Los científicos desarrollan un nuevo sensor de campo de luz para la construcción de escenas 3D con una resolución angular sin precedentes

Los científicos desarrollan un nuevo sensor de campo de luz para la construcción de escenas 3D con una resolución angular sin precedentes

Marca de tiempo: 11 de mayo de 2023 8:18 a.m.
Nodo de origen: 2651600
11 de mayo de 2023 (Noticias de Nanowerk) Un equipo de investigación de la Facultad de Ciencias de la Universidad Nacional de Singapur (NUS), dirigido por el profesor Liu Xiaogang del Departamento de Química, ha desarrollado un sensor de imágenes 3D que tiene una resolución angular extremadamente alta, que es la capacidad de un instrumento óptico. para distinguir puntos de un objeto separados por una pequeña distancia angular, de 0.0018o. Este innovador sensor funciona con un principio único de conversión de ángulo a color, lo que le permite detectar campos de luz 3D en todo el espectro de rayos X a luz visible. Un campo de luz abarca la intensidad y la dirección combinadas de los rayos de luz, que los ojos humanos pueden procesar para detectar con precisión la relación espacial entre los objetos. Sin embargo, las tecnologías tradicionales de detección de luz son menos efectivas. La mayoría de las cámaras, por ejemplo, solo pueden producir imágenes bidimensionales, lo que es adecuado para la fotografía normal pero insuficiente para aplicaciones más avanzadas, como la realidad virtual, los automóviles autónomos y las imágenes biológicas. Estas aplicaciones requieren la construcción de escenas 3D precisas de un espacio en particular. Por ejemplo, los automóviles autónomos podrían usar la detección de campo de luz para ver las calles y evaluar con mayor precisión los peligros de la carretera para ajustar su velocidad en consecuencia. La detección de campo de luz también podría permitir a los cirujanos obtener imágenes precisas de la anatomía de un paciente a diferentes profundidades, permitiéndoles hacer incisiones más precisas y evaluar mejor el riesgo de lesiones del paciente. “Actualmente, los detectores de campo de luz utilizan una matriz de lentes o cristales fotónicos para obtener múltiples imágenes del mismo espacio desde muchos ángulos diferentes. Sin embargo, la integración de estos elementos en semiconductores para uso práctico es complicada y costosa”, explicó el profesor Liu. "Las tecnologías convencionales pueden detectar campos de luz solo en el rango de longitud de onda de luz ultravioleta a luz visible, lo que lleva a una aplicabilidad limitada en la detección de rayos X". Además, en comparación con otros sensores de campo de luz, como conjuntos de microlentes, el sensor de campo de luz del equipo de NUS tiene un rango de medición angular más grande de más de 80 grados, una alta resolución angular que puede ser potencialmente inferior a 0.015 grados para sensores más pequeños y un rango de respuesta espectral más amplio de entre 0.002 nm y 550 nm. Estas especificaciones hacen que el novedoso sensor sea capaz de capturar imágenes 3D con una resolución de mayor profundidad. Una estructura de detección de ángulo a gran escala que comprende fósforos de nanocristales, un componente clave del sensor, iluminada con luz ultravioleta Una estructura de detección de ángulo a gran escala que comprende fósforos de nanocristales, un componente clave del sensor, iluminada bajo luz ultravioleta. Tres fósforos emisores de luz que producen luz roja, verde y azul se organizan en un patrón para capturar información angular detallada que luego se utiliza para la construcción de imágenes en 3D. El equipo también está estudiando el uso de otros materiales para la estructura. (Imagen: NUS) El avance fue publicado en la revista Naturaleza (“Detección de rayos X a campo de luz visible a través de la conversión de color pixelado”).

Hecho posible por nanocristales de perovskita

En el núcleo del novedoso sensor de campo de luz se encuentran nanocristales de perovskita – compuestos que tienen excelentes propiedades optoelectrónicas. Debido a sus nanoestructuras controlables, los nanocristales de perovskita son emisores de luz eficientes, con un espectro de excitación que abarca desde los rayos X hasta la luz visible. Las interacciones entre los nanocristales de perovskita y los rayos de luz también se pueden ajustar alterando cuidadosamente sus propiedades químicas o introduciendo pequeñas cantidades de átomos de impurezas. Los investigadores de NUS han modelado cristales de perovskita en un sustrato de película delgada transparente y los han integrado en un dispositivo acoplado de carga (CCD) de color, que convierte las señales de luz entrantes en una salida codificada por colores. Este sistema de convertidor de cristal comprende una unidad funcional básica del sensor de campo de luz. Cuando la luz incidente incide en el sensor, los nanocristales se excitan. A su vez, las unidades de perovskita emiten su propia luz en diferentes colores según el ángulo en el que incide el rayo de luz entrante. El CCD captura el color emitido, que luego se puede utilizar para la reconstrucción de imágenes en 3D. "Sin embargo, un solo valor de ángulo no es suficiente para determinar la posición absoluta del objeto en un espacio tridimensional", compartió el Dr. Yi Luying, investigador del Departamento de Química de la NUS y primer autor del artículo. "Descubrimos que agregar otra unidad básica de conversión de cristal perpendicular al primer detector y combinarla con un sistema óptico diseñado podría proporcionar aún más información espacial sobre el objeto en cuestión". Luego probaron su sensor de campo de luz en experimentos de prueba de concepto y descubrieron que su enfoque puede capturar imágenes en 3D, con reconstrucciones precisas de profundidad y dimensión, de objetos colocados a 1.5 metros de distancia. Sus experimentos también demostraron la capacidad del novedoso sensor de campo de luz para resolver incluso detalles muy finos. Por ejemplo, se creó una imagen precisa del teclado de una computadora que incluso capturó las protuberancias superficiales de las teclas individuales. Figura que muestra el diseño (izquierda) y la salida (derecha) del sensor de campo de luz 3D Figura que muestra el diseño (izquierda) y la salida (derecha) del sensor de campo de luz 3D. El dispositivo diseñado (izquierda) codifica el campo de luz como salida de color. Las matrices de nanocristales de perovskita estampadas convierten diferentes direcciones de luz en diferentes colores, que pueden ser detectados por una cámara de dispositivo de acoplamiento de carga de color. La imagen de la derecha muestra una imagen de profundidad 3D reconstruida de un modelo Merlion producido por la cámara. (Imagen: Yi Luying)

Las investigaciones futuras

El profesor Liu y su equipo están buscando métodos para mejorar la precisión espacial y la resolución de su sensor de campo de luz, como el uso de detectores de color de gama alta. El equipo también ha solicitado una patente internacional para la tecnología. “También exploraremos tecnologías más avanzadas para modelar cristales de perovskita de manera más densa en el sustrato transparente, lo que podría conducir a una mejor resolución espacial. El uso de materiales distintos a la perovskita también puede expandir el espectro de detección del sensor de campo de luz”, dijo el profesor Liu.

Sello de tiempo:

Mas de Nanowerk