliser les rayons lumineux. Ce nouveau système optique repose quant à lui concrètement sur une structure d’à peine un demi-millimètre de large pouvant être produite un peu comme une puce informatique. Cette métasurface est parsemée de 1,6 million de mini-cylindres, chacun d’environ la taille du virus de l’immunodéficience humaine (VIH).

Chacune de ces petites structures propose une géométrie unique et fonctionne comme une antenne optique. Au moyen d’algorithmes basés sur l’apprentissage automatique, les informations recueillies se combinent pour produire des images.

Des chercheurs réduisent la caméra à la taille d’un grain de sel

Plus récemment, des chercheurs de l’Université de Princeton et de l’Université de Washington se sont appuyés sur cette approche pour développer une caméra ultra-compacte de la taille d’un gros grain de sel. Dans la revue Nature, l’équipe souligne ce nouveau système pourrait produire des images nettes et en couleurs similaires à celles proposées par un objectif de caméra conventionnel 500 000 fois plus grand en volume.

Une innovation clé dans la création de ce système a été la conception intégrée de la surface optique avec les algorithmes permettant le traitement informatique. Cela a amélioré les performances de la caméra dans des conditions de lumière naturelle, contrairement aux caméras de métasurface précédentes qui nécessitaient la lumière laser pure d’un laboratoire ou d’autres conditions idéales pour produire des images de haute qualité.

caméra grain de sel
Crédits : Université de Princeton

À terme, ces petites caméras pourraient permettre des endoscopies quasi non invasives permettant de diagnostiquer divers problèmes de santé. Des matrices de milliers de ces caméras pourraient également être utilisées pour la détection de scènes plus grandes et complètes, nous permettant de sonder l’intérieur du corps humain dans des détails sans précédent.

En outre, ces métasurfaces sont à base de nitrure de silicium. Il s’agit d’un matériau semblable au verre compatible avec les méthodes de fabrication de semi-conducteurs standard utilisées pour les puces informatiques. Autrement dit, ces petites caméras pourraient être facilement produites en série et à moindre coût.