Các nhà khoa học phát triển một cảm biến trường ánh sáng mới để dựng cảnh 3D với độ phân giải góc chưa từng có

Ngày 11 tháng 2023 năm XNUMX (Tin tức Nanowerk) Một nhóm nghiên cứu từ Khoa Khoa học của Đại học Quốc gia Singapore (NUS), do Giáo sư Liu Xiaogang từ Khoa Hóa học đứng đầu, đã phát triển một cảm biến hình ảnh 3D có độ phân giải góc cực cao, có khả năng tương đương với một dụng cụ quang học để phân biệt các điểm của vật cách nhau một góc nhỏ là 0.0018o. Cảm biến cải tiến này hoạt động trên nguyên tắc chuyển đổi góc sang màu độc đáo, cho phép cảm biến phát hiện các trường ánh sáng 3D trên phổ tia X đến quang phổ ánh sáng khả kiến. Trường ánh sáng bao gồm cường độ và hướng kết hợp của các tia sáng mà mắt người có thể xử lý để phát hiện chính xác mối quan hệ không gian giữa các vật thể. Tuy nhiên, các công nghệ cảm biến ánh sáng truyền thống kém hiệu quả hơn. Ví dụ, hầu hết các máy ảnh chỉ có thể tạo ra hình ảnh hai chiều, đủ để chụp ảnh thông thường nhưng không đủ cho các ứng dụng nâng cao hơn, bao gồm thực tế ảo, ô tô tự lái và hình ảnh sinh học. Các ứng dụng này yêu cầu xây dựng cảnh 3D chính xác của một không gian cụ thể. Ví dụ, ô tô tự lái có thể sử dụng cảm biến trường ánh sáng để xem đường phố và đánh giá chính xác hơn các mối nguy hiểm trên đường để điều chỉnh tốc độ phù hợp. Cảm biến trường ánh sáng cũng có thể cho phép bác sĩ phẫu thuật hình ảnh chính xác giải phẫu của bệnh nhân ở các độ sâu khác nhau, cho phép họ rạch chính xác hơn và đánh giá tốt hơn nguy cơ chấn thương của bệnh nhân. “Hiện tại, máy dò trường ánh sáng sử dụng một dãy thấu kính hoặc tinh thể quang tử để thu được nhiều hình ảnh của cùng một không gian từ nhiều góc độ khác nhau. Tuy nhiên, việc tích hợp các nguyên tố này vào chất bán dẫn để sử dụng thực tế rất phức tạp và tốn kém,” giáo sư Liu giải thích. “Các công nghệ thông thường chỉ có thể phát hiện các trường ánh sáng trong dải bước sóng từ tia cực tím đến ánh sáng khả kiến, dẫn đến khả năng ứng dụng hạn chế trong cảm biến tia X.” Ngoài ra, so với các cảm biến trường ánh sáng khác như mảng microlens, cảm biến trường ánh sáng của nhóm NUS có phạm vi đo góc lớn hơn 80 độ, độ phân giải góc cao có thể nhỏ hơn 0.015 độ đối với các cảm biến nhỏ hơn và phạm vi đáp ứng phổ rộng hơn trong khoảng từ 0.002 nm đến 550 nm. Các thông số kỹ thuật này giúp cảm biến mới có thể chụp ảnh 3D ở độ phân giải độ sâu cao hơn. Một cấu trúc cảm biến góc quy mô lớn bao gồm các phospor tinh thể nano, một thành phần chính của cảm biến, được chiếu sáng dưới ánh sáng cực tím. Ba chất lân quang phát ra ánh sáng tạo ra ánh sáng đỏ, lục và lam được sắp xếp theo một mẫu để ghi lại thông tin chi tiết về góc, sau đó được sử dụng để xây dựng hình ảnh 3D. Nhóm nghiên cứu cũng đang xem xét sử dụng các vật liệu khác cho cấu trúc. (Ảnh: NUS) Bước đột phá được công bố trên tạp chí Thiên nhiên (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

