De meilleures images pour l'homme et la machine
infohightech ·
Des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Empa ont développé un nouveau capteur d'images en pérovskite. Ce matériau semi-conducteur permet d'obtenir un meilleur rendu des couleurs et moins d'artefacts d'image avec moins de lumière. En outre, les capteurs en pérovskite conviennent particulièrement bien à la vision artificielle.
En bref
- Prendre de meilleures photos avec moins de lumière : C'est la promesse d'un nouveau capteur d'images en pérovskite, développé par des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Empa.
- Le nouveau capteur est plus sensible à la lumière, reproduit les couleurs avec plus de précision et peut offrir une résolution nettement plus élevée que les capteurs traditionnels au silicium.
- Outre les caméras numériques, le capteur en pérovskite est particulièrement adapté aux analyses médicales ou à l'observation automatisée de l'environnement et de l'agriculture.
Les capteurs d'image sont présents dans tous les smartphones et appareils photo numériques. Ils reconnaissent les couleurs d'une manière similaire à l'œil humain. Alors que sur notre rétine, des cellules à cônes individuelles reconnaissent le rouge, le vert et le bleu (RGB), sur les capteurs d'images, ce sont des pixels individuels qui absorbent les longueurs d'onde correspondantes et les transforment en signaux électriques.
La plupart des capteurs d'images sont composés de silicium. Ce matériau semi-conducteur absorbe normalement la lumière dans tout le spectre visible. Pour en faire des capteurs d'images RVB, la lumière incidente doit être filtrée. Les pixels pour le rouge contiennent des filtres qui bloquent (et donc gaspillent) le vert et le bleu, et ainsi de suite. Chaque pixel d'un capteur d'image en silicium ne reçoit ainsi qu'un tiers environ de la quantité totale de lumière incidente.
Des chercheurs réunis autour de Maksym Kovalenko, qui travaillent à la fois à l'ETH Zurich et à l'Empa, ont proposé une nouvelle solution permettant à une caméra d'utiliser toute la lumière pour l'enregistrement des couleurs. Depuis bientôt dix ans, ils mènent des recherches sur les capteurs d'images en pérovskite. Dans une nouvelle étude qui vient d'être publiée dans la prestigieuse revue spécialisée "Nature", ils montrent qu'il est possible d'obtenir des images de la surface de l'eau à partir d'un capteur de peroxyde d'hydrogène : La nouvelle technologie fonctionne.
Pixels empilés
La base de ce capteur d'image innovant est l'halogénure de plomb perovskite. Ce matériau cristallin est un semi-conducteur. Mais contrairement au silicium, il est particulièrement facile à traiter - et ses propriétés physiques varient en fonction de sa composition chimique exacte. C'est précisément ce que les chercheurs exploitent dans la fabrication de capteurs d'images en pérovskite.
Si la pérovskite contient un peu plus d'ions d'iode, elle absorbe la lumière rouge. Pour le vert, les chercheurs ajoutent plus de brome, pour le bleu plus de chlore - sans aucun filtre. Pour les autres longueurs d'onde, les couches de pixels en pérovskite restent transparentes et les laissent donc passer. Ainsi, les pixels pour le rouge, le vert et le bleu peuvent être empilés les uns sur les autres dans le capteur d'image, contrairement aux capteurs d'image en silicium, où les pixels sont juxtaposés.
Les capteurs d'images en pérovskite peuvent théoriquement capter trois fois plus de lumière sur la même surface que les capteurs d'images en silicium traditionnels - avec une résolution trois fois plus élevée. (Graphique : Sergii Yakunin / ETH Zurich / Empa)
Grâce à cette disposition, les capteurs d'image à base de pérovskite peuvent théoriquement capter trois fois plus de lumière que les capteurs d'image traditionnels sur la même surface - et ce avec une résolution trois fois meilleure. Déjà il y a quelques années, l'équipe de Maksym Kovalenko a pu démontrer leur fonctionnement, tout d'abord avec des pixels individuels surdimensionnés en cristaux de pérovskite de la taille d'un millimètre. Aujourd'hui, ils ont construit pour la première fois deux capteurs d'images à couche mince en pérovskite qui fonctionnent.
