Une lentille ultra plate achromatique pour l’astrophotographie
L’observation astronomique à bord d’engins spatiaux nécessite des optiques à grande ouverture qui soit néanmoins légères, avantage comptant aussi pour les optiques au sol.
L’optique diffractive permet d’atteindre ces deux objectifs, mais les lentilles de ce type fabriquées jusqu’ici n’étaient pas achromatiques, comme les optiques de Fresnel, par exemple.
Des chercheurs de l’Université d’Utah, Salt Lake City, Utah, USA et de la société Oblate Optics, San Diego, Califoria, USA, ont réussi à concevoir et réaliser une lentille diffractive de 100 mm de diamètre, de 2,4 µm d’épaisseur totale mais à plusieurs niveaux, qui est achromatiquement optimisée pour un domaine de longueurs d’onde allant de 400 à 800 nm.
C’est la division de cette lentille en anneaux circulaires de largeur 5 µm et d’épaisseurs variables qui va la rendre achromatique dans ce large domaine de longueurs d’onde du visible. Chaque anneau dévie vers le même foyer la lumière d’une longueur d’onde donnée.
L’épaisseur de chaque anneau est déterminée en utilisant un calcul de simulation de la fonction d’étalement du point et aboutit à la conception d’une lentille diffractive à plusieurs hauteurs.
La lentille diffractive à plusieurs épaisseurs ( en anglais multilevel diffractive lens, MDL) est composée de 10.000 anneaux de 5 µm de largeur et de hauteurs variables (Fig.1.d).
Ce sont les différences de phase entre chaque anneau qui permettent la focalisation au point voulu pour chaque longueur d’onde et donc l’achromatisme.
Pour optimiser la PSF pour chaque longueur d’onde, un algorithme minimise la différence entre la PSF simulée et la fonction d’Airy pour la largeur de bande concernée. Ce sont les épaisseurs des différents anneaux qui sont les variables d’ajustement.
On voit sur la Fig.1a la distribution d’épaisseurs optimisée obtenue, ainsi que celle des 100 premiers anneaux intérieurs ; les simulations confirment que les longueurs d’ondes prévues (400-800 nm) se focalisent bien à 200 mm (Fig.1b) avec des foyers se recouvrant pour chaque longueur d’onde(Fig.1c).
Fjg.1. Lentille diffractive de 100mm de diamètre à plusieurs niveaux d’épaisseur.
a) Profil des épaisseurs de ses 10000 anneaux avec une vue agrandie des 100 premiers anneaux centraux.
b) Simulation des PSF transverses pour le domaine de 400 à 800 nm (pas de 25 nm) normalisée sur ses pics axiaux.
c) PSF axiale simulée à 5 longueurs d’onde. Elle converge à la distance focale de 200 mm.
d) Photographie de la lentille MDL de 100 mm de diamètre avec des inserts montrant, à gauche le dessin des anneaux centraux et, à droite, la micrographie optique de ceux-ci.
Tiré de « Color astrophotography with a 100 mm-diameter
f/2 polymer flat lens » Apratim Majumder, Monjurul Meem, Alexander Ingold, Paul Ricketts,Tanner Obray, Nicole Brimhall and Rajesh Menon Appl. Phys. Lett. 126, 051701 (2025); doi: 10.1063/5.0242208 Avec autorisation.
La largeur de chacun des anneaux est de 5 µm. Leur épaisseur varie de 0 à 2,4 µm, elle est déterminée par un procédé de lithographie à niveaux de gris appliqué à une couche de résine photosensible d’épaisseur 2,4 µm. Cette dernière a été déposée auparavant sur une lame de verre sodocalcique de 550 µm d’épaisseur et de 150 mm de diamètre polie sur les deux faces (fig.1d). La figure suivante compare la lentille plate MDL avec une lentille plan convexe du commerce de même diamètre 100 mm, même distance focale 200 mm et même ouverture f/2. Cette dernière pèse 211 g alors que la MDL en pèse 25. La lentille plan convexe est monochromatique (λ = 587,6 nm) alors que la MDL est achromatique (450-650 nm ).
Fig.2. Comparaison entre lentille réfractive et mutidiffractive
a) Photographie de la lentille plan convexe réfractive et de la lentille MDL côte à côte.
b) Dessin de la MDL avec une vue agrandie des anneaux dans sa région centrale
(120 µm x 120 µm ).
c) Photo de la MDL avec sa monture qui bloque tout rayon pouvant passer en dehors d’elle.
d) Photographie de la lentille réfractive sur sa monture.
e) Fonction d’étalement du point (PSF) mesurée à une distance focale fixe pour la MDL.
f) Idem pour la lentille plan convexe réfractive.
Tiré de Supplementary Information of « Color astrophotography with a 100 mm-diameter
f/2 polymer flat lens » Apratim Majumder, Monjurul Meem, Alexander Ingold, Paul Ricketts,Tanner Obray, Nicole Brimhall and Rajesh Menon Appl. Phys. Lett. 126, 051701 (2025); Avec autorisation.
On voit bien l’avantage en légèreté de la MDL d’autant plus que, pour rendre la lentille réfractive achromatique, il faudrait lui ajouter un autre élément réfractif complémentaire.
On a associé cette lentille MDL à un télescope Newton de 360 mm de diamètre placé sur une monture équatoriale et muni d’un filtre RGB commandé à distance et d’un senseur CMOS. Remarquons que le télescope Newton, à miroir, est donc achromatique.
La Fig.3 présente des images d’une mire de résolution et de la lune obtenues avec ce système.
Fig. 3. Images obtenues avec la lentille MDL
a) Image de la mire de résolution USAF
b) Image de la même mire à plus fort grossissement résolvant 181 lp/mm.
c) Photographie RGB de la Lune prise avec un senseur à ≈ 200mm de la MDL.
d) Photographie en couleurs renforcées de la Lune, montrant
plus de détails de la surface.
e) Photographie du Soleil. Les flèches rouges indiquent des taches solaires.
Tiré de » Color astrophotography with a 100 mm-diameter
f/2 polymer flat lens Apratim Majumder, Monjurul Meem, Alexander Ingold, Paul Ricketts,Tanner Obray, Nicole Brimhall and Rajesh Menon »
Appl. Phys. Lett.126, 051701 (2025); doi: 10.1063/5.0242208 Avec autorisation.
Les chercheurs ont démontré la faisabilité de lentilles de large diamètre(100 mm ), grande ouverture(f/2), faible épaisseur(2,4 µm) avec une large bande passante (400-800 nm.
Leur achromatisme au foyer s’observe sur 17 longueurs d’onde intermédiaires de la bande passante. Alors que les optiques réfractives achromatiques traditionnelles ne parviennent à corriger l’aberration chromatique que pour 3 longueurs d’onde. Et si les lentilles de Fresnel sont aussi plates et s’avèrent très efficaces, ce n’est que pour une seule longueur d’onde.
Les MDL sont des lentilles minces et légères qui, associées aux techniques modernes de traitement d’image, pourraient être utilisées dans des télescopes spatiaux pour l’imagerie des exoplanètes, par exemple.
Leur fabrication industrielle, bien plus économique que celle de lentilles réfractives classiques, permettrait la réalisation de lunettes terrestres achromatiques et de grande ouverture.
Pour en savoir plus :
Color astrophotography with a 100 mm-diameter f/2 polymer flat lens
Apratim Majumder, Monjurul Meem, Alexander Ingold, Paul Ricketts,Tanner Obray, Nicole Brimhall and Rajesh Menon »
Appl. Phys. Lett.126, 051701 (2025); doi: 10.1063/5.0242208
