Вчені розробили новий датчик світлового поля для побудови 3D-сцени з безпрецедентною кутовою роздільною здатністю

11 травня 2023 (Новини Nanowerk) Дослідницька група факультету природничих наук Національного університету Сінгапуру (NUS) на чолі з професором Лю Сяоганом з кафедри хімії розробила датчик 3D-зображення, який має надзвичайно високу кутову роздільну здатність, яка є потужністю оптичного приладу. розрізняти точки об’єкта, віддалені невеликою кутовою відстанню 0.0018o. Цей інноваційний датчик працює на основі унікального принципу перетворення кута на колір, що дозволяє йому виявляти тривимірні світлові поля по всьому спектру рентгенівського у видиме світло. Світлове поле охоплює сукупну інтенсивність і напрямок світлових променів, які людське око може обробити для точного визначення просторового співвідношення між об’єктами. Однак традиційні світлочутливі технології менш ефективні. Більшість камер, наприклад, можуть створювати лише двовимірні зображення, що достатньо для звичайної фотографії, але недостатньо для більш просунутих програм, включаючи віртуальну реальність, безпілотні автомобілі та біологічні зображення. Ці програми вимагають точної побудови тривимірної сцени конкретного простору. Наприклад, безпілотні автомобілі можуть використовувати зондування світлового поля, щоб переглядати вулиці та точніше оцінювати небезпеки на дорозі, щоб відповідно регулювати свою швидкість. Зондування світлового поля також може дозволити хірургам точно відобразити анатомію пацієнта на різній глибині, дозволяючи їм робити більш точні розрізи та краще оцінювати ризик травми пацієнта. «Наразі детектори світлового поля використовують масив лінз або фотонних кристалів для отримання кількох зображень одного простору під різними кутами. Однак інтеграція цих елементів у напівпровідники для практичного використання є складною та дорогою», — пояснив професор Лю. «Звичайні технології можуть виявляти світлові поля лише в діапазоні довжин хвиль від ультрафіолетового до видимого світла, що призводить до обмеженої застосовності в рентгенівському зондуванні». Крім того, порівняно з іншими датчиками світлового поля, такими як масиви мікролінз, датчик світлового поля команди NUS має більший кутовий діапазон вимірювання понад 3 градусів, високу кутову роздільну здатність, яка потенційно може становити менше 3 градусів для менших датчиків, і більш широкий спектральний діапазон відгуку від 80 нм до 0.015 нм. Завдяки цим специфікаціям новий датчик може знімати 0.002D-зображення з більшою роздільною здатністю. Великомасштабна структура кутового сприйняття, що містить нанокристалічний фосфор, ключовий компонент датчика, освітлений ультрафіолетовим світлом. Три світловипромінювальні люмінофори, які випромінюють червоне, зелене та синє світло, розташовані у вигляді шаблону для отримання детальної кутової інформації, яка потім використовується для побудови 3D-зображення. Команда також розглядає можливість використання інших матеріалів для конструкції. (Зображення: NUS) Прорив було опубліковано в журналі природа (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Це стало можливим завдяки нанокристалам перовскіту

В основі нового датчика світлового поля лежить неорганічний матеріал нанокристали перовскіту – сполуки, які мають відмінні оптоелектронні властивості. Завдяки своїм керованим наноструктурам нанокристали перовскіту є ефективними випромінювачами світла зі спектром збудження, який охоплює рентгенівські промені до видимого світла. Взаємодії між нанокристалами перовскіту та світловими променями також можна налаштувати, ретельно змінюючи їхні хімічні властивості або вводячи невелику кількість атомів домішок. Дослідники NUS нанесли кристали перовскіту на прозору тонкоплівкову підкладку та інтегрували їх у кольоровий пристрій із зарядовим зв’язком (ПЗЗ), який перетворює вхідні світлові сигнали в вихідні сигнали з кольоровим кодуванням. Ця кристалоконверторна система містить базовий функціональний блок датчика світлового поля. Коли падаюче світло потрапляє на датчик, нанокристали збуджуються. У свою чергу, елементи перовскіту випромінюють власне світло різних кольорів залежно від кута, під яким падає вхідний світловий промінь. CCD фіксує випромінюваний колір, який потім можна використовувати для реконструкції 3D-зображення. «Однак одного значення кута недостатньо, щоб визначити абсолютну позицію об’єкта в тривимірному просторі», – поділився д-р І Луїн, науковий співробітник кафедри хімії NUS і перший автор статті. «Ми виявили, що додавання ще одного основного блоку кристалічного перетворювача перпендикулярно до першого детектора та поєднання його з розробленою оптичною системою може надати ще більше просторової інформації щодо об’єкта, про який йде мова». Потім вони перевірили свій датчик світлового поля в експериментах з підтвердження концепції та виявили, що їхній підхід справді може створювати 3D-зображення — з точною реконструкцією глибини та розмірів — об’єктів, розташованих на відстані 1.5 метра. Їхні експерименти також продемонстрували здатність нового датчика світлового поля розрізняти навіть дуже дрібні деталі. Наприклад, було створено точне зображення клавіатури комп’ютера, яке зафіксувало навіть неглибокі виступи окремих клавіш. На рисунку показано конструкцію (ліворуч) і вихід (праворуч) тривимірного датчика світлового поля. Розроблений пристрій (ліворуч) кодує світлове поле як вихідний колір. Масиви нанокристалів перовскіту з малюнком перетворюють різні напрямки світла на різні кольори, які можна виявити кольоровою камерою пристрою із зарядовим зв’язком. На правому зображенні показано реконструйоване 3D-зображення глибини моделі Merlion, створене камерою. (Зображення: Yi Luying)

Майбутні дослідження

Професор Лю та його команда шукають методи покращення просторової точності та роздільної здатності свого датчика світлового поля, наприклад, використання високоякісних детекторів кольорів. Команда також подала заявку на отримання міжнародного патенту на технологію. «Ми також досліджуватимемо більш передові технології для більш щільного нанесення кристалів перовскіту на прозору підкладку, що може призвести до кращої просторової роздільної здатності. Використання інших матеріалів, крім перовскіту, також може розширити спектр виявлення датчика світлового поля», — сказав професор Лю.

• Розповсюдження контенту та PR на основі SEO. Отримайте посилення сьогодні.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Розширення знань. Доступ тут.
• Карбування майбутнього з Адріенн Ешлі. Доступ тут.
• Купуйте та продавайте акції компаній, які вийшли на IPO, за допомогою PREIPO®. Доступ тут.
• джерело: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62975.php