Tutkijat kehittävät uuden valokenttäanturin 3D-näkymän rakentamiseen ennennäkemättömällä kulmaresoluutiolla

11. toukokuuta 2023 (Nanowerk-uutiset) Singaporen kansallisen yliopiston (NUS) luonnontieteiden tiedekunnan tutkimusryhmä, jota johtaa professori Liu Xiaogang kemian laitokselta, on kehittänyt 3D-kuvaanturin, jolla on erittäin korkea kulmaresoluutio, joka vastaa optisen instrumentin kapasiteettia. erottaa esineen pisteitä, jotka on erotettu pienellä kulmaetäisyydellä, 0.0018o. Tämä innovatiivinen anturi toimii ainutlaatuisella kulmasta väriksi -muunnosperiaatteella, mikä mahdollistaa 3D-valokenttien havaitsemisen röntgensäteen ja näkyvän valon spektrin poikki. Valokenttä käsittää valonsäteiden yhdistetyn voimakkuuden ja suunnan, joita ihmissilmä pystyy käsittelemään ja havaitsemaan tarkasti kohteiden välisen spatiaalisen suhteen. Perinteiset valontunnistustekniikat ovat kuitenkin vähemmän tehokkaita. Useimmat kamerat voivat esimerkiksi tuottaa vain kaksiulotteisia kuvia, mikä riittää tavalliseen valokuvaukseen, mutta ei riitä edistyneempiin sovelluksiin, kuten virtuaalitodellisuuteen, itseajaviin autoihin ja biologiseen kuvantamiseen. Nämä sovellukset vaativat tietyn tilan tarkan 3D-näkymän rakentamisen. Esimerkiksi itseohjautuvat autot voisivat käyttää valokenttätunnistinta katujen tarkastelemiseen ja tien vaarojen tarkempaan arvioimiseen nopeuden säätämiseksi vastaavasti. Valokenttätunnistuksen avulla kirurgit voivat myös kuvata tarkasti potilaan anatomian eri syvyyksillä, jolloin he voivat tehdä tarkempia viiltoja ja arvioida paremmin potilaan loukkaantumisriskiä. "Tällä hetkellä valokentän ilmaisimet käyttävät erilaisia ​​linssejä tai fotonikiteitä saadakseen useita kuvia samasta tilasta useista eri kulmista. Näiden elementtien integroiminen puolijohteisiin käytännön käyttöä varten on kuitenkin monimutkaista ja kallista”, professori Liu selittää. "Perinteiset tekniikat pystyvät havaitsemaan valokenttiä vain ultravioletti-näkyvän valon aallonpituusalueella, mikä johtaa rajoitettuun soveltuvuuteen röntgenanturissa." Lisäksi verrattuna muihin valokenttäantureihin, kuten mikrolinssiryhmiin, NUS-tiimin valokenttäsensorilla on suurempi kulmamittausalue, yli 80 astetta, korkea kulmaresoluutio, joka voi mahdollisesti olla alle 0.015 astetta pienemmillä antureilla, ja laajempi spektrivastealue välillä 0.002 nm - 550 nm. Näiden teknisten tietojen ansiosta uusi anturi pystyy ottamaan 3D-kuvia suuremmalla syvyystarkkuudella. Laajan mittakaavan kulma-anturirakenne, joka sisältää nanokiteisiä fosforeja, jotka ovat anturin avainkomponentti ja jotka valaistaan ​​ultraviolettivalossa. Kolme valoa emittoivaa fosforia, jotka tuottavat punaista, vihreää ja sinistä valoa, on järjestetty kuvioon kaappaamaan yksityiskohtaisia ​​kulmatietoja, joita sitten käytetään 3D-kuvan rakentamiseen. Tiimi harkitsee myös muiden materiaalien käyttöä rakenteeseen. (Kuva: NUS) Läpimurto julkaistiin lehdessä luonto (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Mahdollista perovskiitin nanokiteiden ansiosta

