科学家开发出一种用于 3D 场景构建的新型光场传感器，具有前所未有的角分辨率

11年2023月XNUMX日（Nanowerk新闻）新加坡国立大学（NUS）理学院化学系刘晓刚教授领导的研究团队开发出一种3D成像传感器，具有极高的角分辨率，达到光学仪器的能力区分物体上相距 0.0018o 的小角距离的点。 这种创新传感器采用独特的角度到颜色转换原理，使其能够检测从 X 射线到可见光谱的 3D 光场。 光场包含光线的强度和方向的组合，人眼可以对其进行处理以精确地检测物体之间的空间关系。 然而，传统的光传感技术效果较差。 例如，大多数相机只能产生二维图像，这足以满足常规摄影的需要，但不足以满足更高级的应用，包括虚拟现实、自动驾驶汽车和生物成像。 这些应用需要特定空间的精确 3D 场景构建。 例如，自动驾驶汽车可以使用光场感应来观察街道并更准确地评估道路危险，从而相应地调整车速。 光场传感还可以使外科医生能够在不同深度准确地对患者的解剖结构进行成像，从而使他们能够做出更精确的切口并更好地评估患者受伤的风险。 “目前，光场探测器使用透镜或光子晶体阵列从多个不同角度获取同一空间的多个图像。 然而，将这些元素集成到半导体中以供实际使用是复杂且成本高昂的，”刘教授解释道。 “传统技术只能检测紫外到可见光波长范围内的光场，导致 X 射线传感的适用性有限。” 此外，与微透镜阵列等其他光场传感器相比，新加坡国立大学团队的光场传感器具有超过80度的更大角度测量范围、高角度分辨率（对于较小的传感器来说可能小于0.015度）以及0.002 nm 至 550 nm 之间更宽的光谱响应范围。 这些规格使新型传感器能够以更高的深度分辨率捕获 3D 图像。 大型角度传感结构，包含纳米晶体磷光体，这是传感器的关键部件，在紫外光照射下。 产生红光、绿光和蓝光的三种发光磷光体排列成一定的图案，以捕获详细的角度信息，然后将其用于 3D 图像构建。 该团队也在研究使用其他材料来建造结构。 （图片来源：NUS）这一突破发表在该杂志上 自然 (“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”).

钙钛矿纳米晶体使之成为可能

新型光场传感器的核心是无机物 钙钛矿纳米晶 – 具有优异光电特性的化合物。 由于其可控的纳米结构，钙钛矿纳米晶体是高效的光发射体，其激发光谱涵盖 X 射线到可见光。 钙钛矿纳米晶体与光线之间的相互作用也可以通过仔细改变其化学性质或引入少量杂质原子来调节。 新加坡国立大学研究人员将钙钛矿晶体图案化到透明薄膜基板上，并将其集成到彩色电荷耦合器件（CCD）中，该器件将传入的光信号转换为颜色编码的输出。 该晶体转换器系统包括光场传感器的基本功能单元。 当入射光照射到传感器时，纳米晶体就会被激发。 反过来，钙钛矿单元会根据入射光线照射的角度发出不同颜色的光。 CCD 捕获发射的颜色，然后可用于 3D 图像重建。 “然而，单个角度值不足以确定物体在三维空间中的绝对位置，”新加坡国立大学化学系研究员、该论文的第一作者易露英博士分享道。 “我们发现，添加另一个垂直于第一个探测器的基本晶体转换器单元并将其与设计的光学系统相结合可以提供有关所讨论物体的更多空间信息。” 然后，他们在概念验证实验中测试了光场传感器，发现他们的方法确实可以捕获 3 米外物体的 1.5D 图像，并精确重建深度和尺寸。 他们的实验还证明了新型光场传感器能够解析非常精细的细节。 例如，创建了计算机键盘的精确图像，甚至捕获了各个按键的浅突起。 该图显示了 3D 光场传感器的设计（左）和输出（右）。 设计的设备（左）将光场编码为颜色输出。 图案化的钙钛矿纳米晶体阵列将不同方向的光转换成不同的颜色，可以通过彩色电荷耦合器件相机检测到。 右图显示了相机生成的鱼尾狮模型的重建 3D 深度图像。 （图片来源：易露英）

未来的研究

刘教授和他的团队正在研究提高光场传感器空间精度和分辨率的方法，例如使用更高端的颜色探测器。 该团队还为该技术申请了国际专利。 “我们还将探索更先进的技术，将钙钛矿晶体更密集地图案化到透明基板上，这可能会带来更好的空间分辨率。 使用钙钛矿以外的材料也可以扩大光场传感器的检测光谱。”刘教授说。

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• Sumber: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=62975.php