Gli scienziati sviluppano un nuovo sensore di campo luminoso per la costruzione di scene 3D con una risoluzione angolare senza precedenti

Gli scienziati sviluppano un nuovo sensore di campo luminoso per la costruzione di scene 3D con una risoluzione angolare senza precedenti

Timestamp: 11 maggio 2023 8:18
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11 maggio 2023 (Notizie Nanowerk) Un gruppo di ricerca della Facoltà di Scienze dell'Università Nazionale di Singapore (NUS), guidato dal professor Liu Xiaogang del Dipartimento di Chimica, ha sviluppato un sensore di immagini 3D che ha una risoluzione angolare estremamente elevata, che è la capacità di uno strumento ottico per distinguere i punti di un oggetto separati da una piccola distanza angolare, di 0.0018o. Questo innovativo sensore funziona secondo un esclusivo principio di conversione angolo-colore, che gli consente di rilevare campi luminosi 3D attraverso lo spettro dei raggi X e della luce visibile. Un campo luminoso comprende l'intensità e la direzione combinate dei raggi luminosi, che l'occhio umano può elaborare per rilevare con precisione la relazione spaziale tra gli oggetti. Le tradizionali tecnologie di rilevamento della luce, tuttavia, sono meno efficaci. La maggior parte delle fotocamere, ad esempio, può produrre solo immagini bidimensionali, il che è adeguato per la fotografia normale ma insufficiente per applicazioni più avanzate, tra cui la realtà virtuale, le auto a guida autonoma e l’imaging biologico. Queste applicazioni richiedono la costruzione precisa della scena 3D di uno spazio particolare. Ad esempio, le auto a guida autonoma potrebbero utilizzare il rilevamento del campo luminoso per visualizzare le strade e valutare in modo più accurato i pericoli stradali in modo da regolare di conseguenza la loro velocità. Il rilevamento del campo luminoso potrebbe anche consentire ai chirurghi di ottenere immagini accurate dell'anatomia di un paziente a diverse profondità, consentendo loro di effettuare incisioni più precise e valutare meglio il rischio di lesioni del paziente. “Attualmente, i rilevatori di campo luminoso utilizzano una serie di lenti o cristalli fotonici per ottenere più immagini dello stesso spazio da molte angolazioni diverse. Tuttavia, l’integrazione di questi elementi nei semiconduttori per l’uso pratico è complicata e costosa», ha spiegato il prof. Liu. “Le tecnologie convenzionali possono rilevare campi luminosi solo nella gamma di lunghezze d’onda della luce ultravioletta e visibile, il che porta a un’applicabilità limitata nel rilevamento dei raggi X”. Inoltre, rispetto ad altri sensori di campo luminoso come gli array di microlenti, il sensore di campo luminoso del team NUS ha un campo di misurazione angolare più ampio di oltre 80 gradi, un'elevata risoluzione angolare che può potenzialmente essere inferiore a 0.015 gradi per sensori più piccoli e un intervallo di risposta spettrale più ampio compreso tra 0.002 nm e 550 nm. Queste specifiche rendono il nuovo sensore in grado di catturare immagini 3D con una risoluzione di profondità più elevata. Una struttura con rilevamento angolare su larga scala comprendente fosfori nanocristallini, un componente chiave del sensore, illuminata dalla luce ultravioletta Una struttura con rilevamento angolare su larga scala comprendente fosfori nanocristallini, un componente chiave del sensore, illuminato con luce ultravioletta. Tre fosfori che emettono luce che producono luce rossa, verde e blu sono disposti in uno schema per catturare informazioni angolari dettagliate che vengono poi utilizzate per la costruzione di immagini 3D. Il team sta valutando la possibilità di utilizzare anche altri materiali per la struttura. (Immagine: NUS) La svolta è stata pubblicata sulla rivista Natura (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Reso possibile dai nanocristalli di perovskite

Al centro del nuovo sensore del campo luminoso ci sono elementi inorganici nanocristalli di perovskite – composti che hanno eccellenti proprietà optoelettroniche. Grazie alle loro nanostrutture controllabili, i nanocristalli di perovskite sono efficienti emettitori di luce, con uno spettro di eccitazione che si estende dai raggi X alla luce visibile. Le interazioni tra i nanocristalli di perovskite e i raggi luminosi possono anche essere regolate alterando attentamente le loro proprietà chimiche o introducendo piccole quantità di atomi di impurità. I ricercatori della NUS hanno modellato cristalli di perovskite su un substrato trasparente a pellicola sottile e li hanno integrati in un dispositivo ad accoppiamento di carica colorato (CCD), che converte i segnali luminosi in ingresso in un'uscita codificata a colori. Questo sistema convertitore di cristallo costituisce l'unità funzionale di base del sensore del campo luminoso. Quando la luce incidente colpisce il sensore, i nanocristalli si eccitano. A loro volta, le unità di perovskite emettono la propria luce in vari colori a seconda dell'angolo con cui colpisce il raggio di luce in arrivo. Il CCD cattura il colore emesso, che può poi essere utilizzato per la ricostruzione dell'immagine 3D. "Un singolo valore angolare, tuttavia, non è sufficiente per determinare la posizione assoluta dell'oggetto in uno spazio tridimensionale", ha condiviso il dottor Yi Luying, ricercatore presso il Dipartimento di Chimica della NUS e primo autore dell'articolo. “Abbiamo scoperto che aggiungendo un’altra unità convertitore di cristallo di base perpendicolare al primo rilevatore e combinandola con un sistema ottico progettato potremmo fornire ancora più informazioni spaziali riguardo all’oggetto in questione”. Hanno poi testato il sensore del campo luminoso in esperimenti di prova di concetto e hanno scoperto che il loro approccio può effettivamente catturare immagini 3D – con ricostruzioni accurate di profondità e dimensione – di oggetti posizionati a 1.5 metri di distanza. I loro esperimenti hanno inoltre dimostrato la capacità del nuovo sensore del campo luminoso di risolvere anche i dettagli più fini. Ad esempio, è stata creata un'immagine precisa della tastiera di un computer che ha catturato anche le sporgenze superficiali dei singoli tasti. Figura che mostra il design (a sinistra) e l'output (a destra) del sensore di campo luminoso 3D Figura che mostra il design (a sinistra) e l'output (a destra) del sensore di campo luminoso 3D. Il dispositivo progettato (a sinistra) codifica il campo luminoso come output di colore. Gli array di nanocristalli di perovskite modellati convertono diverse direzioni della luce in diversi colori, che possono essere rilevati da una fotocamera del dispositivo accoppiato a carica a colori. L'immagine a destra mostra un'immagine di profondità 3D ricostruita di un modello Merlion prodotto dalla fotocamera. (Immagine: Yi Luying)

Ricerca futura

Il professor Liu e il suo team stanno esaminando metodi per migliorare la precisione spaziale e la risoluzione del loro sensore di campo luminoso, ad esempio utilizzando rilevatori di colore di fascia alta. Il team ha anche richiesto un brevetto internazionale per la tecnologia. “Esploreremo anche tecnologie più avanzate per modellare i cristalli di perovskite in modo più denso sul substrato trasparente, il che potrebbe portare a una migliore risoluzione spaziale. L’uso di materiali diversi dalla perovskite può anche espandere lo spettro di rilevamento del sensore del campo luminoso”, ha affermato il prof. Liu.

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