Pendant des siècles, notre vision du cosmos a dépendu de la courbure de la lumière. Galilée y est parvenu grâce à des lentilles incurvées, ouvrant l’univers à des possibilités jusqu’alors inimaginables. Bien que les astronomes qui ont suivi aient mis au point des télescopes géants utilisant des miroirs incurvés – une évolution majeure permettant d’obtenir des instruments beaucoup plus grands – la dépendance fondamentale à l’égard de la formation de la lumière à l’aide de surfaces incurvées et encombrantes est restée inchangée. Ces optiques traditionnelles deviennent de plus en plus lourdes et peu maniables à mesure que l’on cherche à obtenir un plus grand grossissement, ce qui pose des problèmes importants pour l’astronomie à grande échelle, qui implique l’observation d’objets très éloignés et peu lumineux, et pour les applications où l’espace et le poids sont essentiels, telles que l’imagerie aéroportée et spatiale. La réduction du poids est essentielle pour les plates-formes spatiales où les coûts de lancement sont élevés et où chaque gramme compte. Une alternative prometteuse est en train d’émerger : les lentilles plates.
Récemment, des chercheurs du John and Marcia Price College of Engineering de l’Université de l’Utah ont fait la démonstration d’une lentille diffractive multiniveaux (MDL) de 100 mm de diamètre et de 2,4 μm d’épaisseur, avec une longueur focale de 200 mm, optimisée pour la gamme de longueurs d’onde 400-800 nm, comme le détaille Applied Physics Letters. Cette lentille offre une solution légère et rentable pour l’imagerie spatiale, transformant potentiellement la façon dont nous observons le cosmos.
Pour les appareils photo de tous les jours et les télescopes de jardin, l’épaisseur de l’objectif n’est pas un problème majeur. Mais lorsque les télescopes doivent focaliser la lumière de galaxies situées à des millions d’années-lumière, l’épaisseur de leurs lentilles devient impraticable. C’est pourquoi les observatoires et les télescopes spatiaux utilisent des miroirs massifs et incurvés pour obtenir le même effet de courbure de la lumière. Bien qu’ils soient plus minces et plus légers, les miroirs peuvent introduire des distorsions d’image. Les lentilles diffractives constituent une alternative, mais les premiers modèles plats tels que les plaques de Fresnel (FZP), qui utilisent des crêtes concentriques pour focaliser la lumière plutôt qu’une surface épaisse et incurvée, souffrent d’aberrations chromatiques. Ces aberrations sont dues au fait que les stries diffractent les différentes longueurs d’onde de la lumière visible à des angles variables, ce qui empêche la formation d’images en couleurs réelles.
En revanche, cette nouvelle lentille diffractive multiniveaux (MDL) utilise une conception innovante pour la focalisation achromatique, garantissant que toutes les longueurs d’onde convergent en un seul point pour des images précises, aux couleurs fidèles, sans franges semblables à celles de l’arc-en-ciel. La fabrication de la lentille s’appuie sur la conception inverse et la lithographie en niveaux de gris. Le processus de conception inverse optimise la microstructure complexe – 10 000 anneaux concentriques contrôlés avec précision et gravés dans une résine photosensible structurée sur un substrat en verre – tandis que la lithographie en niveaux de gris permet un contrôle précis de la hauteur des anneaux. La fabrication a été réalisée à l’aide de l’outil de lithographie laser DWL 66+, très précis et polyvalent, sur le site Heidelberg Instruments, ce qui a permis d’obtenir la précision nécessaire.
Dirigée par le professeur Rajesh Menon, directeur du laboratoire de nanotechnologies optiques de l’université de l’Utah, l’équipe de recherche a testé la lentille de manière approfondie, capturant des images détaillées de la lune, du soleil et de scènes terrestres. La lentille a résolu des détails fins tels que les caractéristiques géologiques lunaires et les taches solaires, démontrant ainsi son potentiel pour faire progresser de manière significative l’astrophotographie.
En réduisant le poids et la taille des optiques de télescope, les lentilles plates comme cette MDL pourraient permettre la création d’observatoires aéroportés et spatiaux plus simples et plus rentables, ouvrant la voie à une vision plus claire de notre univers et ayant également un impact sur d’autres domaines.
