Cette image montre le fonctionnement d’un nouveau photodétecteur à bande étroite inspiré de la rétine.

 S’inspirant de la nature, des scientifiques de l’État de Pennsylvanie ont mis au point un nouveau dispositif qui produit des images en imitant les photorécepteurs rouges, verts et bleus et le réseau neuronal que l’on trouve dans les yeux humains.

« Nous avons emprunté un modèle à la nature – nos rétines contiennent des cellules coniques sensibles à la lumière rouge, verte et bleue et un réseau neuronal qui commence à traiter ce que nous voyons avant même que l’information ne soit transmise à notre cerveau », explique Kai Wang, professeur de recherche adjoint au département de science et d’ingénierie des matériaux de l’université de Pennsylvanie. « Ce processus naturel crée le monde coloré que nous pouvons voir.

Pour y parvenir dans un dispositif artificiel, les scientifiques ont créé un nouveau réseau de capteurs à partir de photodétecteurs pérovskites à bande étroite, qui imitent nos cellules coniques, et l’ont connecté à un algorithme neuromorphique, qui imite notre réseau neuronal, afin de traiter les informations et de produire des images de haute fidélité.

Les photodétecteurs convertissent l’énergie lumineuse en signaux électriques et sont essentiels pour les caméras et de nombreuses autres technologies optiques. Les photodétecteurs à bande étroite peuvent se concentrer sur des parties individuelles du spectre lumineux, comme les rouges, les verts et les bleus qui composent la lumière visible, ont expliqué les scientifiques.

« Dans ce travail, nous avons trouvé une nouvelle façon de concevoir un matériau pérovskite sensible à une seule longueur d’onde de la lumière », a déclaré Kai Wang. « Nous avons créé trois matériaux pérovskites différents, et ils sont conçus de telle sorte qu’ils ne peuvent être sensibles qu’aux couleurs rouge, verte ou bleue ».

Selon les scientifiques, cette technologie pourrait permettre de contourner les filtres utilisés dans les appareils photo modernes, qui réduisent la résolution et augmentent le coût et la complexité de fabrication.

Les photodétecteurs en silicium des appareils photo absorbent la lumière mais ne distinguent pas les couleurs. Un filtre externe sépare les rouges, les verts et les bleus, et le filtre ne permet qu’à une seule couleur d’atteindre chaque section du capteur de lumière, gaspillant ainsi les deux tiers de la lumière entrante.

« Lorsque la lumière est filtrée, il y a une certaine perte d’informations, ce qui peut être évité grâce à notre conception. Nous proposons donc que ce travail représente une future technique de détection de caméra qui peut aider les gens à obtenir une résolution spatiale plus élevée ».

Et comme les scientifiques ont utilisé des matériaux pérovskites, les nouveaux dispositifs génèrent de l’énergie lorsqu’ils absorbent la lumière, ce qui pourrait ouvrir la voie à une technologie de caméra sans batterie, ont déclaré les scientifiques.

« La structure du dispositif est similaire à celle des cellules solaires qui utilisent la lumière pour produire de l’électricité », explique Luyao Zheng, chercheur postdoctoral à Penn State. « Une fois que vous l’éclairez, il génère un courant. Ainsi, comme pour nos yeux, nous n’avons pas besoin d’appliquer de l’énergie pour capturer cette information à partir de la lumière ».

Cette recherche pourrait également donner lieu à d’autres développements dans le domaine de la biotechnologie de la rétine artificielle. Selon les scientifiques, des dispositifs basés sur cette technologie pourraient un jour remplacer les cellules mortes ou endommagées de nos yeux pour restaurer la vision.

Les résultats, publiés dans la revue Science Advances, représentent plusieurs avancées fondamentales dans la réalisation de dispositifs de photodétection à bande étroite à base de pérovskite – de la synthèse des matériaux à la conception des dispositifs en passant par l’innovation des systèmes, écrivent les scientifiques dans la revue.

Les pérovskites sont des semi-conducteurs, et lorsque la lumière frappe ces matériaux, elle crée des paires électron-trou. L’envoi de ces électrons et de ces trous dans des directions opposées génère un courant électrique.

Dans cette étude, les scientifiques ont créé des pérovskites en couches minces avec un transport électron-trou fortement déséquilibré, ce qui signifie que les trous se déplacent dans le matériau plus rapidement que les électrons. En manipulant l’architecture des pérovskites déséquilibrées, c’est-à-dire la façon dont les couches sont empilées, les scientifiques ont découvert qu’ils pouvaient exploiter les propriétés de ces matériaux pour en faire des photodétecteurs à bande étroite.

Ils ont créé un réseau de capteurs avec ces matériaux et ont utilisé un projecteur pour faire briller une image à travers le dispositif. Les informations recueillies dans les couches rouge, verte et bleue ont été introduites dans un algorithme neuromorphique à trois sous-couches pour le traitement du signal et la reconstruction de l’image. Les algorithmes neuromorphiques sont un type de technologie informatique qui cherche à émuler le fonctionnement du cerveau humain.

« Nous avons essayé différentes manières de traiter les données », précise Kai Wang. « Nous avons essayé de fusionner directement les signaux des trois couches de couleur, mais l’image n’était pas très claire. Mais lorsque nous effectuons ce traitement neuromorphique, l’image est beaucoup plus proche de l’original. »

Étant donné que l’algorithme imite le réseau neuronal de la rétine humaine, les résultats pourraient permettre de mieux comprendre l’importance de ces réseaux neuronaux pour notre vision, ont déclaré les scientifiques.

« En associant notre appareil et cet algorithme, nous pouvons démontrer que la fonctionnalité du réseau neuronal est vraiment importante pour le traitement de la vision dans les yeux humains », assure Kai Wang.

https://www.psu.edu/news/research/story/bio-inspired-device-captures-images-mimicking-human-eye/