Monde de la physique : caméra avec oeil de chat

Les chats préfèrent chasser la nuit. Grâce à l’anatomie particulière de leurs yeux, ils peuvent clairement se fixer sur leur proie, même dans des conditions de faible luminosité. Les chercheurs se sont désormais inspirés de la structure des yeux de chat et l’ont imitée dans un nouveau type d’appareil photo numérique. La profondeur de champ et la sensibilité à la lumière pourraient être considérablement augmentées par rapport aux caméras conventionnelles. Comme le rapportent les chercheurs dans la revue « Science Advances », cette approche bionique a le potentiel d’optimiser les caméras des drones ou des véhicules autonomes.

Les chats doivent leur excellente vision nocturne au grand nombre de bâtonnets sensibles à la lumière dans leur rétine. De plus, derrière la rétine se trouve une couche réfléchissante appelée tapetum lucidum, latin pour tapis brillant. Cette couche réfléchit la lumière incidente de sorte qu’elle frappe deux fois les cellules visuelles et augmente ainsi le stimulus lumineux. La pupille verticale en forme de fente, quant à elle, améliore la profondeur de champ de jour dans de bonnes conditions d’éclairage. Une proie se démarque donc plus clairement dans un environnement mal focalisé et donc flou. Au crépuscule ou la nuit, la fente s’élargit, à la manière d’une ouverture circulaire, pour capter le plus de lumière possible.

Éléments essentiels d’un oeil de chat imité

Min Su Kim de l’Université nationale de Séoul et son équipe ont désormais imité à la fois l’ouverture à fente et la couche réfléchissante dans un nouveau type d’appareil photo numérique. Comme capteur de lumière, ils ont utilisé un film plastique d’environ un micromètre d’épaisseur seulement, sur lequel ils ont disposé de nombreuses photodiodes à base de silicium. Derrière cette couche de capteur, les chercheurs ont placé un autre film plastique dans lequel ils ont intégré des plaques d’argent d’environ 100 nanomètres d’épaisseur. Ces plaques d’argent réfléchissaient la lumière incidente et remplissaient ainsi la même fonction que le tapetum lucidum dans l’œil du chat.

Dans plusieurs séries d’expériences, Kim et son équipe ont photographié une souris stylisée et des lettres individuelles avec leur appareil photo. Ils ont comparé la qualité des enregistrements avec celle d’une caméra de construction similaire, qui n’avait qu’une ouverture ronde conventionnelle et aucune couche d’argent réfléchissante. En fait, dans de bonnes conditions d’éclairage, l’ouverture fendue améliore la netteté du champ de vision central, comme lorsque les chats regardent leurs proies. Et au crépuscule, les photodiodes étaient même capables de détecter les objets focalisés avec une sensibilité 50 % supérieure.

L’étude montre que des éléments essentiels de l’œil de chat peuvent être techniquement imités à l’aide d’un diaphragme à fente et de plaques d’argent réfléchissantes. Dans des étapes ultérieures, ces composants pourraient être intégrés dans des caméras numériques spéciales offrant une vision nocturne et une profondeur de champ accrues. De telles caméras offrent le potentiel d’une plus grande sécurité lors de la conduite, notamment pour les véhicules autonomes actuellement en développement.