Wissenschaftler entwickeln einen neuartigen Lichtfeldsensor für den 3D-Szenenaufbau mit beispielloser Winkelauflösung

11. Mai 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Ein Forschungsteam der Fakultät für Naturwissenschaften der National University of Singapore (NUS) unter der Leitung von Professor Liu Xiaogang vom Fachbereich Chemie hat einen 3D-Bildsensor entwickelt, der eine extrem hohe Winkelauflösung aufweist, was der Kapazität eines optischen Instruments entspricht um Punkte eines Objekts zu unterscheiden, die durch einen kleinen Winkelabstand von 0.0018o getrennt sind. Dieser innovative Sensor arbeitet nach einem einzigartigen Winkel-zu-Farb-Umwandlungsprinzip, das es ihm ermöglicht, 3D-Lichtfelder im gesamten Röntgen- bis sichtbaren Lichtspektrum zu erkennen. Ein Lichtfeld umfasst die kombinierte Intensität und Richtung von Lichtstrahlen, die das menschliche Auge verarbeiten kann, um die räumliche Beziehung zwischen Objekten präzise zu erkennen. Herkömmliche Lichtsensortechnologien sind jedoch weniger effektiv. Die meisten Kameras können beispielsweise nur zweidimensionale Bilder erzeugen, was für normale Fotografie ausreichend, für komplexere Anwendungen wie virtuelle Realität, selbstfahrende Autos und biologische Bildgebung jedoch unzureichend ist. Diese Anwendungen erfordern eine präzise 3D-Szenenkonstruktion eines bestimmten Raums. Selbstfahrende Autos könnten beispielsweise Lichtfeldsensoren nutzen, um Straßen zu erkennen und Gefahren auf der Straße genauer einzuschätzen, um ihre Geschwindigkeit entsprechend anzupassen. Lichtfeldsensoren könnten es Chirurgen auch ermöglichen, die Anatomie eines Patienten in unterschiedlichen Tiefen genau abzubilden, wodurch sie präzisere Schnitte vornehmen und das Verletzungsrisiko eines Patienten besser einschätzen könnten. „Derzeit verwenden Lichtfelddetektoren eine Reihe von Linsen oder photonischen Kristallen, um mehrere Bilder desselben Raums aus vielen verschiedenen Winkeln zu erhalten. Allerdings ist die Integration dieser Elemente in Halbleiter für den praktischen Einsatz kompliziert und kostspielig“, erklärte Prof. Liu. „Konventionelle Technologien können Lichtfelder nur im Wellenlängenbereich von ultraviolettem bis sichtbarem Licht erkennen, was zu einer begrenzten Anwendbarkeit in der Röntgensensorik führt.“ Darüber hinaus verfügt der Lichtfeldsensor des NUS-Teams im Vergleich zu anderen Lichtfeldsensoren wie Mikrolinsenarrays über einen größeren Winkelmessbereich von mehr als 80 Grad, eine hohe Winkelauflösung, die bei kleineren Sensoren möglicherweise weniger als 0.015 Grad betragen kann, und a breiterer spektraler Empfindlichkeitsbereich zwischen 0.002 nm und 550 nm. Diese Spezifikationen ermöglichen es dem neuartigen Sensor, 3D-Bilder mit höherer Tiefenauflösung aufzunehmen. Eine großformatige Winkelsensorstruktur aus nanokristallinen Phosphoren, einer Schlüsselkomponente des Sensors, beleuchtet unter ultraviolettem Licht. Drei lichtemittierende Leuchtstoffe, die rotes, grünes und blaues Licht erzeugen, sind in einem Muster angeordnet, um detaillierte Winkelinformationen zu erfassen, die dann für die 3D-Bildkonstruktion verwendet werden. Das Team prüft auch die Verwendung anderer Materialien für die Struktur. (Bild: NUS) Der Durchbruch wurde in der Zeitschrift veröffentlicht Natur (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Möglich gemacht durch Perowskit-Nanokristalle

