Les “metalenses”, que l’on pourrait traduire en français par le terme méta-optiques, sont des systèmes optiques fabriqués à partir de nanostructures. Ces systèmes font de temps à autre la une des revues photographiques, le plus souvent en promettant d’enterrer les objectifs traditionnels. Partons à la découverte de cet univers…

Principe des méta-optiques

Le contexte

Ces deux dernières décennies ont chamboulé le monde de la photographie. Du côté des capteurs, les technologies CCD, puis CMOS, ont remplacé les émulsions ; du côté du traitement d’image, on utilise des algorithmes ou même de l’apprentissage profond pour compenser les défauts et embellir les images. En ce qui concerne l’optique, les résultats sont un peu moins visibles pour l’instant, mais la recherche est tout aussi active. L'expérimentation actuelle s’attache à trouver un système beaucoup plus compact que les lentilles pour focaliser la lumière. C’est dans ce contexte que les méta-optiques proposent de remplacer les objectifs traditionnels par des structures de quelques micromètres d’épaisseur.

Qu’est-ce qu’une méta-optique ?

La lumière possède un comportement ondulatoire qui n’est pas utilisé dans les optiques traditionnelles. Les méta-optiques, elles, cherchent à utiliser ce comportement pour guider les ondes lumineuses en les faisant interférer.

Une méta-optique utilise des structures régulières de petite taille (plus petites que le micromètre) dans ce but. Théoriquement, les structures ne sont utilisables que pour une couleur précise. Pour les autres couleurs, la lumière est simplement dispersée sans être focalisée. Cependant, plusieurs équipes ont réussi à combiner des structures adaptées aux différentes couleurs pour réaliser un système qui fonctionne sur l’ensemble du spectre visible.

Conception des nano-structures

Les performances des méta-optiques reposent principalement sur le choix de la nano-structure utilisée. Des dizaines de structures différentes ont été proposées, certaines obtenues par des calculs théoriques purs, d’autres par des optimisations utilisant des simulations numériques.

meta-optiqueQuelques exemples de méta-optiques, classées historiquement dans l’article Metalenses at visible wavelengths : past, present, perspectives de Philippe Lalanne et Pierre Chavel.

Du point de vue de l'optique, l’objectif est de focaliser 100 % de la lumière reçue dans la direction voulue, quel que soit l’angle d’incidence de la lumière arrivant sur la méta-optique.

Première mauvaise nouvelle, il n’est pas possible de focaliser 100 % de la lumière. Il y a toujours des pertes de lumière et les meilleurs résultats actuels se situent autour de 90 % (au mieux).

Deuxième mauvaise nouvelle, les méta-optiques fonctionnent au mieux pour un angle A nul. Autrement dit, pour des rayons lumineux qui arrivent parallèlement à l’axe optique, c’est-à-dire pour une mise au point à l’infini. Il est possible d’élargir cette plage d’angles, mais les pertes deviennent plus importantes.

En pratique, il y a un compromis à trouver entre la transmission et les angles acceptables pour le système, compromis d’autant plus délicat à trouver dans un cas polychromatique.

Fabrication

Le procédé de fabrication dépend de plusieurs facteurs, dont la technologie exacte utilisée et les “couleurs” à transmettre. Dans l'infrarouge, les matériaux ne sont pas les mêmes que dans le visible. Pour ce qui concerne ce dernier, une équipe de Harvard a, par exemple, proposé en 2016 d'utiliser des nano-structures d'oxyde de titane sur une base en verre. Pour la production de masse, réaliser en grande quantité des structures à ce niveau de précision est un véritable défi.

Les méta-optiques vont-elles remplacer les optiques traditionnelles ?

Il est toujours difficile de se livrer au jeu des pronostics en matière de technologies. Voici quelques points d'accroc actuels pour les méta-optiques, qui expliquent nos réserves sur l’adoption des méta-optiques au cours de ces prochaines années.

Couleurs

Certes, certaines publications récentes montrent qu’il est possible de focaliser une grande partie du spectre visible. Il convient cependant de tempérer ces annonces. La transmission de multiples couleurs a un impact sur les performances et augmente les pertes (typiquement de 20 % à 40 %). D’autre part, les couleurs transmises ne le sont pas toutes avec les mêmes performances. En d’autres termes, une extrémité du spectre visible sera beaucoup mieux transmise que l’autre et il faudra au minimum un traitement pour rétablir des couleurs proches de l’original. Enfin, certaines méta-optiques sont conçues pour un nombre fini de couleurs, et les couleurs intermédiaires sont mal rendues. La fidélité des couleurs de ce type de systèmes semble encore loin d’être assurée.

Ouvertures et focales

Les méta-optiques ont l’avantage de pouvoir fonctionner à grande ouverture. Certains groupes ont fabriqué des systèmes fonctionnant environ à f/1. De très grandes ouvertures qui pourraient être particulièrement intéressantes pour les photographes, hélas pas forcément utilisables. En effet, plus l’ouverture est grande, plus le champ couvert se réduit. Dès lors, des grands-angles ultra lumineux ne sont tout simplement pas envisageables.

Conception d'optiques

Qu'on ne s'y trompe pas : les optiques à base de méta-matériaux ne sont pas des systèmes optiques complets directement utilisables dans un but photographique. Il s'agit plutôt de lentilles simples très compactes, avec les défauts des lentilles simples, c'est-à-dire de nombreuses aberrations optiques. Suivant la logique des systèmes optiques traditionnels, il faudrait en combiner plusieurs pour éliminer les aberrations. Or, associer des lentilles veut dire laisser de la place entre les éléments optiques. Ce qu'on a gagné en compacité sur une seule lentille est perdu dès lors qu'on forme un système photographique complet. Les distances entre les éléments pourraient également nécessiter des niveaux de précision impossibles à atteindre en pratique. À ce jour, aucun système complet n'a été testé à notre connaissance.

Quelques références

Metalenses at visible wavelengths : past, present, perspectives de Philippe Lalanne, Pierre Chavel. ArXiV 2017.

Metalenses at visible wavelengths : diffraction-limited focusing and subwavelength resolution imaging, de Mohammadreza Khorasaninejad, Wei Ting Chen, Robert C. Devlin, Jaewon Oh, Alexander Y. Zhu, Federico Capasso. Science 2016.

Concepts in metasurface optics for imaging applications, de Jonathan A. Fan. OSA Imaging 2017.

A metalens with near-unity numerical aperture, de Ramon Paniagua-Dominguez, Ye Feng Yu, Egor Khaidarov, Reuben M. Bakker, Xinan Liang, Yuan Hsing Fu, Arseniy I. Kuznetsov. ArXiV 2017.

Conclusion

Le principe des méta-optiques est fabuleux : diriger la lumière sans avoir besoin d’utiliser un matériau épais comme le verre ouvre des perspectives vertigineuses pour certains domaines d’application. Pour autant, il nous semble difficile de croire que les méta-optiques remplaceront dans les prochaines années les optiques photographiques traditionnelles pour les raisons évoquées. Tout au plus, des optiques hybrides méta-optiques/optiques pourraient voir le jour…

Metalens / Méta-optiques
Timothée Cognard
Timothée Cognard

Ingénieur en Optique de formation, photographe de coeur... Collectionneur compulsif de focales fixes. Ses publications