Ученые разрабатывают новый датчик светового поля для построения трехмерных сцен с беспрецедентным угловым разрешением

11 мая 2023 г.Новости Наноуэрк) Исследовательская группа факультета естественных наук Национального университета Сингапура (NUS) под руководством профессора Лю Сяогана с химического факультета разработала датчик 3D-изображения, который имеет чрезвычайно высокое угловое разрешение, которое соответствует возможностям оптического прибора. различать точки предмета, разделенные небольшим угловым расстоянием, равным 0.0018о. Этот инновационный датчик работает по уникальному принципу преобразования угла в цвет, что позволяет ему обнаруживать трехмерные световые поля в спектре рентгеновского и видимого света. Световое поле включает в себя совокупную интенсивность и направление световых лучей, которые человеческие глаза могут обрабатывать, чтобы точно определить пространственные отношения между объектами. Однако традиционные светочувствительные технологии менее эффективны. Большинство камер, например, могут создавать только двумерные изображения, чего достаточно для обычной фотографии, но недостаточно для более продвинутых приложений, включая виртуальную реальность, беспилотные автомобили и биологические изображения. Эти приложения требуют точного построения 3D-сцен конкретного пространства. Например, беспилотные автомобили могут использовать датчики светового поля для наблюдения за улицами и более точной оценки дорожных опасностей, чтобы соответствующим образом регулировать свою скорость. Датчик светового поля также может позволить хирургам точно отображать анатомию пациента на различной глубине, что позволит им делать более точные разрезы и лучше оценивать риск получения травмы у пациента. «В настоящее время детекторы светового поля используют массив линз или фотонных кристаллов для получения нескольких изображений одного и того же пространства под разными углами. Однако интеграция этих элементов в полупроводники для практического использования сложна и дорогостояща», — пояснил профессор Лю. «Обычные технологии могут обнаруживать световые поля только в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до видимого света, что ограничивает их применимость в рентгеновском зондировании». Кроме того, по сравнению с другими датчиками светового поля, такими как массивы микролинз, датчик светового поля команды NUS имеет больший диапазон угловых измерений — более 3 градусов, высокое угловое разрешение, которое потенциально может составлять менее 80 градусов для датчиков меньшего размера, и более широкий спектральный диапазон отклика от 0.015 нм до 0.002 нм. Эти характеристики позволяют новому датчику захватывать 550D-изображения с более высоким разрешением глубины. Крупномасштабная структура, чувствительная к углу, содержащая нанокристаллический люминофор, ключевой компонент датчика, освещаемый ультрафиолетовым светом. Три светоизлучающих люминофора, излучающих красный, зеленый и синий свет, расположены в определенном порядке для захвата подробной угловой информации, которая затем используется для построения трехмерного изображения. Команда также рассматривает возможность использования других материалов для конструкции. (Изображение: NUS) Прорыв был опубликован в журнале природа (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Это стало возможным благодаря нанокристаллам перовскита

В основе нового датчика светового поля лежат неорганические вещества. нанокристаллы перовскита – соединения, обладающие превосходными оптоэлектронными свойствами. Благодаря своей контролируемой наноструктуре нанокристаллы перовскита являются эффективными излучателями света со спектром возбуждения, охватывающим рентгеновские лучи и видимый свет. Взаимодействие между нанокристаллами перовскита и световыми лучами также можно регулировать, тщательно изменяя их химические свойства или вводя небольшое количество атомов примеси. Исследователи NUS нанесли узор на кристаллы перовскита на прозрачную тонкопленочную подложку и интегрировали их в цветное устройство с зарядовой связью (CCD), которое преобразует входящие световые сигналы в выходные данные с цветовой кодировкой. Эта система кристалл-преобразователя представляет собой базовый функциональный блок датчика светового поля. Когда падающий свет попадает на датчик, нанокристаллы возбуждаются. В свою очередь, перовскитные единицы излучают собственный свет разных цветов в зависимости от угла, под которым падает падающий световой луч. ПЗС-матрица улавливает излучаемый цвет, который затем можно использовать для реконструкции трехмерного изображения. «Однако одного значения угла недостаточно для определения абсолютного положения объекта в трехмерном пространстве», — поделился доктор Йи Луин, научный сотрудник химического факультета НУС и первый автор статьи. «Мы обнаружили, что добавление еще одного базового кристаллического преобразователя перпендикулярно первому детектору и объединение его с разработанной оптической системой может предоставить еще больше пространственной информации о рассматриваемом объекте». Затем они протестировали свой датчик светового поля в экспериментах, подтверждающих концепцию, и обнаружили, что их подход действительно может захватывать 3D-изображения — с точной реконструкцией глубины и размеров — объектов, расположенных на расстоянии 3 метра. Их эксперименты также продемонстрировали способность нового датчика светового поля разрешать даже очень мелкие детали. Например, было создано точное изображение компьютерной клавиатуры, на котором уловлены даже неглубокие выступы отдельных клавиш. На рисунке показана конструкция (слева) и выходные данные (справа) 3D-датчика светового поля. Спроектированное устройство (слева) кодирует световое поле как цветной выходной сигнал. Узорчатые массивы нанокристаллов перовскита преобразуют разные направления света в разные цвета, которые можно обнаружить с помощью цветной камеры устройства с зарядовой связью. На правом изображении показано реконструированное трехмерное изображение глубины модели Merlion, полученное камерой. (Изображение: И Луин)

Будущие исследования

Профессор Лю и его команда изучают методы повышения пространственной точности и разрешения датчика светового поля, например, использование более совершенных детекторов цвета. Команда также подала заявку на международный патент на эту технологию. «Мы также будем изучать более продвинутые технологии для более плотного нанесения кристаллов перовскита на прозрачную подложку, что может привести к лучшему пространственному разрешению. Использование материалов, отличных от перовскита, также может расширить спектр обнаружения датчика светового поля», — сказал профессор Лю.

• SEO-контент и PR-распределение. Получите усиление сегодня.
• ПлатонАйСтрим. Анализ данных Web3. Расширение знаний. Доступ здесь.
• Чеканка будущего с Эдриенн Эшли. Доступ здесь.
• Покупайте и продавайте акции компаний PREIPO® с помощью PREIPO®. Доступ здесь.
• Источник: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62975.php