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Voir le monde avec des yeux différents
Dübendorf, St. Gallen und Thun, 26.10.2021 - La lumière infrarouge à ondes courtes (SWIR) est utile à de nombreux égards: elle permet de trier les fruits abîmés et d’inspecter les puces en silicium, et elle permet aux dispositifs de vision nocturne de fournir des images nettes. Mais jusqu’à présent, les caméras SWIR reposaient sur des composants électroniques coûteux. Des chercheurs de l’Empa, de l’EPFL, de l’ETH Zurich et de l’Université de Sienne ont développé un écran SWIR composé de huit couches seulement sur une surface en verre.
La lumière infrarouge (IR) est invisible pour les humains. Cependant, certains animaux, comme les serpents à sonnette ou les chauves-souris suceuses de sang, peuvent percevoir le rayonnement IR et l'utiliser pour trouver de la nourriture. Mais même pour les humains, la capacité de voir dans la gamme des infrarouges à ondes courtes (SWIR) serait parfois utile. Avec l'aide de la seule lumière des étoiles, on pouvait alors voir assez distinctement la nuit. Pour les mécaniciens, la chaleur d'une panne de fer à souder serait visible au premier coup d'œil. Et les marchands de fruits pourraient reconnaître la marchandise endommagée avant même que le processus de décomposition ne commence.
Mais la lumière IR a un "problème" : elle est plus faible que la lumière visible et que la lumière UV, de l'autre côté du spectre lumineux. Ainsi, alors que la lumière UV fait briller en bleu les chemises blanches et les dents des danseurs dans une discothèque - il suffit d'un colorant fluorescent dans un détergent - la lumière IR est difficile à rendre visible pour l'œil humain. En effet, les colorants peuvent convertir directement la lumière à haute énergie en lumière à basse énergie, mais pas la lumière à basse énergie en lumière à haute énergie.
Une caméra IR complète sur une puce
Les caméras IR ont donc besoin d'électronique pour capturer la lumière IR, d'un amplificateur électronique et enfin d'un écran pour afficher l'image générée artificiellement. Cela coûte de l'argent. Aujourd'hui, les caméras SWIR standard à usage industriel coûtent environ 7000 francs suisses.
Les chercheurs de l'Empa Roland Hany, Karen Strassel, Wei-Hsu et Michael Bauer ont maintenant réussi à capter la lumière SWIR avec un seul composant et à la rendre visible. Le composant développé par l'Empa est en fait un écran OLED avec trois couches supplémentaires (voir graphique). La lumière SWIR tombe à travers une vitre électriquement conductrice sur une couche de colorant dans un photodétecteur. Là, les électrons commencent à migrer - ce mouvement migratoire est amplifié par une tension électrique. Les charges électriques migrent ensuite dans la couche OLED et y produisent un point lumineux vert. Le traitement électronique du signal par un ordinateur n'est pas nécessaire : la lumière SWIR incidente (invisible) est amplifiée "analogiquement" pour ainsi dire et affichée directement sur l'écran. La couleur de la lumière visible émise - bleu, vert, jaune ou rouge - peut être ajustée en sélectionnant le colorant dans l'OLED.
Utile pour la vision nocturne et pour le tri des haricots
La lumière SWIR est utile pour de nombreuses applications dans l'industrie alimentaire, la logistique ou l'artisanat. Par exemple, on peut rendre visible la température des pointes de soudure ou surveiller le refroidissement des bocaux et bouteilles nouvellement fabriqués. La lumière SWIR fait paraître les objets humides plus sombres, ce qui est utile pour trier les grains de café ou les olives noires : les pierres et les objets métalliques, en tant qu'impuretés, brillent sur le tapis roulant parmi tous les fruits sombres (humides).
La clé de l'écran SWIR de Roland Hany réside dans des colorants spéciaux sur lesquels lui et ses collègues ont mené des recherches depuis longtemps. Ils sont appelés squaraine - le nom vient de la structure de base de la molécule chimique, l'acide squarique. Cette classe de colorants a été découverte dans les années 1960 et se caractérise par une couleur profonde et une bonne résistance à la température. Les chercheurs ont modifié chimiquement l'acide squarique pour qu'il absorbe dans la gamme de la lumière SWIR. "Actuellement, nous travaillons avec des colorants qui absorbent à un peu moins de 1000 nanomètres", explique Roland Hany. "Mais nous travaillons déjà à déplacer l'absorption vers des longueurs d'onde plus grandes, plus loin dans la gamme IR. Si nous y parvenons, notre capteur sera capable de détecter l'eau et l'humidité bien mieux qu'aujourd'hui."
À la recherche d'un partenaire industriel
Roland Hany préfère appeler le module découvert par son groupe OUC : "organic upconversion device". En effet, elle convertit une faible lumière infrarouge en une lumière visible plus forte ("conversion ascendante") et fonctionne à l'aide de fines couches de colorant issues de la chimie du carbone ("organique"). L'un des problèmes est que le savoir-faire en matière de production industrielle de composants organiques et optoélectroniques se trouve principalement en Asie. Cependant, Roland Hany est confiant dans le fait que sa découverte se concrétisera bientôt : "Pour le moment, nous travaillons à augmenter la sensibilité du module et à améliorer sa stabilité à long terme."
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Auteur
Laboratoire fédéral d'essai des matériaux et de recherche
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