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Jan 04, 2024

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Nature volume 618, pages 281-286 (2023)Citer cet article 12k Accès 99 Détails Altmetric Metrics La détection du champ lumineux mesure à la fois l'intensité des rayons lumineux et leur direction précise en temps libre.

Nature volume 618, pages 281-286 (2023)Citer cet article

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99 Altmétrique

Détails des métriques

La détection du champ lumineux mesure à la fois l'intensité des rayons lumineux et leur direction précise dans l'espace libre. Cependant, les techniques actuelles de détection de champ lumineux nécessitent des réseaux de microlentilles complexes ou sont limitées aux gammes de longueurs d'onde de la lumière ultraviolette et visible1,2,3,4. Nous présentons ici une méthode robuste et évolutive basée sur des réseaux de nanocristaux de pérovskite à motifs lithographiques qui peuvent être utilisés pour déterminer les vecteurs de rayonnement des rayons X à la lumière visible (0,002 à 550 nm). Avec ces réseaux de nanocristaux multicolores, les rayons lumineux provenant de directions spécifiques peuvent être convertis en sorties couleur pixélisées avec une résolution angulaire de 0,0018°. Nous constatons que la détection tridimensionnelle du champ lumineux et le positionnement spatial des sources lumineuses sont possibles en modifiant les réseaux de nanocristaux avec des orientations spécifiques. Nous démontrons également l’imagerie d’objets tridimensionnels et l’imagerie à contraste de phase par lumière visible et rayons X en combinant des réseaux de nanocristaux pixélisés avec un dispositif à couplage de charge couleur. La capacité de détecter la direction de la lumière au-delà des longueurs d'onde optiques grâce au codage par contraste de couleur pourrait permettre de nouvelles applications, par exemple dans l'imagerie tridimensionnelle à contraste de phase, la robotique, la réalité virtuelle, l'imagerie biologique tomographique et la navigation autonome par satellite.

Les progrès dans les matériaux et les procédés semi-conducteurs ont révolutionné la conception et la fabrication de micro- et nano-photodétecteurs. Mais les pixels de la plupart des capteurs ne détectent que l’intensité des ondes électromagnétiques. En conséquence, toutes les informations de phase des objets et des ondes lumineuses diffractées sont perdues5,6,7,8,9,10. Bien que les informations sur l'intensité soient suffisantes à elles seules pour les applications conventionnelles telles que la photographie bidimensionnelle et l'imagerie microscopique, cette limitation entrave les applications d'imagerie tridimensionnelle (3D) et quadridimensionnelle, notamment l'imagerie à contraste de phase, la détection et la télémétrie de la lumière, les véhicules autonomes, l'imagerie virtuelle. réalité et exploration spatiale11,12,13,14,15,16,17,18,19. Un réseau optique de microlentilles ou de cristaux photoniques avec des photodiodes pixélisées est généralement utilisé pour mesurer le champ lumineux ou la répartition des directions de la lumière et ainsi caractériser les informations de phase. Néanmoins, l’intégration de ces éléments dans des architectures complémentaires métal-oxyde-semi-conducteur est coûteuse et complexe4,20,21,22. Les résonances optiques dans les structures semi-conductrices sub-longueur d'onde permettent le développement de structures sensibles à l'angle en manipulant les interactions lumière-matière23,24,25,26,27,28. Cependant, la plupart d’entre eux dépendent de la longueur d’onde ou de la polarisation et nécessitent des matériaux à indice de réfraction élevé29. De plus, la détection et le contrôle des vecteurs lumineux sont actuellement limités aux longueurs d'onde de la lumière ultraviolette et visible. Bien que plusieurs capteurs utilisant des structures Shack-Hartmann ou Hartmann soient capables de mesurer la phase dans la gamme extrême de la lumière ultraviolette, les mesures de phase des rayons X durs et des rayons gamma restent difficiles car les faisceaux à haute énergie ne peuvent pas être focalisés à l'aide de miroirs ou de microlentilles conventionnels. .

En raison de la polyvalence du codage des couleurs dans la visualisation de données, nous avons proposé que le codage des couleurs par contraste puisse être utilisé pour visualiser les directions des rayons lumineux. Pour tester notre hypothèse, nous avons sélectionné des nanocristaux de pérovskite inorganiques en raison de leurs excellentes propriétés optoélectroniques. Ils démontrent également une émission hautement efficace et accordable avec une saturation des couleurs élevée sur tout le spectre visible sous irradiation par rayons X ou par lumière visible. De plus, les nanocristaux de pérovskite à base de Sn peuvent avoir des bandes interdites optiques qui s'étendent dans la région de la lumière proche infrarouge. Une conception fondamentale pour une détection de champ lumineux 3D consiste à modeler lithographiquement des nanocristaux de pérovskite sur un substrat transparent (Fig. 1a). Un capteur de champ lumineux 3D peut ensuite être construit en intégrant le substrat à film mince à motifs avec un dispositif à couplage de charge (CCD) couleur qui convertit l'angle des rayons lumineux incidents en une sortie couleur spécifique. L'unité de base du capteur de champ lumineux 3D est un détecteur d'azimut unique comprenant des nanocristaux de pérovskite émetteurs multicolores. Lorsque la lumière incidente frappe des nanocristaux à motifs, l'angle d'azimut α entre la lumière incidente et le plan de référence peut être détecté en mesurant la sortie couleur de l'unité de base (Fig. 1b). Plus précisément, deux détecteurs d'azimut disposés perpendiculairement l'un à l'autre peuvent réaliser une détection de direction de la lumière 3D et déterminer l'angle d'azimut φ et l'angle d'élévation θ de la lumière incidente en coordonnées sphériques. Pour déterminer la position absolue d'une source lumineuse, trois détecteurs d'azimut peuvent être disposés pour créer une corrélation entre les trois angles d'azimut correspondants α1, α2 et α3 codés dans les sorties couleur.