Được thực hiện bởi các tinh thể nano perovskite

Cốt lõi của cảm biến trường ánh sáng mới là chất vô cơ tinh thể nano perovskite - hợp chất có tính chất quang điện tử tuyệt vời. Do các cấu trúc nano có thể điều khiển được của chúng, các tinh thể nano perovskite là những chất phát sáng hiệu quả, với phổ kích thích kéo dài tia X thành ánh sáng nhìn thấy được. Tương tác giữa các tinh thể nano perovskite và các tia sáng cũng có thể được điều chỉnh bằng cách cẩn thận thay đổi tính chất hóa học của chúng hoặc bằng cách đưa vào một lượng nhỏ nguyên tử tạp chất. Các nhà nghiên cứu của NUS đã tạo khuôn các tinh thể perovskite trên một chất nền màng mỏng trong suốt và tích hợp chúng vào một thiết bị kết hợp điện tích màu (CCD), thiết bị chuyển đổi tín hiệu ánh sáng tới thành đầu ra được mã hóa màu. Hệ thống chuyển đổi tinh thể này bao gồm một đơn vị chức năng cơ bản của cảm biến trường ánh sáng. Khi ánh sáng tới chiếu vào cảm biến, các tinh thể nano sẽ bị kích thích. Đổi lại, các đơn vị perovskite phát ra ánh sáng của riêng chúng với nhiều màu sắc khác nhau tùy thuộc vào góc mà tia sáng chiếu tới. CCD ghi lại màu phát ra, màu này sau đó có thể được sử dụng để tái tạo hình ảnh 3D. “Tuy nhiên, một giá trị góc không đủ để xác định vị trí tuyệt đối của vật thể trong không gian ba chiều,” Tiến sĩ Yi Luying, Nghiên cứu viên tại Khoa Hóa học NUS và là tác giả đầu tiên của bài báo chia sẻ. “Chúng tôi đã phát hiện ra rằng việc thêm một bộ chuyển đổi tinh thể cơ bản khác vuông góc với máy dò đầu tiên và kết hợp nó với một hệ thống quang học được thiết kế có thể cung cấp nhiều thông tin không gian hơn về đối tượng được đề cập.” Sau đó, họ đã thử nghiệm cảm biến trường ánh sáng của mình trong các thí nghiệm chứng minh khái niệm và nhận thấy rằng phương pháp của họ thực sự có thể chụp ảnh 3D — với khả năng tái tạo chính xác độ sâu và kích thước — của các vật thể đặt cách xa 1.5 mét. Các thí nghiệm của họ cũng chứng minh khả năng phân giải các chi tiết rất nhỏ của cảm biến trường ánh sáng mới. Ví dụ: một hình ảnh chính xác về bàn phím máy tính đã được tạo ra thậm chí còn chụp được phần nhô nông của từng phím riêng lẻ. Hình minh họa thiết kế (trái) và đầu ra (phải) của cảm biến trường ánh sáng 3D. Thiết bị được thiết kế (trái) mã hóa trường ánh sáng dưới dạng đầu ra màu. Mảng tinh thể nano perovskite có hoa văn chuyển đổi các hướng ánh sáng khác nhau thành các màu khác nhau, có thể được phát hiện bằng camera của thiết bị kết hợp điện tích màu. Hình ảnh bên phải hiển thị hình ảnh độ sâu 3D được tái tạo của mô hình Merlion do máy ảnh tạo ra. (Ảnh: Yi Luying)

Nghiên cứu trong tương lai

Giáo sư Liu và nhóm của ông đang xem xét các phương pháp để cải thiện độ chính xác không gian và độ phân giải của cảm biến trường ánh sáng, chẳng hạn như sử dụng máy dò màu cao cấp hơn. Nhóm nghiên cứu cũng đã xin cấp bằng sáng chế quốc tế cho công nghệ này. “Chúng tôi cũng sẽ khám phá các công nghệ tiên tiến hơn để tạo hoa văn tinh thể perovskite dày đặc hơn trên chất nền trong suốt, điều này có thể dẫn đến độ phân giải không gian tốt hơn. Giáo sư Liu cho biết việc sử dụng các vật liệu khác ngoài perovskite cũng có thể mở rộng phổ phát hiện của cảm biến trường ánh sáng.

• Phân phối nội dung và PR được hỗ trợ bởi SEO. Được khuếch đại ngay hôm nay.
• PlatoAiStream. Thông minh dữ liệu Web3. Kiến thức khuếch đại. Truy cập Tại đây.
• Đúc kết tương lai với Adryenn Ashley. Truy cập Tại đây.
• Mua và bán cổ phần trong các công ty PRE-IPO với PREIPO®. Truy cập Tại đây.
• nguồn: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62975.php