Uuden valokenttäanturin ytimessä ovat epäorgaaniset perovskiitin nanokiteet – yhdisteet, joilla on erinomaiset optoelektroniset ominaisuudet. Ohjattavien nanorakenteidensa ansiosta perovskiitin nanokiteet ovat tehokkaita valon säteilijöitä, joiden viritysspektri kattaa röntgensäteet näkyvään valoon. Perovskiitin nanokiteiden ja valonsäteiden välisiä vuorovaikutuksia voidaan myös virittää muuttamalla niiden kemiallisia ominaisuuksia huolellisesti tai lisäämällä niihin pieniä määriä epäpuhtausatomeja. NUS-tutkijat ovat kuvioineet perovskiittikiteitä läpinäkyvälle ohutkalvosubstraatille ja integroineet ne värivarauskytkettyyn laitteeseen (CCD), joka muuntaa saapuvat valosignaalit värikoodatuksi ulostuloksi. Tämä kristallimuunninjärjestelmä koostuu valokenttäanturin perustoiminnallisesta yksiköstä. Kun tuleva valo osuu anturiin, nanokiteet kiihtyvät. Perovskiittiyksiköt puolestaan ​​lähettävät omaa valoaan eri väreissä riippuen siitä, mihin kulmaan tuleva valonsäde osuu. CCD kaappaa säteilevän värin, jota voidaan sitten käyttää 3D-kuvan rekonstruoimiseen. "Yksi kulma-arvo ei kuitenkaan riitä määrittämään kohteen absoluuttista sijaintia kolmiulotteisessa avaruudessa", tohtori Yi Luying, tutkija NUS:n kemian laitokselta ja paperin ensimmäinen kirjoittaja jakaa. "Huomasimme, että toisen peruskidemuunninyksikön lisääminen kohtisuoraan ensimmäiseen ilmaisimeen ja sen yhdistäminen suunniteltuun optiseen järjestelmään voisi tarjota vielä enemmän tilatietoa kyseisestä kohteesta." Sitten he testasivat valokenttäsensoriaan konseptikokeissa ja havaitsivat, että heidän lähestymistapansa voi todellakin kaapata 3D-kuvia – tarkoilla syvyyden ja mittasuhteiden rekonstruktioilla – kohteista, jotka on sijoitettu 1.5 metrin päähän. Heidän kokeensa osoittivat myös uuden valokenttäanturin kyvyn selvittää jopa erittäin pieniä yksityiskohtia. Esimerkiksi tietokoneen näppäimistöstä luotiin tarkka kuva, joka tallensi jopa yksittäisten näppäinten matalat ulkonemat. Kuvassa 3D-valokenttäanturin rakenne (vasemmalla) ja lähtö (oikealla). Suunniteltu laite (vasemmalla) koodaa valokentän väritulostukseksi. Kuvioidut perovskiitin nanokiteet muuttavat valon eri suunnat eri väreiksi, jotka voidaan havaita värivarauskytketyllä laitekameralla. Oikeassa kuvassa on rekonstruoitu 3D-syvyyskuva kameran tuottamasta Merlion-mallista. (Kuva: Yi Luying)

Tulevaisuuden tutkimus

Professori Liu ja hänen tiiminsä tutkivat menetelmiä parantaakseen valokenttäanturin spatiaalista tarkkuutta ja resoluutiota, kuten käyttämällä korkealaatuisia väriilmaisimia. Tiimi on myös hakenut teknologialle kansainvälistä patenttia. "Tutkimme myös kehittyneempiä tekniikoita kuvioimaan perovskiittikiteitä tiheämmin läpinäkyvälle alustalle, mikä voisi johtaa parempaan avaruudelliseen resoluutioon. Muiden materiaalien kuin perovskiitin käyttö voi myös laajentaa valokenttäanturin havaintospektriä", sanoi professori Liu.

• SEO-pohjainen sisällön ja PR-jakelu. Vahvista jo tänään.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Tietoa laajennettu. Pääsy tästä.
• Tulevaisuuden lyöminen Adryenn Ashley. Pääsy tästä.
• Osta ja myy osakkeita PRE-IPO-yhtiöissä PREIPO®:lla. Pääsy tästä.
• Lähde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62975.php