Das Herzstück des neuartigen Lichtfeldsensors sind anorganische Elemente Perowskit-Nanokristalle – Verbindungen mit hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften. Aufgrund ihrer kontrollierbaren Nanostrukturen sind Perowskit-Nanokristalle effiziente Lichtemitter mit einem Anregungsspektrum, das von Röntgenstrahlen bis hin zu sichtbarem Licht reicht. Die Wechselwirkungen zwischen Perowskit-Nanokristallen und Lichtstrahlen können auch durch sorgfältige Veränderung ihrer chemischen Eigenschaften oder durch die Einführung kleiner Mengen an Verunreinigungsatomen abgestimmt werden. NUS-Forscher haben Perowskitkristalle auf einem transparenten Dünnschichtsubstrat strukturiert und in ein farblich ladungsgekoppeltes Gerät (CCD) integriert, das eingehende Lichtsignale in eine farbcodierte Ausgabe umwandelt. Dieses Kristall-Konverter-System stellt eine Grundfunktionseinheit des Lichtfeldsensors dar. Wenn einfallendes Licht auf den Sensor trifft, werden die Nanokristalle angeregt. Die Perowskit-Einheiten wiederum emittieren ihr eigenes Licht in unterschiedlichen Farben, je nachdem, in welchem ​​Winkel der einfallende Lichtstrahl auftrifft. Das CCD erfasst die emittierte Farbe, die dann für die 3D-Bildrekonstruktion verwendet werden kann. „Ein einzelner Winkelwert reicht jedoch nicht aus, um die absolute Position des Objekts in einem dreidimensionalen Raum zu bestimmen“, teilte Dr. Yi Luying, wissenschaftlicher Mitarbeiter am NUS Department of Chemistry und Erstautor der Arbeit, mit. „Wir haben herausgefunden, dass das Hinzufügen einer weiteren grundlegenden Kristallkonvertereinheit senkrecht zum ersten Detektor und die Kombination mit einem entwickelten optischen System noch mehr räumliche Informationen über das betreffende Objekt liefern könnte.“ Anschließend testeten sie ihren Lichtfeldsensor in Proof-of-Concept-Experimenten und stellten fest, dass ihr Ansatz tatsächlich 3D-Bilder – mit präzisen Rekonstruktionen von Tiefe und Dimension – von Objekten erfassen kann, die sich in einer Entfernung von 1.5 Metern befinden. Ihre Experimente demonstrierten auch die Fähigkeit des neuartigen Lichtfeldsensors, selbst sehr feine Details aufzulösen. So entstand beispielsweise ein präzises Abbild einer Computertastatur, das sogar die flachen Vorsprünge einzelner Tasten erfasste. Abbildung zeigt den Aufbau (links) und die Ausgabe (rechts) des 3D-Lichtfeldsensors. Das entworfene Gerät (links) kodiert das Lichtfeld als Farbausgabe. Gemusterte Perowskit-Nanokristall-Arrays wandeln unterschiedliche Lichtrichtungen in verschiedene Farben um, die von einer Farbkamera mit ladungsgekoppelten Geräten erfasst werden können. Das rechte Bild zeigt ein von der Kamera rekonstruiertes 3D-Tiefenbild eines Merlion-Modells. (Bild: Yi Luying)

Zukunftsforschung

Prof. Liu und sein Team suchen nach Methoden zur Verbesserung der räumlichen Genauigkeit und Auflösung ihres Lichtfeldsensors, beispielsweise durch den Einsatz hochwertigerer Farbdetektoren. Das Team hat außerdem ein internationales Patent für die Technologie angemeldet. „Wir werden auch fortschrittlichere Technologien erforschen, um Perowskitkristalle dichter auf dem transparenten Substrat zu strukturieren, was zu einer besseren räumlichen Auflösung führen könnte. Die Verwendung anderer Materialien als Perowskit kann auch das Detektionsspektrum des Lichtfeldsensors erweitern“, sagte Prof. Liu.

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• Quelle: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62975.php