Des scientifiques développent un nouveau capteur de champ lumineux pour la construction de scènes 3D avec une résolution angulaire sans précédent

Des scientifiques développent un nouveau capteur de champ lumineux pour la construction de scènes 3D avec une résolution angulaire sans précédent

Horodatage: 11 mai 2023, 8 h 18
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11 mai 2023 (Actualités Nanowerk) Une équipe de recherche de la Faculté des sciences de l'Université nationale de Singapour (NUS), dirigée par le professeur Liu Xiaogang du Département de chimie, a développé un capteur d'imagerie 3D doté d'une résolution angulaire extrêmement élevée, ce qui correspond à la capacité d'un instrument optique. pour distinguer les points d'un objet séparés par une petite distance angulaire, de 0.0018o. Ce capteur innovant fonctionne selon un principe unique de conversion angle-couleur, lui permettant de détecter des champs lumineux 3D sur tout le spectre des rayons X vers la lumière visible. Un champ lumineux englobe l’intensité et la direction combinées des rayons lumineux, que l’œil humain peut traiter pour détecter avec précision la relation spatiale entre les objets. Les technologies traditionnelles de détection de la lumière sont cependant moins efficaces. La plupart des appareils photo, par exemple, ne peuvent produire que des images bidimensionnelles, ce qui est suffisant pour la photographie ordinaire mais insuffisant pour des applications plus avancées, notamment la réalité virtuelle, les voitures autonomes et l’imagerie biologique. Ces applications nécessitent une construction précise de scènes 3D d’un espace particulier. Par exemple, les voitures autonomes pourraient utiliser la détection du champ lumineux pour visualiser les rues et évaluer plus précisément les dangers routiers afin d’ajuster leur vitesse en conséquence. La détection du champ lumineux pourrait également permettre aux chirurgiens d'imager avec précision l'anatomie d'un patient à différentes profondeurs, leur permettant ainsi de réaliser des incisions plus précises et de mieux évaluer le risque de blessure d'un patient. « Actuellement, les détecteurs de champ lumineux utilisent un ensemble de lentilles ou de cristaux photoniques pour obtenir plusieurs images du même espace sous de nombreux angles différents. Cependant, l’intégration de ces éléments dans des semi-conducteurs pour une utilisation pratique est compliquée et coûteuse », a expliqué le professeur Liu. "Les technologies conventionnelles ne peuvent détecter les champs lumineux que dans la gamme de longueurs d'onde de la lumière ultraviolette à visible, ce qui conduit à une applicabilité limitée dans la détection des rayons X." De plus, comparé à d'autres capteurs de champ lumineux tels que les réseaux de microlentilles, le capteur de champ lumineux de l'équipe NUS présente une plage de mesure angulaire plus large de plus de 80 degrés, une résolution angulaire élevée qui peut potentiellement être inférieure à 0.015 degrés pour les capteurs plus petits, et une plage de réponse spectrale plus large comprise entre 0.002 nm et 550 nm. Ces spécifications rendent le nouveau capteur capable de capturer des images 3D avec une résolution en profondeur plus élevée. Une structure de détection d'angle à grande échelle comprenant des phosphores nanocristaux, un composant clé du capteur, éclairée sous une lumière ultraviolette Une structure de détection d'angle à grande échelle comprenant des phosphores nanocristaux, un composant clé du capteur, éclairée sous une lumière ultraviolette. Trois luminophores électroluminescents qui produisent de la lumière rouge, verte et bleue sont disposés selon un motif pour capturer des informations angulaires détaillées qui sont ensuite utilisées pour la construction d'images 3D. L'équipe envisage également d'utiliser d'autres matériaux pour la structure. (Image : NUS) Cette percée a été publiée dans la revue Nature (« Détection des rayons X en champ de lumière visible grâce à la conversion des couleurs pixellisées »).

Rendu possible grâce aux nanocristaux de pérovskite

Au cœur du nouveau capteur de champ lumineux se trouvent des substances inorganiques nanocristaux de pérovskite – des composés qui possèdent d’excellentes propriétés optoélectroniques. En raison de leurs nanostructures contrôlables, les nanocristaux de pérovskite sont des émetteurs de lumière efficaces, avec un spectre d'excitation qui s'étend des rayons X à la lumière visible. Les interactions entre les nanocristaux de pérovskite et les rayons lumineux peuvent également être ajustées en modifiant soigneusement leurs propriétés chimiques ou en introduisant de petites quantités d'atomes d'impuretés. Les chercheurs du NUS ont modelé des cristaux de pérovskite sur un substrat transparent en couche mince et les ont intégrés dans un dispositif à couplage de charge (CCD) couleur, qui convertit les signaux lumineux entrants en une sortie codée par couleur. Ce système de conversion à cristal comprend une unité fonctionnelle de base du capteur de champ lumineux. Lorsque la lumière incidente atteint le capteur, les nanocristaux sont excités. À leur tour, les unités pérovskites émettent leur propre lumière dans différentes couleurs en fonction de l’angle sous lequel le rayon lumineux entrant frappe. Le CCD capture la couleur émise, qui peut ensuite être utilisée pour la reconstruction d'images 3D. "Cependant, une seule valeur d'angle ne suffit pas pour déterminer la position absolue de l'objet dans un espace tridimensionnel", a expliqué le Dr Yi Luying, chercheur au département de chimie de la NUS et premier auteur de l'article. "Nous avons découvert que l'ajout d'une autre unité de conversion à cristal de base perpendiculaire au premier détecteur et sa combinaison avec un système optique conçu pourraient fournir encore plus d'informations spatiales concernant l'objet en question." Ils ont ensuite testé leur capteur de champ lumineux dans le cadre d’expériences de validation de principe et ont découvert que leur approche pouvait effectivement capturer des images 3D – avec des reconstructions précises de la profondeur et des dimensions – d’objets placés à 1.5 mètre. Leurs expériences ont également démontré la capacité du nouveau capteur de champ lumineux à résoudre même des détails très fins. Par exemple, une image précise d’un clavier d’ordinateur a été créée, capturant même les saillies peu profondes de touches individuelles. Figure montrant la conception (à gauche) et la sortie (à droite) du capteur de champ lumineux 3D Figure montrant la conception (à gauche) et la sortie (à droite) du capteur de champ lumineux 3D. Le dispositif conçu (à gauche) code le champ lumineux comme sortie couleur. Les réseaux de nanocristaux de pérovskite à motifs convertissent différentes directions de lumière en différentes couleurs, qui peuvent être détectées par une caméra couleur à couplage de charge. L'image de droite montre une image de profondeur 3D reconstruite d'un modèle Merlion produite par la caméra. (Image : Yi Luying)

La recherche future

Le professeur Liu et son équipe étudient des méthodes permettant d'améliorer la précision spatiale et la résolution de leur capteur de champ lumineux, par exemple en utilisant des détecteurs de couleurs haut de gamme. L'équipe a également déposé une demande de brevet international pour cette technologie. « Nous explorerons également des technologies plus avancées pour modeler les cristaux de pérovskite de manière plus dense sur le substrat transparent, ce qui pourrait conduire à une meilleure résolution spatiale. L’utilisation de matériaux autres que la pérovskite peut également élargir le spectre de détection du capteur de champ lumineux », a déclaré le professeur Liu.

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