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Cette image en 3D d’une pièce de monnaie d’un penny a été réalisée avec la puce nanophotonique développée par le California Institute of Technology à 50 centimètres de distance. © Ali Hajimiri, Caltech
Imaginez : un smartphone prend un objet en photo, crée en quelques instants une image en 3D et l'envoie à une imprimante 3D qui en réalise une réplique fidèle. C'est le scénario qu'envisage Ali Hajimiri, professeur au California Institute of Technology, le célèbre Caltech. Avec son équipe, il a conçu une puce nanophotonique baptisée NCI (Nanophotonic Coherent Imager, en anglais). Mesurant moins d'un millimètre carré de surface, elle permet de numériser des objets en 3D avec une grande précision. Surtout, cette miniaturisation extrême permet d'envisager l'intégration de cette technologie dans des appareils de petite taille, à commencer par des smartphones.
Avec les capteurscapteurs photo classiques, chaque pixel correspond à l'intensité lumineuse reçue d'un point spécifique de l'image mais il ne livre aucune information concernant la distance entre l'objet et l'appareil. C'est précisément ce que sait faire la puce NCI. « Chaque pixel de la puce est un interféromètreinterféromètre indépendant (un instrument qui utilise l'interférenceinterférence des ondes lumineuses pour réaliser des mesures précises) qui détecte la phase et la fréquence du signal en plus de son intensité », explique le professeur Hajimiri. La puce incorpore plusieurs LidarLidar qui projettent des rayons laserlaser sur l'objet visé en utilisant le concept de cohérence optique avec lequel les ondes lumineuses ont la même polarisation (fréquence et alignement sont identiques).
Selon l’équipe du Caltech, la technologie de leur puce peut être adaptée pour augmenter la finesse de la numérisation 3D et ainsi servir dans des applications de haute précision comme par exemple des systèmes anti-collision pour des voitures autonomes. © Ali Hajimiri, Caltech
Un capteur de 16 pixels
Cette « lumièrelumière cohérente » sert en quelque sorte de règle pour mesurer les dimensions de l'objet et la distance de chaque point de celui-ci par rapport à l'appareil photo. Sur la puce, la réflexion lumineuse créée par les Lidar est captée par de petits détecteurs appelés coupleurs qui font office de pixels. La lumière captée par chaque coupleur correspond à un pixel de l'image en 3D. La lumière réfléchielumière réfléchie est ensuite convertie en signal électrique qui incorpore des informations sur la distance et l'intensité pour chaque pixel qui vont servir pour la création de l'image en trois dimensions.
Pour le moment, le prototype de puce NCI du Caltech incorpore 16 de ces coupleurs sur une galette de siliciumsilicium qui mesure 300 micronsmicrons de côté. Cela signifie que l'image 3D produite offre une résolution de 16 pixels. Les chercheurs ont trouvé le moyen de contourner cette limite technique en développant une méthode de numérisation où l'objet est numérisé par sections de quatre pixels par quatre pixels. Grâce à cette astuce, ils sont parvenus à créer l'image en 3D d'une pièce de monnaie nord-américaine d'un penny à une distance de 50 centimètres. L'équipe du Caltech indique qu'il est envisageable d'augmenter la densité de coupleurs à plusieurs centaines ou milliers et ainsi ouvrir la voie à d'autres applicationsapplications en dehors de l’impression 3D : système anti-collision pour les voitures autonomes, interfaces homme-machine à haute sensibilité pour détecter le moindre mouvementmouvement d'œilœil ou une variation infime dans le rythme cardiaque d'une personne.
