يطور العلماء مستشعرًا جديدًا للمجال الضوئي لإنشاء مشهد ثلاثي الأبعاد بدقة زاوية غير مسبوقة

يطور العلماء مستشعرًا جديدًا للمجال الضوئي لإنشاء مشهد ثلاثي الأبعاد بدقة زاوية غير مسبوقة

الطابع الزمني: 11 مايو 2023 8:18 صباحًا
عقدة المصدر: 2651600
11 مايو 2023 (أخبار Nanowerk) قام فريق بحث من كلية العلوم بجامعة سنغافورة الوطنية (NUS)، بقيادة البروفيسور ليو شياو قانغ من قسم الكيمياء، بتطوير مستشعر تصوير ثلاثي الأبعاد يتمتع بدقة زاوية عالية للغاية، وهي قدرة أداة بصرية لتمييز نقاط جسم تفصل بينها مسافة زاوية صغيرة قدرها 3 درجة. يعمل هذا المستشعر المبتكر على مبدأ تحويل الزاوية إلى اللون الفريد، مما يسمح له باكتشاف مجالات الضوء ثلاثية الأبعاد عبر الأشعة السينية إلى طيف الضوء المرئي. يشمل مجال الضوء كثافة واتجاه أشعة الضوء، والتي يمكن للعين البشرية معالجتها للكشف بدقة عن العلاقة المكانية بين الأشياء. ومع ذلك، فإن تقنيات استشعار الضوء التقليدية أقل فعالية. معظم الكاميرات، على سبيل المثال، يمكنها فقط إنتاج صور ثنائية الأبعاد، وهي كافية للتصوير الفوتوغرافي العادي ولكنها غير كافية للتطبيقات الأكثر تقدمًا، بما في ذلك الواقع الافتراضي، والسيارات ذاتية القيادة، والتصوير البيولوجي. تتطلب هذه التطبيقات إنشاء مشهد ثلاثي الأبعاد دقيقًا لمساحة معينة. على سبيل المثال، يمكن للسيارات ذاتية القيادة استخدام استشعار المجال الضوئي لرؤية الشوارع وتقييم مخاطر الطريق بشكل أكثر دقة حتى تتمكن من ضبط سرعتها وفقًا لذلك. كما يمكن لاستشعار مجال الضوء أن يمكّن الجراحين من تصوير تشريح المريض بدقة على أعماق متفاوتة، مما يسمح لهم بعمل شقوق أكثر دقة وتقييم خطر إصابة المريض بشكل أفضل. "في الوقت الحالي، تستخدم كاشفات المجال الضوئي مجموعة من العدسات أو البلورات الضوئية للحصول على صور متعددة لنفس المساحة من زوايا مختلفة. ومع ذلك، فإن دمج هذه العناصر في أشباه الموصلات للاستخدام العملي أمر معقد ومكلف. "يمكن للتقنيات التقليدية اكتشاف مجالات الضوء فقط في نطاق الطول الموجي للضوء فوق البنفسجي والمرئي، مما يؤدي إلى إمكانية تطبيق محدودة في استشعار الأشعة السينية." بالإضافة إلى ذلك، بالمقارنة مع أجهزة استشعار مجال الضوء الأخرى مثل مصفوفات العدسات الدقيقة، فإن مستشعر مجال الضوء التابع لفريق NUS لديه نطاق قياس زاوي أكبر يزيد عن 0.0018 درجة، ودقة زاويّة عالية يمكن أن تكون أقل من 3 درجة لأجهزة الاستشعار الأصغر حجمًا، و نطاق الاستجابة الطيفية الأوسع يتراوح بين 3 نانومتر و80 نانومتر. تجعل هذه المواصفات المستشعر الجديد قادرًا على التقاط صور ثلاثية الأبعاد بدقة أعلى للعمق. هيكل استشعار زاوية واسع النطاق يشتمل على فوسفورات كريستالية نانوية، وهي مكون رئيسي للمستشعر، مضاء تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية هيكل واسع النطاق لاستشعار الزاوية يشتمل على فوسفورات كريستالية نانوية، وهي مكون رئيسي للمستشعر، مضاء تحت ضوء الأشعة فوق البنفسجية. يتم ترتيب ثلاثة فوسفورات باعثة للضوء تنتج الضوء الأحمر والأخضر والأزرق في نمط لالتقاط معلومات زاوية مفصلة يتم استخدامها بعد ذلك لإنشاء صور ثلاثية الأبعاد. ويتطلع الفريق إلى استخدام مواد أخرى للهيكل أيضًا. (الصورة: جامعة سنغافورة الوطنية) تم نشر هذا الاختراق في المجلة الطبيعة (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

