Une nouvelle technologie d’objectif est prête à relancer les caméras de téléphone

L’appareil photo du premier iPhone en 2007 ne faisait que 2 mégapixels. Et il n’y avait qu’une caméra arrière; il n’y avait même pas de selfie face à face. Aujourd’hui, vous trouverez plusieurs appareils photo à l’avant et à l’arrière des téléphones, dont certains avec des capteurs aussi grands que 108 mégapixels, comme le plus gros appareil photo du Galaxy S21 Ultra de Samsung.

Mais alors que la taille du capteur et le nombre de mégapixels des appareils photo des smartphones ont considérablement augmenté au cours de la dernière décennie – sans parler des améliorations apportées aux logiciels de photographie informatique – les objectifs qui aident à prendre des photos restent fondamentalement inchangés.

Une nouvelle société appelée Metalenz, qui émerge aujourd’hui du mode furtif, cherche à perturber les caméras des smartphones avec un seul système d’objectif plat qui utilise une technologie appelée métasurfaces optiques. Un appareil photo construit autour de cette nouvelle technologie d’objectif peut produire une image de la même qualité sinon meilleure que les objectifs traditionnels, collecter plus de lumière pour des photos plus lumineuses, et peut même permettre de nouvelles formes de détection dans les téléphones, tout en prenant moins de place.

Une lentille plate

Comment ça marche? Eh bien, il est tout d’abord important de comprendre comment fonctionnent les objectifs des appareils photo des téléphones aujourd’hui. Le système d’imagerie à l’arrière de votre smartphone peut avoir plusieurs caméras – le dernier iPhone 12 Pro a trois caméras à l’arrière – mais chaque caméra possède plusieurs objectifs ou éléments d’objectif empilés les uns sur les autres. Le capteur de caméra principal de l’iPhone 12 Pro susmentionné utilise sept éléments d’objectif. Une conception à plusieurs objectifs comme celle de l’iPhone est supérieure à une configuration à objectif unique; à mesure que la lumière traverse chaque lentille successive, l’image gagne en netteté et en clarté.

«Les optiques des smartphones se composent aujourd’hui de quatre à sept lentilles», explique Oliver Schindelbeck, responsable de l’innovation chez le fabricant d’optiques Zeiss, qui est connu pour ses objectifs de haute qualité. «Si vous avez un seul élément d’objectif, rien que par la physique, vous aurez des aberrations comme la distorsion ou la dispersion dans l’image.»

Davantage d’objectifs permettent aux fabricants de compenser les irrégularités telles que l’aberration chromatique (lorsque les couleurs apparaissent sur les franges d’une image) et la distorsion de l’objectif (lorsque les lignes droites apparaissent incurvées sur une photo). Cependant, empiler plusieurs éléments d’objectif les uns sur les autres nécessite plus d’espace vertical à l’intérieur du module de caméra. C’est l’une des nombreuses raisons pour lesquelles la «bosse» de l’appareil photo sur les smartphones est devenue de plus en plus grande au fil des ans.

«Plus vous souhaitez emballer d’éléments d’objectif dans un appareil photo, plus il a besoin d’espace», déclare Schindelbeck. D’autres raisons de la taille de la bosse incluent des capteurs d’image plus grands et plus de caméras avec des objectifs zoom, qui ont besoin de plus d’espace.

Les fabricants de téléphones comme Apple ont augmenté le nombre d’éléments d’objectif au fil du temps, et alors que certains, comme Samsung, plient désormais les optiques pour créer des objectifs «périscopes» pour de plus grandes capacités de zoom, les entreprises sont généralement restées fidèles à l’élément d’objectif empilé éprouvé. système.

«L’optique est devenue plus sophistiquée, vous avez ajouté plus d’éléments de lentille, vous avez créé des éléments asphériques puissants pour obtenir la réduction d’espace nécessaire, mais il n’y a pas eu de révolution au cours des 10 dernières années dans ce domaine», explique Schindelbeck.

