Vision parfaite avec des lentilles métalliques soutenues par l’intelligence artificielle

Les systèmes modernes de capture d’images, tels que ceux utilisés dans les smartphones, les appareils de réalité virtuelle et de réalité augmentée, font l’objet d’améliorations continues, car ils sont recherchés pour être plus compacts, plus efficaces et plus performants. Mais le chemin est difficile.

Les très petits systèmes optiques traditionnels sont basés sur des lentilles en verre volumineuses et présentent des limites telles que des aberrations chromatiques, une faible efficacité à plusieurs longueurs d’onde et des tailles physiques plus grandes que souhaitées. Ces inconvénients posent des problèmes lors de la conception de systèmes plus petits et plus légers qui produisent néanmoins des images de haute qualité.

Pour surmonter ces problèmes, les lentilles métalliques ont été inventées, des lentilles ultrafines composées de minuscules nanostructures capables de manipuler la lumière à l’échelle nanométrique. Les objectifs métalliques offrent un énorme potentiel pour miniaturiser les systèmes optiques, mais ils ne sont pas sans difficultés, notamment lorsqu’il s’agit de capturer des images en couleur sans distorsion.

Aujourd’hui, une équipe dirigée par Joonhyuk Seo, de l’Université Hanyang de Séoul, en Corée du Sud, a créé un système innovant qui combine le metalente avec l’intelligence artificielle, réussissant à surmonter bon nombre de ces limitations du metalente. Les images obtenues sont haute résolution, sans aberrations et parfaitement colorées, et le système reste minuscule.

Les lentilles métalliques sont fabriquées par lithographie par nanoimpression, une méthode rentable adaptée à une production à grande échelle, suivie d’un dépôt de couche atomique, permettant une production à grande échelle de ces lentilles.

Les lentilles métalliques, fabriquées à l’aide d’un procédé bon marché adapté à une production à l’échelle industrielle, sont conçues pour focaliser efficacement la lumière mais, comme la plupart des lentilles métalliques, souffrent d’aberration chromatique et d’autres distorsions dues à leur interaction avec la lumière de différentes longueurs d’onde. Pour résoudre ce problème, le système d’intelligence artificielle (en particulier la modalité connue sous le nom de « deep learning ») est entraîné pour pouvoir reconnaître et corriger les distorsions chromatiques et le flou provoqués par les métaux. Le système apprend à partir d’un large ensemble de données d’image et applique ces corrections aux futures images capturées par celui-ci.

Le système d’intelligence artificielle se compose de deux réseaux de neurones entraînés ensemble. Un réseau génère des images corrigées et l’autre évalue leur qualité, poussant le système à s’améliorer continuellement. De plus, des techniques avancées aident le système à comprendre comment les distorsions de l’image changent en fonction de l’angle de vue. Le résultat est une amélioration significative des images traitées, notamment en termes de précision des couleurs et de netteté dans tout le champ de vision.

À gauche, une lentille métallique, composée d’un ensemble de nanostructures aux angles de rotation arbitraires, acquiert une image. A droite, cette image est traitée grâce à l’intelligence artificielle et le résultat final est une reproduction très fidèle de ce qui a été photographié. (Illustration : Seo et al., doi 10.1117/1.AP.6.6.066002.)

Le système produit des images qui rivalisent avec la qualité des objectifs d’appareil photo traditionnels encombrants.

Cette innovation a le potentiel de révolutionner un large éventail de secteurs, des smartphones aux appareils photo numériques, en passant par la réalité virtuelle et la réalité augmentée.

Joonhyuk Seo et ses collègues présentent les détails techniques de leurs métalens d’intelligence artificielle innovants dans la revue académique Advanced Photonics, sous le titre « Imagerie métallique de bout en bout basée sur l’apprentissage profond ». (Fontaine: NCYT de Amazings)