Forskere utvikler en ny lysfeltsensor for 3D-scenekonstruksjon med enestående vinkeloppløsning

Forskere utvikler en ny lysfeltsensor for 3D-scenekonstruksjon med enestående vinkeloppløsning

Tidsstempel: 11. mai 2023 8:18
Kilde node: 2651600
11. mai 2023 (Nanowerk Nyheter) Et forskerteam fra National University of Singapore (NUS) fakultet, ledet av professor Liu Xiaogang fra Institutt for kjemi, har utviklet en 3D-bildesensor som har en ekstremt høy vinkeloppløsning, som er kapasiteten til et optisk instrument for å skille punkter på et objekt atskilt med en liten vinkelavstand, på 0.0018o. Denne innovative sensoren opererer på et unikt vinkel-til-farge-konverteringsprinsipp, som lar den oppdage 3D-lysfelt over røntgen til synlig lysspekter. Et lysfelt omfatter den kombinerte intensiteten og retningen til lysstråler, som menneskelige øyne kan behandle for nøyaktig å oppdage det romlige forholdet mellom objekter. Tradisjonelle lyssensorteknologier er imidlertid mindre effektive. De fleste kameraer kan for eksempel bare produsere todimensjonale bilder, noe som er tilstrekkelig for vanlig fotografering, men utilstrekkelig for mer avanserte applikasjoner, inkludert virtuell virkelighet, selvkjørende biler og biologisk bildebehandling. Disse applikasjonene krever nøyaktig 3D-scenekonstruksjon av et bestemt rom. For eksempel kan selvkjørende biler bruke lysfeltføling for å se gater og mer nøyaktig vurdere veifarer for å justere hastigheten deretter. Lysfeltføling kan også gjøre det mulig for kirurger å nøyaktig avbilde en pasients anatomi på forskjellige dybder, slik at de kan gjøre mer presise snitt og bedre vurdere pasientens risiko for skade. "For tiden bruker lysfeltdetektorer en rekke linser eller fotoniske krystaller for å få flere bilder av samme rom fra mange forskjellige vinkler. Imidlertid er det komplisert og kostbart å integrere disse elementene i halvledere for praktisk bruk,” forklarte Prof Liu. "Konvensjonelle teknologier kan oppdage lysfelt bare i bølgelengdeområdet fra ultrafiolett til synlig lys, noe som fører til begrenset anvendelighet i røntgensensor." I tillegg, sammenlignet med andre lysfeltsensorer som mikrolinse-arrays, har NUS-teamets lysfeltsensor et større vinkelmåleområde på mer enn 80 grader, høy vinkeloppløsning som potensielt kan være mindre enn 0.015 grader for mindre sensorer, og en bredere spektralt responsområde på mellom 0.002 nm og 550 nm. Disse spesifikasjonene gjør den nye sensoren i stand til å ta 3D-bilder med høyere dybdeoppløsning. En storskala vinkelfølende struktur som består av nanokrystallfosporer, en nøkkelkomponent i sensoren, opplyst under ultrafiolett lys En storskala vinkelfølende struktur som består av nanokrystallfosporer, en nøkkelkomponent i sensoren, opplyst under ultrafiolett lys. Tre lysemitterende fosfor som produserer rødt, grønt og blått lys er ordnet i et mønster for å fange detaljert vinkelinformasjon som deretter brukes til 3D-bildekonstruksjon. Teamet ser på å bruke andre materialer til strukturen også. (Bilde: NUS) Gjennombruddet ble publisert i tidsskriftet Natur (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Gjort mulig av perovskitt nanokrystaller

I kjernen av den nye lysfeltsensoren er uorganiske perovskitt nanokrystaller – forbindelser som har utmerkede optoelektroniske egenskaper. På grunn av deres kontrollerbare nanostrukturer, er perovskitt nanokrystaller effektive lysutsendere, med et eksitasjonsspektrum som spenner over røntgenstråler til synlig lys. Samspillet mellom perovskitt nanokrystaller og lysstråler kan også justeres ved å nøye endre deres kjemiske egenskaper eller ved å introdusere små mengder urenhetsatomer. NUS-forskere har mønstret perovskittkrystaller på et gjennomsiktig tynnfilmsubstrat og integrert dem i en fargeladningskoblet enhet (CCD), som konverterer innkommende lyssignaler til en fargekodet utgang. Dette krystallomformersystemet består av en grunnleggende funksjonell enhet av lysfeltsensoren. Når innfallende lys treffer sensoren, blir nanokrystallene opphisset. På sin side sender perovskittenhetene ut sitt eget lys i varierende farger avhengig av vinkelen som den innkommende lysstrålen treffer. CCD-en fanger opp fargen som sendes ut, som deretter kan brukes til 3D-bilderekonstruksjon. "En enkelt vinkelverdi er imidlertid ikke nok til å bestemme den absolutte posisjonen til objektet i et tredimensjonalt rom," delt av Dr Yi Luying, stipendiat ved NUS Department of Chemistry og den første forfatteren av artikkelen. "Vi oppdaget at å legge til en annen grunnleggende krystallomformerenhet vinkelrett på den første detektoren og kombinere den med et designet optisk system kunne gi enda mer romlig informasjon om det aktuelle objektet." De testet deretter lysfeltsensoren sin i proof-of-concept-eksperimenter og fant ut at deres tilnærming faktisk kan fange 3D-bilder – med nøyaktige rekonstruksjoner av dybde og dimensjon – av objekter plassert 1.5 meter unna. Eksperimentene deres demonstrerte også kapasiteten til den nye lysfeltsensoren til å løse selv veldig fine detaljer. For eksempel ble det laget et nøyaktig bilde av et datatastatur som til og med fanget de grunne fremspringene til individuelle taster. Figur som viser design (venstre) og utgang (høyre) til 3D-lysfeltsensor Figur som viser design (venstre) og utgang (høyre) til 3D-lysfeltsensor. Den utformede enheten (til venstre) koder lysfeltet som fargeutgang. Mønstrede perovskitt nanokrystaller konverterer forskjellige lysretninger til forskjellige farger, som kan oppdages av et fargeladet enhetskamera. Det høyre bildet viser et rekonstruert 3D-dybdebilde av en Merlion-modell produsert av kameraet. (Bilde: Yi Luying)

Fremtidig forskning

Prof Liu og teamet hans ser på metoder for å forbedre den romlige nøyaktigheten og oppløsningen til lysfeltsensoren deres, for eksempel bruk av avanserte fargedetektorer. Teamet har også søkt om et internasjonalt patent på teknologien. "Vi vil også utforske mer avanserte teknologier for å mønstre perovskittkrystaller tettere på det transparente substratet, noe som kan føre til bedre romlig oppløsning. Bruk av andre materialer enn perovskitt kan også utvide deteksjonsspekteret til lysfeltsensoren, sier professor Liu.

Tidstempel:

Mer fra Nanowerk