Oamenii de știință dezvoltă un nou senzor de câmp luminos pentru construcția scenei 3D cu rezoluție unghiulară fără precedent

11 mai 2023 (Știri Nanowerk) O echipă de cercetare de la Facultatea de Științe a Universității Naționale din Singapore (NUS), condusă de profesorul Liu Xiaogang de la Departamentul de Chimie, a dezvoltat un senzor de imagine 3D care are o rezoluție unghiulară extrem de mare, care este capacitatea unui instrument optic. a distinge puncte ale unui obiect separate printr-o distanta unghiulara mica, de 0.0018o. Acest senzor inovator funcționează pe un principiu unic de conversie unghi-la-culoare, permițându-i să detecteze câmpuri luminoase 3D de-a lungul spectrului de raze X în lumină vizibilă. Un câmp luminos cuprinde intensitatea și direcția combinate a razelor de lumină, pe care ochii umani le pot procesa pentru a detecta cu precizie relația spațială dintre obiecte. Cu toate acestea, tehnologiile tradiționale de detectare a luminii sunt mai puțin eficiente. Majoritatea camerelor, de exemplu, pot produce doar imagini bidimensionale, ceea ce este adecvat pentru fotografia obișnuită, dar insuficient pentru aplicații mai avansate, inclusiv realitatea virtuală, mașinile cu conducere autonomă și imagistica biologică. Aceste aplicații necesită o construcție precisă a scenei 3D a unui anumit spațiu. De exemplu, mașinile cu conducere autonomă ar putea folosi senzorul de câmp luminos pentru a vedea străzile și pentru a evalua mai precis pericolele rutiere, astfel încât să își ajusteze viteza în consecință. Detecția câmpului luminos ar putea permite chirurgilor să imagineze cu exactitate anatomia pacientului la adâncimi diferite, permițându-le să facă incizii mai precise și să evalueze mai bine riscul de rănire al pacientului. „În prezent, detectoarele de câmp luminos folosesc o serie de lentile sau cristale fotonice pentru a obține mai multe imagini ale aceluiași spațiu din mai multe unghiuri diferite. Cu toate acestea, integrarea acestor elemente în semiconductori pentru utilizare practică este complicată și costisitoare”, a explicat prof Liu. „Tehnologiile convenționale pot detecta câmpuri luminoase numai în intervalul de lungimi de undă a luminii ultraviolete până la vizibile, ceea ce duce la o aplicabilitate limitată în detectarea razelor X.” În plus, în comparație cu alți senzori de câmp luminos, cum ar fi matricele de microlens, senzorul de câmp luminos al echipei NUS are un domeniu de măsurare unghiular mai mare de peste 80 de grade, rezoluție unghiulară mare care poate fi mai mică de 0.015 grade pentru senzorii mai mici și o interval de răspuns spectral mai larg, între 0.002 nm și 550 nm. Aceste specificații fac ca noul senzor să poată captura imagini 3D la o rezoluție mai mare de adâncime. O structură de detectare a unghiului la scară largă care cuprinde fospori nanocristali, o componentă cheie a senzorului, iluminată sub lumină ultravioletă. Trei fosfori emițători de lumină care produc lumină roșie, verde și albastră sunt aranjați într-un model pentru a capta informații unghiulare detaliate, care sunt apoi utilizate pentru construcția de imagini 3D. Echipa încearcă să folosească și alte materiale pentru structură. (Imagine: NUS) Descoperirea a fost publicată în jurnal Natură (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Făcut posibil prin nanocristale de perovskit

La baza noului senzor de câmp luminos sunt anorganici nanocristale de perovskit – compuși care au proprietăți optoelectronice excelente. Datorită nanostructurilor lor controlabile, nanocristalele de perovskit sunt emițători de lumină eficienți, cu un spectru de excitație care se întinde pe raze X până la lumina vizibilă. Interacțiunile dintre nanocristalele de perovskit și razele de lumină pot fi, de asemenea, reglate prin modificarea cu atenție a proprietăților lor chimice sau prin introducerea unor cantități mici de atomi de impurități. Cercetătorii NUS au modelat cristale de perovskit pe un substrat transparent cu peliculă subțire și le-au integrat într-un dispozitiv color charge-coupled (CCD), care convertește semnalele luminoase primite într-o ieșire cu coduri de culoare. Acest sistem de conversie de cristal cuprinde o unitate funcțională de bază a senzorului de câmp luminos. Când lumina incidentă lovește senzorul, nanocristalele devin excitate. La rândul lor, unitățile de perovskit emit propria lor lumină în culori diferite, în funcție de unghiul la care intră razele de lumină care intră. CCD captează culoarea emisă, care poate fi apoi folosită pentru reconstrucția imaginii 3D. „O singură valoare a unghiului, totuși, nu este suficientă pentru a determina poziția absolută a obiectului într-un spațiu tridimensional”, a spus dr. Yi Luying, cercetător la Departamentul de Chimie NUS și primul autor al lucrării. „Am descoperit că adăugarea unei alte unități de conversie de cristal de bază perpendiculară pe primul detector și combinarea acesteia cu un sistem optic proiectat ar putea oferi și mai multe informații spațiale cu privire la obiectul în cauză.” Apoi și-au testat senzorul de câmp luminos în experimente de demonstrare a conceptului și au descoperit că abordarea lor poate captura într-adevăr imagini 3D - cu reconstrucții precise ale adâncimii și dimensiunii - ale obiectelor plasate la 1.5 metri distanță. Experimentele lor au demonstrat, de asemenea, capacitatea noului senzor de câmp luminos de a rezolva chiar și detalii foarte fine. De exemplu, a fost creată o imagine precisă a tastaturii unui computer care a capturat chiar și proeminențele superficiale ale tastelor individuale. Figura care arată designul (stânga) și ieșirea (dreapta) senzorului de câmp luminos 3D. Dispozitivul proiectat (stânga) codifică câmpul luminos ca ieșire de culoare. Rețele de nanocristale de perovskit modelate convertesc diferite direcții ale luminii în diferite culori, care pot fi detectate de o cameră color a dispozitivului cuplată la încărcare. Imaginea din dreapta arată o imagine de profunzime 3D reconstruită a unui model Merlion produs de cameră. (Imagine: Yi Luying)

Cercetare viitoare

Profesorul Liu și echipa sa caută metode pentru a îmbunătăți acuratețea spațială și rezoluția senzorului lor de câmp luminos, cum ar fi utilizarea detectoarelor de culoare de ultimă generație. Echipa a solicitat, de asemenea, un brevet internațional pentru această tehnologie. „Vom explora, de asemenea, tehnologii mai avansate pentru modelarea cristalelor de perovskit mai dens pe substratul transparent, ceea ce ar putea duce la o rezoluție spațială mai bună. Utilizarea altor materiale decât perovskitul poate extinde, de asemenea, spectrul de detecție al senzorului de câmp luminos”, a spus profesorul Liu.

• Distribuție de conținut bazat pe SEO și PR. Amplifică-te astăzi.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Cunoștințe amplificate. Accesați Aici.
• Mintând viitorul cu Adryenn Ashley. Accesați Aici.
• Cumpărați și vindeți acțiuni în companii PRE-IPO cu PREIPO®. Accesați Aici.
• Sursa: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62975.php