Forskare utvecklar en ny ljusfältssensor för 3D-scenkonstruktion med oöverträffad vinkelupplösning

Forskare utvecklar en ny ljusfältssensor för 3D-scenkonstruktion med oöverträffad vinkelupplösning

Tidsstämpel: 11 maj 2023 8:18
Källnod: 2651600
11 maj 2023 (Nanowerk Nyheter) Ett forskarlag från National University of Singapore (NUS) naturvetenskapliga fakulteten, ledd av professor Liu Xiaogang från Institutionen för kemi, har utvecklat en 3D-avbildningssensor som har en extremt hög vinkelupplösning, vilket är kapaciteten hos ett optiskt instrument för att särskilja punkter på ett föremål åtskilda av ett litet vinkelavstånd, på 0.0018o. Denna innovativa sensor arbetar på en unik vinkel-till-färg-konverteringsprincip, vilket gör att den kan detektera 3D-ljusfält över röntgen till synligt ljusspektrum. Ett ljusfält omfattar den kombinerade intensiteten och riktningen av ljusstrålar, som de mänskliga ögonen kan bearbeta för att exakt upptäcka det rumsliga förhållandet mellan objekt. Traditionella ljusavkänningstekniker är dock mindre effektiva. De flesta kameror, till exempel, kan bara producera tvådimensionella bilder, vilket är tillräckligt för vanlig fotografering men otillräckligt för mer avancerade applikationer, inklusive virtuell verklighet, självkörande bilar och biologisk avbildning. Dessa applikationer kräver exakt 3D-scenkonstruktion av ett visst utrymme. Till exempel kan självkörande bilar använda ljusfältsavkänning för att se gator och mer exakt bedöma vägfaror för att anpassa deras hastighet därefter. Ljusfältsavkänning kan också göra det möjligt för kirurger att noggrant avbilda en patients anatomi på olika djup, vilket gör att de kan göra mer exakta snitt och bättre bedöma patientens risk för skada. "För närvarande använder ljusfältsdetektorer en rad linser eller fotoniska kristaller för att få flera bilder av samma utrymme från många olika vinklar. Men att integrera dessa element i halvledare för praktisk användning är komplicerat och kostsamt”, förklarade Prof Liu. "Konventionell teknik kan detektera ljusfält endast i våglängdsområdet för ultraviolett till synligt ljus, vilket leder till begränsad tillämpbarhet i röntgenavkänning." Jämfört med andra ljusfältssensorer såsom mikrolinsarrayer, har NUS-teamets ljusfältssensor ett större vinkelmätområde på mer än 80 grader, hög vinkelupplösning som potentiellt kan vara mindre än 0.015 grader för mindre sensorer, och en bredare spektralt svarsområde på mellan 0.002 nm och 550 nm. Dessa specifikationer gör att den nya sensorn kan ta 3D-bilder med högre djupupplösning. En storskalig vinkelavkännande struktur som består av nanokristallfosporer, en nyckelkomponent i sensorn, upplyst under ultraviolett ljus En storskalig vinkelavkännande struktur bestående av nanokristallfosporer, en nyckelkomponent i sensorn, upplyst under ultraviolett ljus. Tre ljusemitterande fosforer som producerar rött, grönt och blått ljus är arrangerade i ett mönster för att fånga detaljerad vinkelinformation som sedan används för 3D-bildkonstruktion. Teamet undersöker också att använda andra material för strukturen. (Bild: NUS) Genombrottet publicerades i tidskriften Natur ("Röntgen-till-synligt ljusfältsdetektering genom pixelerad färgkonvertering").

Möjliggjort av perovskite nanokristaller

Kärnan i den nya ljusfältssensorn är oorganiska perovskit nanokristaller – föreningar som har utmärkta optoelektroniska egenskaper. På grund av sina kontrollerbara nanostrukturer är perovskit-nanokristaller effektiva ljusavsändare, med ett excitationsspektrum som spänner över röntgenstrålar till synligt ljus. Interaktionerna mellan perovskit-nanokristaller och ljusstrålar kan också ställas in genom att noggrant ändra deras kemiska egenskaper eller genom att introducera små mängder föroreningsatomer. NUS-forskare har mönstrat perovskitkristaller på ett transparent tunnfilmssubstrat och integrerat dem i en färgladdningskopplad enhet (CCD), som omvandlar inkommande ljussignaler till en färgkodad utgång. Detta kristallomvandlarsystem består av en grundläggande funktionell enhet av ljusfältssensorn. När infallande ljus träffar sensorn blir nanokristallerna exciterade. I sin tur avger perovskitenheterna sitt eget ljus i varierande färger beroende på i vilken vinkel den inkommande ljusstrålen träffar. CCD:n fångar den emitterade färgen, som sedan kan användas för 3D-bildrekonstruktion. "Ett enda vinkelvärde är dock inte tillräckligt för att bestämma objektets absoluta position i ett tredimensionellt utrymme", delas av Dr Yi Luying, forskare vid NUS Department of Chemistry och den första författaren till artikeln. "Vi upptäckte att att lägga till ytterligare en grundläggande kristallomvandlarenhet vinkelrätt mot den första detektorn och kombinera den med ett designat optiskt system kunde ge ännu mer rumslig information om objektet i fråga." De testade sedan sin ljusfältssensor i proof-of-concept-experiment och fann att deras tillvägagångssätt verkligen kan fånga 3D-bilder - med exakta rekonstruktioner av djup och dimension - av objekt placerade 1.5 meter bort. Deras experiment visade också kapaciteten hos den nya ljusfältssensorn att lösa även mycket fina detaljer. Till exempel skapades en exakt bild av ett datortangentbord som till och med fångade de ytliga utsprången av enskilda tangenter. Bild som visar designen (vänster) och utgången (höger) för 3D-ljusfältssensorn Bild som visar designen (vänster) och utgången (höger) för 3D-ljusfältssensorn. Den designade enheten (vänster) kodar ljusfältet som färgutdata. Mönstrade perovskite nanokristaller omvandlar olika riktningar av ljus till olika färger, som kan detekteras av en färgladdningskopplad enhetskamera. Den högra bilden visar en rekonstruerad 3D-djupbild av en Merlion-modell producerad av kameran. (Bild: Yi Luying)

Framtida forskning

Prof Liu och hans team undersöker metoder för att förbättra den rumsliga noggrannheten och upplösningen för sin ljusfältssensor, till exempel att använda avancerade färgdetektorer. Teamet har även ansökt om ett internationellt patent för tekniken. "Vi kommer också att utforska mer avancerad teknik för att mönstra perovskitkristaller tätare på det transparenta substratet, vilket kan leda till bättre rumslig upplösning. Att använda andra material än perovskit kan också utöka detektionsspektrumet för ljusfältssensorn, säger professor Liu.

Tidsstämpel:

Mer från Nanoverk