دانشمندان یک حسگر میدان نور جدید برای ساخت صحنه های سه بعدی با وضوح زاویه ای بی سابقه ساخته اند

دانشمندان یک حسگر میدان نور جدید برای ساخت صحنه های سه بعدی با وضوح زاویه ای بی سابقه ساخته اند

تمبر زمان: 11 مه 2023، 8:18 صبح
گره منبع: 2651600
11 مه 2023 (اخبار نانوورکیک تیم تحقیقاتی از دانشکده علوم دانشگاه ملی سنگاپور (NUS) به سرپرستی پروفسور لیو شیائوگانگ از گروه شیمی، یک سنسور تصویربرداری سه بعدی ساخته اند که وضوح زاویه ای بسیار بالایی دارد که ظرفیت یک ابزار نوری است. برای تشخیص نقاط یک جسم که با فاصله زاویه ای کوچک، 3o از هم جدا شده اند. این حسگر نوآورانه بر اساس یک اصل منحصر به فرد تبدیل زاویه به رنگ عمل می کند و به آن امکان می دهد میدان های نوری سه بعدی را در سراسر طیف اشعه ایکس به نور مرئی تشخیص دهد. یک میدان نوری شامل شدت و جهت ترکیبی پرتوهای نور است که چشم انسان می تواند آن را پردازش کند تا رابطه فضایی بین اشیاء را دقیقاً تشخیص دهد. با این حال، فناوری‌های حسگر نور سنتی کمتر مؤثر هستند. به عنوان مثال، اکثر دوربین ها فقط می توانند تصاویر دو بعدی تولید کنند که برای عکاسی معمولی کافی است اما برای برنامه های پیشرفته تر، از جمله واقعیت مجازی، ماشین های خودران و تصویربرداری بیولوژیکی کافی نیست. این برنامه ها نیاز به ساخت صحنه سه بعدی دقیق از یک فضای خاص دارند. برای مثال، خودروهای خودران می‌توانند از حسگر میدان نور برای مشاهده خیابان‌ها و ارزیابی دقیق‌تر خطرات جاده‌ای استفاده کنند تا بر اساس آن سرعت خود را تنظیم کنند. سنجش میدان نور همچنین می‌تواند جراحان را قادر سازد تا به طور دقیق از آناتومی بیمار در اعماق مختلف تصویربرداری کنند و به آنها امکان می‌دهد برش‌های دقیق‌تری ایجاد کنند و خطر آسیب‌دیدگی بیمار را بهتر ارزیابی کنند. در حال حاضر، آشکارسازهای میدان نور از مجموعه‌ای از عدسی‌ها یا کریستال‌های فوتونی برای به دست آوردن تصاویر متعدد از یک فضا از زوایای مختلف استفاده می‌کنند. با این حال، ادغام این عناصر در نیمه هادی ها برای استفاده عملی پیچیده و پرهزینه است. فن‌آوری‌های مرسوم می‌توانند میدان‌های نوری را فقط در محدوده طول موج نور ماوراء بنفش تا مرئی شناسایی کنند که منجر به کاربرد محدود در سنجش اشعه ایکس می‌شود. علاوه بر این، در مقایسه با سایر حسگرهای میدان نور مانند آرایه‌های میکرولنز، حسگر میدان نوری تیم NUS دارای محدوده اندازه‌گیری زاویه‌ای بزرگ‌تر بیش از ۸۰ درجه، وضوح زاویه‌ای بالا است که به طور بالقوه می‌تواند برای سنسورهای کوچک‌تر کمتر از ۰.۰۱۵ درجه باشد. محدوده پاسخ طیفی گسترده تر بین 0.0018 نانومتر تا 3 نانومتر. این مشخصات باعث می شود حسگر جدید بتواند تصاویر سه بعدی را با وضوح بالاتر ثبت کند. یک ساختار حساس به زاویه در مقیاس بزرگ شامل فسفرهای نانو کریستال، جزء کلیدی حسگر، که تحت نور ماوراء بنفش روشن می شود. یک ساختار حساس به زاویه در مقیاس بزرگ شامل فسفرهای نانو کریستال، جزء کلیدی حسگر، که تحت نور فرابنفش روشن می شود. سه فسفر ساطع کننده نور که نور قرمز، سبز و آبی تولید می کنند در یک الگو قرار گرفته اند تا اطلاعات زاویه ای دقیقی را ثبت کنند که سپس برای ساخت تصویر سه بعدی استفاده می شود. این تیم به دنبال استفاده از مواد دیگر برای سازه نیز است. (تصویر: NUS) این موفقیت در مجله منتشر شد طبیعت (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