أصبحت ممكنة بفضل بلورات البيروفسكايت النانوية

يوجد في قلب مستشعر مجال الضوء الجديد مستشعرات غير عضوية بلورات البيروفسكايت النانوية - مركبات لها خصائص إلكترونية بصرية ممتازة. نظرًا لبنيتها النانوية التي يمكن التحكم فيها، تعد بلورات البيروفسكايت النانوية بواعث ضوئية فعالة، مع طيف إثارة يمتد من الأشعة السينية إلى الضوء المرئي. يمكن أيضًا ضبط التفاعلات بين بلورات البيروفسكايت النانوية والأشعة الضوئية عن طريق تغيير خواصها الكيميائية بعناية أو عن طريق إدخال كميات صغيرة من ذرات الشوائب. قام باحثون من جامعة سنغافورة الوطنية بتصميم بلورات البيروفسكايت على ركيزة شفافة من الأغشية الرقيقة ودمجوها في جهاز مزدوج الشحنة اللون (CCD)، والذي يحول الإشارات الضوئية الواردة إلى مخرجات مرمزة بالألوان. يشتمل نظام المحول البلوري هذا على وحدة وظيفية أساسية لمستشعر مجال الضوء. عندما يضرب الضوء الساقط المستشعر، تصبح البلورات النانوية متحمسة. وفي المقابل، تبعث وحدات البيروفسكايت ضوءها الخاص بألوان مختلفة اعتمادًا على الزاوية التي يسقط بها شعاع الضوء الوارد. يلتقط CCD اللون المنبعث، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لإعادة بناء الصورة ثلاثية الأبعاد. "ومع ذلك، فإن قيمة زاوية واحدة ليست كافية لتحديد الموضع المطلق للجسم في مساحة ثلاثية الأبعاد"، شاركها الدكتور يي لوينج، زميل باحث في قسم الكيمياء بجامعة سنغافورة الوطنية والمؤلف الأول لهذه الورقة. "لقد اكتشفنا أن إضافة وحدة تحويل بلورية أساسية أخرى بشكل عمودي على الكاشف الأول ودمجها مع نظام بصري مصمم يمكن أن يوفر المزيد من المعلومات المكانية فيما يتعلق بالجسم المعني." ثم قاموا باختبار مستشعر المجال الضوئي الخاص بهم في تجارب إثبات المفهوم، ووجدوا أن نهجهم يمكنه بالفعل التقاط صور ثلاثية الأبعاد - مع إعادة بناء دقيقة للعمق والأبعاد - للأشياء الموضوعة على بعد 3 متر. وأظهرت تجاربهم أيضًا قدرة مستشعر المجال الضوئي الجديد على حل حتى التفاصيل الدقيقة جدًا. على سبيل المثال، تم إنشاء صورة دقيقة للوحة مفاتيح الكمبيوتر والتي التقطت النتوءات الضحلة للمفاتيح الفردية. شكل يوضح التصميم (يسار) والإخراج (يمين) لمستشعر مجال الضوء ثلاثي الأبعاد شكل يوضح التصميم (يسار) والإخراج (يمين) لمستشعر مجال الضوء ثلاثي الأبعاد. يقوم الجهاز المصمم (يسار) بتشفير مجال الضوء كمخرج لون. تعمل مصفوفات بلورات البيروفسكايت النانوية المنقوشة على تحويل اتجاهات مختلفة من الضوء إلى ألوان مختلفة، والتي يمكن اكتشافها بواسطة كاميرا جهاز ملونة مقترنة بالشحنة. تُظهر الصورة اليمنى صورة عميقة ثلاثية الأبعاد مُعاد بناؤها لنموذج Merlion الذي تنتجه الكاميرا. (الصورة: يي لوينج)

البحث في المستقبل

يبحث البروفيسور ليو وفريقه عن طرق لتحسين الدقة المكانية ودقة مستشعر مجال الضوء، مثل استخدام أجهزة كشف الألوان المتطورة. وتقدم الفريق أيضًا بطلب للحصول على براءة اختراع دولية لهذه التكنولوجيا. "سوف نستكشف أيضًا تقنيات أكثر تقدمًا لنمط بلورات البيروفسكايت بشكل أكثر كثافة على الركيزة الشفافة، مما قد يؤدي إلى دقة مكانية أفضل. وقال البروفيسور ليو: "إن استخدام مواد أخرى غير البيروفسكايت قد يؤدي أيضًا إلى توسيع نطاق الكشف لمستشعر مجال الضوء".

الطابع الزمني:

اكثر من نانوويرك