Ultrasensitive infrared-to-visible artificial vision via self-evolving projection guided by single-pixel detection
Ce document présente SIVIS, un système de projection auto-évolutif guidé par la détection à pixel unique qui réalise une conversion infrarouge-visible ultra-sensible et en temps réel avec une sensibilité au photon unique, permettant la visualisation directe à l'œil nu de cibles dans des conditions de très faible luminosité pour des applications allant de la vision nocturne à l'imagerie biomédicale.
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L'œil humain est remarquablement sensible, pourtant il est aveugle à une vaste partie du spectre lumineux qui nous entoure. Nous voyons le monde en couleurs visibles, mais le spectre infrarouge, qui transporte la chaleur et les signatures chimiques, demeure invisible à notre vision naturelle. Cette limitation a longtemps stimulé le développement de caméras capables de voir dans l'obscurité ou à travers la fumée, mais ces dispositifs comportent souvent des inconvénients importants. Les caméras infrarouges traditionnelles sont coûteuses, encombrantes et nécessitent des systèmes de refroidissement complexes pour fonctionner, ce qui les rend difficiles à miniaturiser pour une utilisation dans des équipements portables ou des technologies portables. De plus, de nombreuses méthodes existantes qui tentent de convertir la lumière infrarouge invisible en lumière visible pour l'œil humain peinent lorsque la lumière est rare. Elles exigent souvent une puissance laser intense pour fonctionner, ce qui est peu pratique pour des échantillons biologiques délicats ou des situations où seuls quelques photons sont disponibles.
Les chercheurs cherchent un moyen de combler cette lacune, avec l'objectif de créer un système capable de prendre les plus faibles murmures de la lumière infrarouge et de les transformer en une image claire, sans avoir recours à des équipements lourds ou à des lasers aveuglants. Le défi consiste à détecter ces photons rares et à les traduire en une image qu'une personne peut voir instantanément. Si un tel système pouvait être construit, il permettrait la vision nocturne, l'imagerie médicale à travers les tissus et les contrôles de sécurité reposant sur la détection de ce qui est normalement caché, tout en opérant dans des conditions où la lumière est quasi inexistante.
Une équipe de chercheurs a maintenant développé une nouvelle approche appelée SIVIS, qui signifie « Self-evolving Infrared-to-VIsible upconversion with Single-pixel detection » (conversion ascendante de l'infrarouge vers le visible auto-évolutive avec détection à pixel unique). Ce système représente un changement significatif dans la manière dont la vision infrarouge est réalisée. Au lieu d'utiliser un capteur de caméra standard avec des millions de minuscules pixels pour capturer une image d'un seul coup, le SIVIS utilise un détecteur unique, hautement sensible, qui agit comme un œil unique. Ce détecteur ne prend pas de photo directement. Au lieu de cela, il « écoute » la lumière qui rebondit sur un objet ou qui passe à travers lui pendant qu'un miroir contrôlé par ordinateur projette rapidement différents motifs de lumière sur cet objet. Le système est conçu pour être autocorrecteur. Il commence par un motif de lumière aléatoire, vérifie la quantité de lumière infrarouge que le détecteur unique perçoit, puis utilise cette information pour ajuster le motif suivant. Au fil du temps, les motifs de lumière évoluent, se concentrant de plus en plus sur la forme de l'objet, un peu comme un sculpteur qui dégrossit la pierre jusqu'à ce que la forme émerge.
Le génie de cette méthode est qu'elle fonctionne en temps réel et nécessite presque aucune lumière pour fonctionner. Les chercheurs ont démontré que leur système peut détecter et visualiser des objets même lorsque la lumière infrarouge est si faible qu'en moyenne, moins d'un photon frappe chaque partie de l'objet lors d'un seul instant d'observation. Pour mettre cela en perspective, le système fonctionne à un niveau de puissance environ cent millions de fois inférieur à celui requis par beaucoup d'autres technologies infrarouges avancées. À mesure que les motifs de lumière évoluent pour correspondre à la forme de l'objet, le système projette simultanément un motif correspondant de lumière verte visible. Cela signifie qu'au fur et à mesure que l'image infrarouge invisible est reconstruite par l'ordinateur, une version visible de cette même image est peinte sur un écran ou sur l'objet lui-même, permettant à une personne de voir le résultat à l'œil nu sans aucun délai.
L'équipe a testé cette technologie dans plusieurs scénarios différents pour prouver sa polyvalence. Elle a montré qu'elle pouvait capturer des images claires d'objets statiques, comme une forme découpée, et suivre des objets en mouvement lorsqu'ils passent dans le champ de vision. Le système fonctionne aussi bien en transmission, où la lumière traverse un objet, qu'en réflexion, où la lumière rebondit sur une surface. Dans une démonstration frappante, les chercheurs ont utilisé le système pour révéler des éléments de sécurité cachés, imprimés avec une encre spéciale invisible à l'œil humain sous une lumière normale. En projetant les motifs visibles, le texte et les formes cachés sont apparus instantanément à la surface, décryptant ainsi efficacement les informations invisibles.
L'application la plus prometteuse présentée dans l'étude concerne l'observation à travers des obstacles. Les chercheurs ont utilisé le système pour visualiser des structures veineuses cachées sous une couche de peau artificielle et même à travers un morceau de tissu de poulet cru. Parce que la lumière infrarouge peut pénétrer les tissus biologiques mieux que la lumière visible, le système a été capable de détecter les structures cachées et de projeter une carte visible de celles-ci sur un écran. Cela suggère que la technologie pourrait un jour aider les médecins à voir les vaisseaux sanguins ou d'autres caractéristiques internes sans procédures invasives, simplement en convertissant les signaux infrarouges qui traversent le corps en une image visible.
Le succès de SIVIS repose sur sa capacité à être incroyablement efficace avec la lumière qu'il utilise. En utilisant un détecteur à pixel unique suffisamment sensible pour compter les photons individuels, le système évite le bruit et l'inefficacité qui affectent les caméras traditionnelles dans des conditions de faible luminosité. Les chercheurs ont constaté que même lorsque la lumière était si faible que le détecteur enregistrait à peine quoi que ce soit, le système pouvait tout de même construire lentement une image claire de la cible. Cette capacité ouvre la voie à une nouvelle génération d'outils d'imagerie compacts, abordables et capables de voir dans l'obscurité la plus profonde. Bien que le système actuel prenne une fraction de seconde pour faire évoluer l'image d'un motif aléatoire vers une forme claire, les chercheurs notent que les améliorations futures des algorithmes pourraient rendre ce processus encore plus rapide. Pour l'instant, ce travail prouve qu'il est possible de transformer les signaux infrarouges les plus faibles en une réalité visible et brillante, offrant un nouvel outil puissant pour voir le monde invisible.
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