Une équipe de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) est parvenue à mettre au point des lentilles optiques achromatiques de seulement 2 millimètres de diamètre, capable de focaliser efficacement les couleurs RGB. Cette prouesse dans le domaine de l’optique a fait l’objet d’une publication le 27 janvier dans le magazine Science Advances. Elle ouvre la voie à des lentilles miniaturisées pouvant être intégrée à des systèmes électroniques comme les casques de réalité virtuelle ou de réalité augmentée.
De plus en plus présentes dans de nombreux systèmes électroniques, comme les smartphones, les lentilles optiques n’ont pas suivi la tendance de ce secteur vers une plus grande miniaturisation. La raison ? La nécessité de faire converger en un point les différentes longueurs d’ondes correspondantes aux couleurs.
En effet, celles-ci sont souvent traitées différemment par la lentille, ce qui engendre des aberrations chromatiques, c’est-à-dire des différences de mise au point en fonction des couleurs. Pour pallier ce phénomène, le système optique est généralement constitué d’un doublet ou d’un triplet de lentilles ce qui permet de focaliser des longueurs d’onde différentes. Cette contrainte empêche toutefois de réduire de manière importante les dimensions des lentilles tant en épaisseur qu’en diamètre.
Une lentille capable de contrôler le front d’onde de la lumière
Depuis quelques années, un nouveau type de composant optique a fait son apparition : les méta-lentilles (ou encore méta-optiques). Structurées en surface à l’échelle du nanomètre, elles permettent de contrôler et de mettre en forme le front d’onde de la lumière. Pour cela elles s’appuient sur un réseau de nanostructures dotées d’une organisation géométrique inférieure à la longueur d’onde de la lumière, permettant de focaliser ou de dévier sélectivement les couleurs, sans augmenter l’épaisseur ou le diamètre de la lentille.
Les chercheurs du SEAS ont conçu deux méta-lentilles achromatiques de 2 millimètres de diamètre, dotées respectivement d’une ouverture numérique (NA) de 0,7 et 0,3. Elles sont capables de focaliser, sans aberration, les couleurs RGB (rouge vert bleu). Ces méta-lentilles sont constituées de 681 zones, réalisées en déposant du dioxyde de titane (TiO2) sur un substrat de silice. Chaque zone est conçue pour une focalisation achromatique de la lumière visible dans des longueurs d’onde allant de 470 à 670 nm.
Des applications prometteuses pour la réalité virtuelle
Ces méta-lentilles ont ensuite été ensuite testées dans des systèmes électroniques de réalité virtuelle (RV) et augmentée (RA) pour démontrer leur efficacité. Les petites dimensions de l’optique ont permis de mettre au point un système de RV proche de l’œil (« near eye ») qui vient remplacer les lentilles imposantes des systèmes traditionnels. La méta-lentille est placée devant le globe oculaire et un petit écran RGB est positionné dans le plan focal de l’optique. Les images affichées sur l’écran sont grossies par la méta-lentille et focalisées sur la rétine. Ce dispositif permet de voir les images virtuelles au loin.
Selon l’équipe du SEAS, cette technologie permettra de lever l’un des verrous technologiques majeur à la conception d’équipements RV et RA de petites dimensions.
