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一種由納米晶體磷光體構(gòu)成的大規(guī)模角度傳感結(jié)構(gòu)是該傳感器的關(guān)鍵部件，在紫外光下會(huì)發(fā)光。三種能發(fā)出紅光、綠光和藍(lán)光的發(fā)光磷光體按一定圖案排列，以捕捉詳細(xì)的角度信息，這些信息隨后將用于三維圖像的構(gòu)建。該團(tuán)隊(duì)也在研究為這種結(jié)構(gòu)使用其他材料。 圖片來源：新加坡國立大學(xué)

由新加坡國立大學(xué)（NUS）理學(xué)院化學(xué)系的劉小鋼教授帶領(lǐng)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)，開發(fā)出了一種三維成像傳感器，其具有極高的角分辨率，角分辨率是指光學(xué)儀器區(qū)分物體上被小角度間隔分開的點(diǎn)的能力，該傳感器的角分辨率為 0.0018 度。這種創(chuàng)新型傳感器基于獨(dú)特的角度到顏色的轉(zhuǎn)換原理運(yùn)行，使其能夠檢測(cè)從 X 射線到可見光光譜范圍內(nèi)的三維光場(chǎng)。

光場(chǎng)包含了光線的強(qiáng)度和方向的綜合信息，人類的眼睛能夠處理這些信息，從而精確地檢測(cè)物體之間的空間關(guān)系。然而，傳統(tǒng)的光傳感技術(shù)效果較差。例如，大多數(shù)相機(jī)只能生成二維圖像，這對(duì)于普通攝影來說已經(jīng)足夠，但對(duì)于更先進(jìn)的應(yīng)用，包括虛擬現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛汽車和生物成像等，就顯得不足了。這些應(yīng)用需要對(duì)特定空間進(jìn)行精確的三維場(chǎng)景構(gòu)建。

例如，自動(dòng)駕駛汽車可以利用光場(chǎng)傳感來觀察街道，并更準(zhǔn)確地評(píng)估道路危險(xiǎn)，從而相應(yīng)地調(diào)整車速。光場(chǎng)傳感還可以使外科醫(yī)生能夠在不同深度準(zhǔn)確地對(duì)患者的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，使他們能夠進(jìn)行更精確的切口，并更好地評(píng)估患者受傷的風(fēng)險(xiǎn)。

“目前，光場(chǎng)探測(cè)器使用透鏡陣列或光子晶體從許多不同角度獲取同一空間的多個(gè)圖像。然而，將這些元件集成到半導(dǎo)體中以用于實(shí)際應(yīng)用既復(fù)雜又昂貴，” 劉教授解釋道�！皞鹘y(tǒng)技術(shù)只能在紫外到可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)檢測(cè)光場(chǎng)，這導(dǎo)致其在 X 射線傳感方面的適用性有限。”

此外，與微透鏡陣列等其他光場(chǎng)傳感器相比，新加坡國立大學(xué)團(tuán)隊(duì)的光場(chǎng)傳感器具有更大的角度測(cè)量范圍，超過 80 度；角分辨率高，對(duì)于較小的傳感器，其角分辨率有可能小于 0.015 度；并且具有更寬的光譜響應(yīng)范圍，在 0.002 納米到 550 納米之間。這些特性使得這種新型傳感器能夠以更高的深度分辨率捕捉三維圖像。這一突破于 2023 年 5 月 10 日發(fā)表在《自然》雜志上。

這種新型光場(chǎng)傳感器的核心是無機(jī)鈣鈦礦納米晶體 —— 具有優(yōu)異光電性能的化合物。由于其可控的納米結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦納米晶體是高效的發(fā)光體，其激發(fā)光譜涵蓋從 X 射線到可見光。鈣鈦礦納米晶體與光線之間的相互作用也可以通過仔細(xì)改變其化學(xué)性質(zhì)或引入少量雜質(zhì)原子來進(jìn)行調(diào)節(jié)。

三維光場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)（左）和輸出（右）。所設(shè)計(jì)的設(shè)備（左）將光場(chǎng)編碼為顏色輸出。經(jīng)過圖案化的鈣鈦礦納米晶體陣列將不同方向的光轉(zhuǎn)換為不同的顏色，這些顏色可以被彩色電荷耦合器件相機(jī)檢測(cè)到。右側(cè)圖像展示了由該相機(jī)生成的魚尾獅模型的重建三維深度圖像。圖片來源：易璐瑩

新加坡國立大學(xué)的研究人員已將鈣鈦礦晶體圖案化到透明薄膜基板上，并將它們集成到彩色電荷耦合器件（CCD）中，該器件將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為顏色編碼的輸出。這種晶體轉(zhuǎn)換系統(tǒng)構(gòu)成了光場(chǎng)傳感器的一個(gè)基本功能單元。

當(dāng)入射光照射到傳感器上時(shí)，納米晶體被激發(fā)。反過來，鈣鈦礦單元會(huì)根據(jù)入射光線的入射角以不同顏色發(fā)出自身的光。CCD 捕捉到發(fā)出的顏色，然后可用于三維圖像重建。

“然而，單個(gè)角度值不足以確定物體在三維空間中的絕對(duì)位置，” 新加坡國立大學(xué)化學(xué)系研究員、該論文的第一作者易璐瑩博士分享道�！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，在第一個(gè)探測(cè)器旁邊添加另一個(gè)與之垂直的基本晶體轉(zhuǎn)換單元，并將其與設(shè)計(jì)好的光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，可以提供關(guān)于所討論物體的更多空間信息�！�

然后，他們?cè)诟拍铗?yàn)證實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了他們的光場(chǎng)傳感器，發(fā)現(xiàn)他們的方法確實(shí)能夠捕捉到放置在 1.5 米外的物體的三維圖像 —— 對(duì)深度和尺寸進(jìn)行了準(zhǔn)確的重建。

他們的實(shí)驗(yàn)還展示了這種新型光場(chǎng)傳感器分辨非常精細(xì)細(xì)節(jié)的能力。例如，生成了一張電腦鍵盤的精確圖像，甚至捕捉到了單個(gè)按鍵的淺凸起。

未來的研究

劉教授及其團(tuán)隊(duì)正在研究提高光場(chǎng)傳感器空間精度和分辨率的方法，比如使用更高端的彩色探測(cè)器。該團(tuán)隊(duì)也已經(jīng)為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了國際專利。

“我們還將探索更先進(jìn)的技術(shù)，以便更密集地將鈣鈦礦晶體圖案化到透明基板上，這可能會(huì)帶來更好的空間分辨率。使用除鈣鈦礦之外的其他材料也可能會(huì)擴(kuò)大光場(chǎng)傳感器的檢測(cè)光譜范圍，” 劉教授說。

更多信息：易璐瑩等人，《通過像素化顏色轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn) X 射線到可見光場(chǎng)的檢測(cè)》，《自然》（2023 年）。DOI：10.1038/s41586-023-05978-w

期刊信息：《自然》

由新加坡國立大學(xué)提供