La caméra d'un smartphone capte la lumière avec de minuscules capteurs, mais ceux-ci ne distinguent pas les couleurs par eux-mêmes. C'est pourquoi on place devant eux des filtres colorés : rouge, vert, bleu — comme des vitraux dans une fenêtre. Chaque capteur ne voit que sa couleur, puis un logiciel assemble ces fragments pour former une image complète. Mais il existe une autre méthode : au lieu de filtres, on peut installer une nanostructure qui sépare elle-même la lumière par couleurs, comme un prisme qui décompose un rayon blanc en arc-en-ciel. Une telle structure s'appelle un routeur de couleurs, et elle n'absorbe pas la lumière, elle la dirige simplement vers le bon endroit.
Habituellement, on conçoit ces routeurs en les éclairant avec un faisceau uniforme venant strictement d'en haut. Mais dans une vraie caméra, la lumière traverse une lentille, et sur chaque capteur, elle n'arrive pas en un seul faisceau uniforme, mais en un éventail de rayons sous différents angles. Les scientifiques de cette étude ont décidé de vérifier ce qui se passe si l'on conçoit le routeur directement pour cet « éventail » plutôt que pour un faisceau uniforme. Ils ont pris un modèle réaliste de caméra et calculé comment la lumière de l'objectif tombe sur le capteur en différents points du cadre. Ensuite, ils ont créé une nanostructure en nitrure de silicium — un matériau résistant, semblable au verre mais avec des propriétés différentes — et ont optimisé sa forme pour qu'elle collecte un maximum d'informations sur la couleur de l'image, plutôt que de simplement diriger la lumière vers des points prédéfinis.
Ils ont comparé le nouveau routeur à un filtre coloré classique. Le routeur collecte 2,8 fois plus de lumière, mais à cause des rayons inclinés, les lumières de différentes couleurs se mélangent partiellement, et la pureté des couleurs diminue. Au final, en lumière vive, le filtre donne des couleurs plus précises, mais en faible lumière, c'est le routeur qui l'emporte : il collecte tellement de lumière que même avec des mélanges de couleurs, l'image est plus informative. Le seuil se situe à un rapport signal sur bruit de 13,7 décibels — c'est la différence entre un murmure et une conversation normale. Pour que le routeur rattrape le filtre en lumière vive, il faut augmenter la pureté des couleurs jusqu'à 0,32 — c'est l'objectif que les auteurs se fixent pour les développements futurs.
L'œil humain utilise aussi une astuce de routage de la lumière : au centre de la rétine, les cônes (cellules sensibles aux couleurs) sont plus denses, tandis que les bâtonnets (pour la vision crépusculaire) sont repoussés vers la périphérie. Cela permet de voir les couleurs le jour et de distinguer les mouvements dans l'obscurité.
Dans la série « Altered Carbon », les caméras du futur sont implantées directement dans l'œil et doivent fonctionner dans toutes les conditions d'éclairage — du soleil éclatant à une pièce sombre. De telles nanostructures, adaptées aux conditions réelles, pourraient servir de base à de tels dispositifs.