"Nous continuons à développer cette technologie en passant d'une 'preuve de concept' approximative à une dimension dans laquelle elle pourrait réellement être utilisée", explique Maksym Kovalenko. Une voie de développement naturelle pour les composants électroniques : "Le premier transistor était constitué d'un gros morceau de germanium avec quelques connexions. Aujourd'hui, 60 ans plus tard, les transistors ne mesurent plus que quelques nanomètres".
Les capteurs d'images en pérovskite n'en sont qu'au début de leur développement. Avec leurs deux prototypes, les chercheurs ont toutefois pu montrer que la technologie pouvait être miniaturisée. Fabriqués à l'aide de procédés à couche mince courants dans l'industrie, les capteurs ont atteint leur taille cible, du moins à la verticale. "Il y a bien sûr toujours un potentiel d'optimisation", explique le co-auteur Sergii Yakunin du groupe de recherche de Maksym Kovalenko.
Les chercheurs ont soumis les deux prototypes, qui se distinguent par leur technologie de lecture, à des tests expérimentaux approfondis. Leurs résultats prouvent les points forts de la pérovskite : les capteurs sont plus sensibles à la lumière, reproduisent les couleurs avec plus de précision et peuvent offrir une résolution nettement plus élevée que la technologie traditionnelle au silicium. Le fait que chaque pixel capte toute la lumière permet en outre de supprimer certains artefacts de la photographie numérique, comme le démosaïquage et l'effet de moiré.
Vision artificielle pour la médecine et l'environnement
Mais les appareils photo numériques grand public ne sont pas le seul domaine d'application des capteurs d'images en pérovskite. En raison des propriétés de la pérovskite, ils conviennent aussi particulièrement bien aux applications de vision artificielle. La focalisation sur le rouge, le vert et le bleu est due à l'œil humain : Les capteurs d'images fonctionnent au format RGB, car nos yeux voient en mode RGB. Pour des tâches spécifiques, il vaut toutefois la peine de définir des plages de longueurs d'onde différentes, qui sont lues par un ordinateur. Souvent, il y en a plus de trois - on parle d'imagerie hyperspectrale.
Pour ce type d'imagerie, les capteurs en pérovskite présentent un avantage décisif. Les chercheurs peuvent contrôler très précisément les plages de longueurs d'onde qu'ils absorbent - pour chaque couche. "Avec la pérovskite, nous pouvons définir de nombreux canaux de couleur qui se distinguent clairement les uns des autres", explique Sergii Yakunin. Le silicium, avec son large spectre d'absorption, nécessite pour cela de nombreux filtres et des algorithmes informatiques complexes. "C'est déjà très peu pratique pour un nombre relativement faible de couleurs", poursuit Maksym Kovalenko. Les capteurs d'images hyperspectrales en pérovskite pourraient par exemple être utilisés dans le domaine des analyses médicales ou de la surveillance automatisée de l'agriculture et de l'environnement.
Dans une prochaine étape, les chercheurs veulent encore réduire la taille de leurs capteurs d'images en pérovskite tout en augmentant le nombre de pixels. Leurs deux prototypes ont des tailles de pixels comprises entre 0,5 et 1 millimètre. Dans les capteurs d'images commerciaux, les pixels sont de l'ordre du micromètre (1 micromètre correspond à 0,001 millimètre). "Il devrait même être possible de fabriquer des pixels encore plus petits à partir de pérovskite qu'à partir de silicium", explique Yakunin. Les connexions électroniques et les techniques de traitement doivent également être adaptées à la nouvelle technologie. "L'électronique de lecture actuelle est optimisée pour le silicium. Mais la pérovskite est un autre semi-conducteur, avec d'autres propriétés matérielles", explique Maksym Kovalenko. Les chercheurs en sont toutefois convaincus : ces défis peuvent être surmontés.