
Nano-optique neurale: Caméras de la taille d’un grain de…
Un nouveau système de lentilles de micro-imagerie, appelé Nano-optique neurale, a été développé par l’Université de Princeton, donnant lieu à une foule d’applications pratiques potentielles.
Nous avons déjà remarqué, souvent dans le contexte des réseaux de champs lumineux, qu’il n’y a pas eu de changement fondamental dans le fonctionnement des caméras depuis l’invention des caméras – et c’est il y a un moment. Malheureusement, cela fait aussi un moment depuis les champs lumineux étaient sérieusement poussés pour le tournage de films et de séries télévisées, et l’approche en place, avec des lentilles et des capteurs conventionnels, semblait écartée de toute perspective réaliste de changement.
Il faudra beaucoup pour modifier cela, mais l’une de ces perspectives est le travail récemment publié par Ethan Tseng, Shane Colburn et James Whitehead et leur équipe à Princeton. En contraste frappant avec le stupéfiant capteur de rayons X géant récemment présenté sur une chaîne YouTube de premier plan, Tseng et. Al. semble être intéressé à faire absolument la plus petite caméra possible, et a réalisé un objectif avec un arrêt efficace de f/ 2 avec une ouverture de – attendez-le – 0,5mm.
Ce n’est pas tout à fait nouveau. Les capteurs d’imagerie vraiment petits ne sont pas le problème; l’utilisation de photosites minuscules pourrait limiter les performances, mais c’est certainement possible. Essayer de fabriquer de si petites lentilles conventionnelles ne fonctionne pas très bien, cependant, et pendant un certain temps, les gens jouent avec l’idée d’utiliser de minuscules structures dimensionnées pour s’adapter à la longueur d’onde de la lumière visible pour agir comme une sorte d’antenne submicroscopique. Parce qu’ils ont besoin d’interagir avec la lumière à l’échelle des longueurs d’onde, certains d’entre eux n’ont travaillé qu’avec une lumière monochromatique – d’une seule longueur d’onde – ce qui est non seulement difficile à configurer, mais signifie que l’imagerie en couleur est impossible.

Image: Université de Princeton.
Nano-Optique neurale
La résolution de ces problèmes a impliqué une certaine intelligence à la fois dans la conception de l’élément de lentille lui-même et dans l’application de ce que l’on appelle la « Nano-optique neurale ». Si le détecteur de mots à la mode de quelqu’un d’autre a activé son klaxon d’avertissement le plus assourdissant à l’inclusion du mot « neural », désolé, et c’est tout à fait compréhensible, bien que cette application semble raisonnable. Il y a eu des applications authentiques et intéressantes de l’apprentissage automatique (que nous ne devrions pas nécessairement penser comme synonyme d’intelligence artificielle) dans la reconstruction d’image, et ce n’est pas si surprenant de le trouver dans une situation comme celle-ci.
Ce que nous pouvons en tirer, c’est que les images projetées par l’ensemble optique ne sont pas directement visibles; elles représentent plutôt un motif d’informations à partir duquel une image plus conventionnelle peut être reconstruite. L’élément optique lui-même – la lentille – est parfois dessiné comme un motif de protubérances en forme de tige dont le diamètre varie en fonction de ce qui ressemble au moins un peu à un bidimensionnel Ondelette de Ricker motif; en tant que tel, la variation de la taille de la tige décrit quelque chose qui ressemble au moins un peu à une lentille conventionnelle, bien que les détails soient enfouis dans les mathématiques plus délicates du papier.
Apparemment, cependant, la conception aura demandé beaucoup plus d’efforts de conception que de simplement faire une jolie forme; alors que les croquis montrent une centaine de tiges, le véritable appareil en compte des millions, conçus pour générer des effets optiques en sachant que ces effets peuvent être décodés efficacement. Les auteurs parlent de « techniques de conception inverse », qui permettent de développer ces composants optiques sur la base de la connaissance des techniques qui seront ensuite utilisées pour construire une image visible. Ce qui est nouveau, c’est de faire cela de telle sorte que les optiques résultantes ont de bonnes performances pour une large gamme de lumière visible et peuvent être utilisées pour créer une imagerie couleur d’apparence approximativement normale.

Image: Université de Princeton.
Application
L’application pour les caméras extrêmement petites est, en premier lieu, médicale; des caméras avalables de construction plus conventionnelle sont déjà utilisées pour faire des observations gastro-intestinales. Il y a de l’espoir que ces lentilles devraient être peu coûteuses à produire, étant fabriquées en utilisant des techniques de photolithograpie à semi-conducteurs conventionnelles, avec une mention du processus ultraviolet à ondes courtes utilisé pour obtenir les plus petites tailles de caractéristiques dans la microélectronique courante. C’est rare, en ce moment, même si c’est quelque chose qui devrait augmenter considérablement sa capacité au cours des prochaines années.
Quelle application cela a-t-il à la cinématographie? Eh bien, dans un monde où nous fétichisons d’énormes capteurs et des conceptions d’objectifs classiques, instinctivement, pas beaucoup, bien qu’il y ait eu des commentaires assez qualifiés autour de l’idée de les utiliser pour les téléphones portables. Que ce soit parce que la conception a une certaine aptitude intrinsèque (autre que la petite taille) ou parce qu’il y a simplement une volonté de s’adresser à un vaste marché est difficile à dire. L’idée d’utiliser un très grand nombre de très petites caméras pour construire des réseaux de champs lumineux avec des distances inter-lentilles extrêmement petites est une spéculation alléchante.
C’est quelque chose qui en est encore aux tout premiers stades d’être prouvé en laboratoire, et même pas au-delà du stade de deviner sauvagement les applications potentielles. Pourtant, même un essai de quelque chose comme ça aurait nécessité un accès coûteux à une fonderie de semi-conducteurs et, en tant que tel, il y a clairement une certaine confiance dans son utilité. Tout ce que nous pouvons faire est, une fois de plus, de nous interroger sur un avenir dans lequel l’avant de toutes les caméras est une dalle vierge de zone d’entrée optique, et l’un des menus nous permet de choisir l’objectif que nous aimerions simuler cette semaine.
Voyez le système de nano-optique neuronale en action dans la vidéo ci-dessous.