Les métalenses de tri des couleurs augmentent la sensibilité de l’image


Les métalenses de tri des couleurs augmentent la sensibilité de l'image

Les chercheurs ont développé un métal qui fonctionne à la fois comme un séparateur de couleur et une lentille. Il peut être intégré directement sur les pixels du capteur pour créer un capteur sans filtre avec une accrue. Source : Masashi Miyata, NTT Device Technology Labs

Les chercheurs ont montré que les lentilles de méta- à l’ du pixel récemment développées – surfaces planes qui utilisent des nanostructures pour manipuler la lumière – peuvent être utilisées pour rendre les capteurs d’images environ trois fois plus sensibles que ceux utilisés aujourd’hui. La nouvelle architecture de capteur pourrait permettre aux appareils photo numériques d’imager plus rapidement ou dans des conditions avec moins de lumière.

« Les capteurs d’image traditionnels tels que ceux utilisés dans les smartphones, les appareils portables et les véhicules autonomes ont une sensibilité limitée car ils sont basés sur des filtres de couleur placés sur chaque pixel », a déclaré Masashi Miyata, chef de l’équipe de recherche chez NTT Device Technology Labs au Japon. « Notre nouvelle faux en métal se compose d’une surface sophistiquée qui peut collecter la lumière tout en séparant les couleurs primaires sans filtre de couleur, ouvrant la voie à des améliorations spectaculaires de la sensibilité. »

Dans optique, Miyata et ses collègues rapportent que les capteurs de couleur sans filtre fabriqués avec les nouvelles faux en métal ont considérablement amélioré les niveaux de signal sans compromettre la qualité de l’image couleur ou la résolution spatiale. Et puisque les nouveaux métalenses sont fabriqués dans un processus compatible CMOS, ils pourraient facilement être incorporés dans des capteurs actuels pour créer des dispositifs d’imagerie sans filtre.

« Nous prévoyons que nos Metalenses joueront un rôle important dans le développement de capteurs d’images couleur sans filtre qui dépassent les limites de sensibilité actuelles », a déclaré Miyata. « Ces nouveaux capteurs pourraient un jour permettre aux gens de prendre plus facilement des vues de nuit avec des smartphones ou activer de nouvelles caméras qui capturent avec précision les objets à grande vitesse, ce qui sera utile pour la sécurité et la conduite autonome. »

Les métalenses de tri des couleurs augmentent la sensibilité de l'image

Cette micrographie électronique à balayage montre les nanopostes de 1250 nm de haut qui ont été utilisés pour fabriquer le réseau métallique. Source : Masashi Miyata, NTT Device Technology Labs

Éliminer les filtres

Dans un capteur conventionnel, les informations de couleur sont capturées à l’aide de filtres de couleur qui absorbent une partie de la lumière. Un filtre rouge, par exemple, ne laisse passer que les longueurs d’onde rouges tout en absorbant toutes les autres longueurs d’onde. Cela signifie que seulement environ 30% de la lumière est réellement enregistrée.

Pour augmenter la sensibilité, les chercheurs de NTT ont développé une matrice Metalens qui capture les informations de couleur sans perte optique grâce à un processus connu sous le nom de des couleurs. La lumière est divisée en rouge, vert et bleu et chaque couleur est ensuite focalisée sur différents pixels. Le réseau de métalens, qui a la taille d’un pixel, a été produit en gravant des nanoposts dans une couche de nitrure de silicium de 1250 nm d’épaisseur.

Alors que d’autres séparateurs de couleurs à l’échelle des pixels ont été démontrés expérimentalement, ils n’étaient pas pratiques pour les appareils grand public car ils étaient soit inefficaces, affectés par la polarisation de la lumière, soit sensibles à la lumière qui pourrait frapper le capteur sous un angle oblique. Cependant, les nouveaux Metalenses sont basés sur une plate-forme de méta-surface enrichie en dispersion, ce qui les rend insensibles à la polarisation et supprime la diaphonie spectrale pour tous les pixels de couleur. Parce que les Metalenses focalisent la lumière si efficacement, leurs performances de tri des couleurs ne sont pas affectées par la lumière oblique.

Les métalenses de tri des couleurs augmentent la sensibilité de l'image

Cette image au microscope couleur montre le profil lumineux mesuré sur les pixels du capteur sous un éclairage normal. L’efficacité du tri des couleurs et de la mise au point dans chaque pixel cible peut être observée. Crédit : The Optical Society

Évaluation des performances du capteur

Les chercheurs ont utilisé un microscope optique pour imiter la façon dont la lumière traverse un réseau de Metalens avant d’atteindre un capteur. Cette expérience a montré que le capteur à base de métalens, par rapport à un capteur à base de filtre, génère des images couleur avec des niveaux de signal 2,83 fois plus élevés, sans altérer la qualité des couleurs.

Des études de simulation optique ont également montré que l’architecture du capteur à base de métal présentait moins de dégradation de l’image en raison du bruit du capteur, qui est souvent le facteur limitant dans les scènes sombres ou l’imagerie ultrarapide. Maintenant qu’ils ont fait la démonstration du nouveau concept de capteur, les chercheurs prévoient de développer et de tester un dispositif intégré en montant un réseau métallique directement sur un capteur d’image.

« Nous espérons que notre travail fera avancer le développement de dispositifs et de systèmes optiques pratiques basés sur des méta-surfaces », a déclaré Miyata. « Avec leur capacité à aplatir et à rétrécir les composants optiques tout en améliorant considérablement les performances, nous pensons que les méta-surfaces optiques peuvent être appliquées non seulement aux capteurs d’image, mais également à divers dispositifs optoélectroniques tels que ceux des écrans, projecteurs et Des dispositifs de réalité augmentée ou virtuelle sont utilisés. »


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Plus d’information:
Masashi Miyata et al., Metalenses de tri couleur pour les capteurs d’images hautement sensibles, optique (2021). DOI : 10.1364 / OPTICA.444255

Avec l’aimable autorisation de la Société d’optique

Devis: Les métalenses de tri des couleurs la sensibilité de l’image (2021, 15 décembre), consulté le 19 décembre 2021 à partir de https://phys.org/news/2021-12-color-sorting-metalenses-boost-imaging-sensitivity.html

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