Cientistas desenvolvem um novo sensor de campo de luz para construção de cena 3D com resolução angular sem precedentes

Cientistas desenvolvem um novo sensor de campo de luz para construção de cena 3D com resolução angular sem precedentes

Carimbo de data / hora: 11 de maio de 2023 8:18
Nó Fonte: 2651600
11 de maio de 2023 (Notícias do Nanowerk) Uma equipe de pesquisa da Faculdade de Ciências da Universidade Nacional de Cingapura (NUS), liderada pelo professor Liu Xiaogang do Departamento de Química, desenvolveu um sensor de imagem 3D que possui uma resolução angular extremamente alta, que é a capacidade de um instrumento óptico distinguir pontos de um objeto separados por uma pequena distância angular, de 0.0018o. Este sensor inovador opera com um princípio exclusivo de conversão de ângulo para cor, permitindo detectar campos de luz 3D através do espectro de raios X para luz visível. Um campo de luz abrange a intensidade e a direção combinadas dos raios de luz, que os olhos humanos podem processar para detectar com precisão a relação espacial entre os objetos. As tecnologias tradicionais de detecção de luz, no entanto, são menos eficazes. A maioria das câmeras, por exemplo, só consegue produzir imagens bidimensionais, o que é adequado para a fotografia normal, mas insuficiente para aplicações mais avançadas, incluindo realidade virtual, carros autônomos e imagens biológicas. Essas aplicações exigem a construção precisa de cenas 3D de um espaço específico. Por exemplo, os carros autónomos poderiam utilizar a detecção de campo luminoso para ver as ruas e avaliar com mais precisão os perigos da estrada, de modo a ajustar a sua velocidade em conformidade. A detecção de campo de luz também pode permitir que os cirurgiões obtenham imagens precisas da anatomia de um paciente em profundidades variadas, permitindo-lhes fazer incisões mais precisas e avaliar melhor o risco de lesão do paciente. “Atualmente, os detectores de campo de luz usam um conjunto de lentes ou cristais fotônicos para obter múltiplas imagens do mesmo espaço de muitos ângulos diferentes. No entanto, a integração destes elementos em semicondutores para uso prático é complicada e dispendiosa”, explicou o Prof Liu. “As tecnologias convencionais podem detectar campos de luz apenas na faixa de comprimento de onda do ultravioleta ao visível, levando a uma aplicabilidade limitada na detecção de raios X.” Além disso, em comparação com outros sensores de campo de luz, como matrizes de microlentes, o sensor de campo de luz da equipe NUS tem uma faixa de medição angular maior, de mais de 80 graus, alta resolução angular que pode ser potencialmente inferior a 0.015 graus para sensores menores, e um faixa de resposta espectral mais ampla entre 0.002 nm e 550 nm. Essas especificações tornam o novo sensor capaz de capturar imagens 3D com maior resolução de profundidade. Uma estrutura de detecção de ângulo em grande escala compreendendo fósforos nanocristais, um componente chave do sensor, iluminado sob luz ultravioleta Uma estrutura de detecção de ângulo em grande escala compreendendo fósforos nanocristais, um componente chave do sensor, iluminado sob luz ultravioleta. Três fósforos emissores de luz que produzem luz vermelha, verde e azul são dispostos em um padrão para capturar informações angulares detalhadas que são então usadas para a construção de imagens 3D. A equipe também está pensando em usar outros materiais para a estrutura. (Imagem: NUS) A descoberta foi publicada na revista Natureza (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Tornado possível por nanocristais de perovskita

No centro do novo sensor de campo de luz estão nanocristais de perovskita – compostos que possuem excelentes propriedades optoeletrônicas. Devido às suas nanoestruturas controláveis, os nanocristais de perovskita são emissores de luz eficientes, com um espectro de excitação que abrange raios X até luz visível. As interações entre os nanocristais de perovskita e os raios de luz também podem ser ajustadas alterando cuidadosamente suas propriedades químicas ou introduzindo pequenas quantidades de átomos de impureza. Os pesquisadores da NUS modelaram cristais de perovskita em um substrato transparente de película fina e os integraram em um dispositivo colorido de carga acoplada (CCD), que converte os sinais de luz recebidos em uma saída codificada por cores. Este sistema conversor de cristal compreende uma unidade funcional básica do sensor de campo luminoso. Quando a luz incidente atinge o sensor, os nanocristais ficam excitados. Por sua vez, as unidades de perovskita emitem sua própria luz em cores variadas, dependendo do ângulo em que o raio de luz incidente incide. O CCD captura a cor emitida, que pode então ser usada para reconstrução de imagem 3D. “Um único valor de ângulo, no entanto, não é suficiente para determinar a posição absoluta do objeto em um espaço tridimensional”, compartilhado pelo Dr. Yi Luying, pesquisador do Departamento de Química da NUS e primeiro autor do artigo. “Descobrimos que adicionar outra unidade conversora de cristal básica perpendicular ao primeiro detector e combiná-la com um sistema óptico projetado poderia fornecer ainda mais informações espaciais sobre o objeto em questão.” Eles então testaram seu sensor de campo de luz em experimentos de prova de conceito e descobriram que sua abordagem pode de fato capturar imagens 3D – com reconstruções precisas de profundidade e dimensão – de objetos colocados a 1.5 metros de distância. Seus experimentos também demonstraram a capacidade do novo sensor de campo de luz de resolver até mesmo detalhes muito sutis. Por exemplo, foi criada uma imagem precisa de um teclado de computador que capturou até mesmo as saliências rasas de teclas individuais. Figura mostrando o design (esquerda) e a saída (direita) do sensor de campo de luz 3D Figura mostrando o design (esquerda) e a saída (direita) do sensor de campo de luz 3D. O dispositivo projetado (esquerda) codifica o campo de luz como saída colorida. Matrizes padronizadas de nanocristais de perovskita convertem diferentes direções de luz em cores diferentes, que podem ser detectadas por uma câmera colorida de dispositivo de carga acoplada. A imagem da direita mostra uma imagem de profundidade 3D reconstruída de um modelo Merlion produzido pela câmera. (Imagem: Yi Luying)

Pesquisas futuras

O professor Liu e sua equipe estão pesquisando métodos para melhorar a precisão espacial e a resolução de seu sensor de campo de luz, como o uso de detectores de cores de última geração. A equipe também solicitou uma patente internacional para a tecnologia. “Também exploraremos tecnologias mais avançadas para padronizar cristais de perovskita de forma mais densa no substrato transparente, o que poderia levar a uma melhor resolução espacial. O uso de outros materiais além da perovskita também pode expandir o espectro de detecção do sensor de campo de luz”, disse o professor Liu.

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