Présentation de Metalenz

C’est là que Metalenz entre en jeu. Au lieu d’utiliser des lentilles en plastique et en verre empilées sur un capteur d’image, la conception de Metalenz utilise une seule lentille construite sur une tranche de verre d’une taille comprise entre 1×1 et 3×3 millimètres. Regardez de très près au microscope et vous verrez des nanostructures mesurant un millième de la largeur d’un cheveu humain. Ces nanostructures plient les rayons lumineux d’une manière qui corrige de nombreuses lacunes des systèmes de caméra à objectif unique.

La technologie de base a été formée au cours d’une décennie de recherche lorsque le co-fondateur et PDG Robert Devlin travaillait sur son doctorat. à l’Université de Harvard avec le physicien de renom et co-fondateur de Metalenz Federico Capasso. La société a été séparée du groupe de recherche en 2017.

La lumière traverse ces nanostructures à motifs, qui ressemblent à des millions de cercles avec des diamètres différents au niveau microscopique. «Tout comme une lentille incurvée accélère et ralentit la lumière pour la plier, chacun d’entre eux nous permet de faire la même chose, afin que nous puissions plier et façonner la lumière simplement en changeant les diamètres de ces cercles», déclare Devlin .

La qualité d’image qui en résulte est tout aussi nette que ce que vous obtiendriez d’un système à plusieurs capteurs, et les nanostructures font le travail de réduire ou d’éliminer de nombreuses aberrations de dégradation d’image communes aux caméras traditionnelles. Et le design ne fait pas qu’économiser de l’espace. Devlin dit qu’un appareil photo Metalenz peut fournir plus de lumière au capteur d’image, permettant des images plus lumineuses et plus nettes que ce que vous obtiendriez avec des lentilles traditionnelles.

Un autre avantage? La société a formé des partenariats avec deux leaders des semi-conducteurs (qui peuvent actuellement produire un million de «puces» Metalenz par jour), ce qui signifie que les optiques sont fabriquées dans les mêmes fonderies que celles qui fabriquent des appareils grand public et industriels – une étape importante dans la simplification de la chaîne d’approvisionnement.

Nouvelles formes de détection

Metalenz entrera en production de masse vers la fin de l’année. Sa première application sera de servir de système d’objectif d’un capteur 3D dans un smartphone. (La société n’a pas donné le nom du fabricant du téléphone.)

Devlin dit que les capteurs 3D actuels, comme la caméra TrueDepth d’Apple pour Face ID, éclairent activement une scène avec des lasers pour scanner les visages, mais cela peut épuiser la durée de vie de la batterie d’un téléphone. Puisque Metalenz peut apporter plus de lumière au capteur d’image, il affirme que cela peut aider à économiser l’énergie.

Autre bonne nouvelle? S’il s’agit d’un capteur 3D à l’avant d’un téléphone pour l’authentification faciale, Devlin dit que le système Metalenz peut éliminer le besoin d’une encoche de caméra encombrante faisant saillie dans l’écran, comme celle des iPhones actuels. La quantité d’espace économisée en renonçant aux éléments d’objectif traditionnels permettra à davantage de fabricants de téléphones de placer des capteurs et des caméras sous l’écran en verre d’un appareil, ce que nous verrons davantage cette année.

Devlin dit que les applications de Metalenz vont au-delà des smartphones. La technologie peut être utilisée dans tout, des instruments de soins de santé aux caméras de réalité augmentée et virtuelle, en passant par les caméras dans les automobiles.

Prenons l’exemple de la spectroscopie. Un spectromètre est utilisé pour détecter finement différentes longueurs d’onde de lumière, et il est couramment utilisé dans les dosages médicaux pour identifier des molécules particulières dans le sang. Comme les métasurfaces vous permettent de réduire «une table d’optiques en une seule surface», Devlin affirme que vous pouvez insérer les bons capteurs dans un smartphone avec Metalenz pour faire le même type de travail.

«Vous pouvez en fait regarder la signature chimique du fruit avec un spectromètre et dire s’il est mûr», dit Devlin. «Ce n’est vraiment plus qu’une simple image, vous accédez en fait à toutes sortes de formes de sens différentes, et vous voyez et interagissez avec le monde, en obtenant un tout nouvel ensemble d’informations dans le téléphone portable.»

Cette histoire est apparue à l’origine sur wired.com.