ساخته شده توسط نانو کریستال پروسکایت

در هسته حسگر میدان نور جدید غیرآلی است نانو کریستال پروسکایت - ترکیباتی که خواص نوری عالی دارند. نانوکریستال‌های پروسکایت به دلیل نانوساختارهای قابل کنترل، ساطع‌کننده‌های نور کارآمدی هستند، با طیف تحریکی که پرتوهای ایکس را تا نور مرئی می‌پوشاند. فعل و انفعالات بین نانوبلورهای پروسکایت و پرتوهای نور را نیز می توان با تغییر دقیق خواص شیمیایی آنها یا با وارد کردن مقادیر کمی از اتم های ناخالص تنظیم کرد. محققان NUS کریستال‌های پروسکایت را روی یک لایه لایه نازک شفاف طرح‌ریزی کرده‌اند و آن‌ها را در یک دستگاه رنگی متصل به شارژ (CCD) ادغام کرده‌اند که سیگنال‌های نور ورودی را به یک خروجی با کد رنگی تبدیل می‌کند. این سیستم مبدل کریستالی شامل یک واحد عملکردی اصلی از حسگر میدان نور است. هنگامی که نور فرودی به سنسور برخورد می کند، نانوکریستال ها برانگیخته می شوند. به نوبه خود، واحدهای پروسکایت، بسته به زاویه برخورد پرتوهای نور ورودی، نور خود را در رنگ‌های متفاوت ساطع می‌کنند. CCD رنگ ساطع شده را می گیرد و سپس می تواند برای بازسازی تصویر سه بعدی استفاده شود. دکتر یی لوئینگ، پژوهشگر دپارتمان شیمی NUS و نویسنده اول مقاله، «اما یک مقدار زاویه برای تعیین موقعیت مطلق جسم در یک فضای سه بعدی کافی نیست». ما متوجه شدیم که افزودن یک واحد مبدل کریستالی دیگر عمود بر اولین آشکارساز و ترکیب آن با یک سیستم نوری طراحی شده می‌تواند اطلاعات فضایی بیشتری را در مورد شی مورد نظر ارائه دهد. آن‌ها سپس حسگر میدان نور خود را در آزمایش‌های اثبات مفهوم آزمایش کردند و دریافتند که رویکرد آنها واقعاً می‌تواند تصاویر سه‌بعدی - با بازسازی دقیق عمق و ابعاد - از اجسامی که در فاصله 3 متری قرار گرفته‌اند، ثبت کند. آزمایش‌های آن‌ها همچنین ظرفیت حسگر میدان نور جدید را برای حل جزئیات حتی بسیار دقیق نشان داد. به عنوان مثال، تصویر دقیقی از صفحه کلید کامپیوتر ایجاد شد که حتی برجستگی های کم عمق کلیدهای جداگانه را نیز ثبت می کرد. شکلی که طراحی (چپ) و خروجی (راست) حسگر میدان نور سه بعدی را نشان می دهد شکلی که طراحی (چپ) و خروجی (راست) حسگر میدان نور سه بعدی را نشان می دهد. دستگاه طراحی شده (سمت چپ) میدان نور را به عنوان خروجی رنگ کدگذاری می کند. آرایه‌های نانوکریستال پروسکایت طرح‌دار، جهت‌های مختلف نور را به رنگ‌های مختلف تبدیل می‌کنند که می‌تواند توسط دوربین دستگاه همراه با شارژ رنگی شناسایی شود. تصویر سمت راست یک تصویر عمق سه بعدی بازسازی شده از مدل Merlion را نشان می دهد که توسط دوربین تولید شده است. (تصویر: Yi Luying)

تحقیق آینده

پروفسور لیو و تیمش به دنبال روش هایی برای بهبود دقت فضایی و وضوح حسگر میدان نوری خود هستند، مانند استفاده از آشکارسازهای رنگی بالاتر. این تیم همچنین برای ثبت اختراع بین المللی برای این فناوری درخواست داده است. ما همچنین فن‌آوری‌های پیشرفته‌تری را برای الگوبرداری از کریستال‌های پروسکایت با متراکم‌تر روی بستر شفاف بررسی خواهیم کرد، که می‌تواند به وضوح فضایی بهتر منجر شود. پروفسور لیو گفت: استفاده از موادی غیر از پروسکایت ممکن است طیف تشخیص حسگر میدان نور را افزایش دهد.

تمبر زمان:

بیشتر از نانورک