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

一种由纳米晶体磷光体构成的大规模角度传感结构是该传感器的关键部件，在紫外光下会发光。三种能发出红光、绿光和蓝光的发光磷光体按一定图案排列，以捕捉详细的角度信息，这些信息随后将用于三维图像的构建。该团队也在研究为这种结构使用其他材料。 图片来源：新加坡国立大学

由新加坡国立大学（NUS）理学院化学系的刘小钢教授带领的一个研究团队，开发出了一种三维成像传感器，其具有极高的角分辨率，角分辨率是指光学仪器区分物体上被小角度间隔分开的点的能力，该传感器的角分辨率为 0.0018 度。这种创新型传感器基于独特的角度到颜色的转换原理运行，使其能够检测从 X 射线到可见光光谱范围内的三维光场。

光场包含了光线的强度和方向的综合信息，人类的眼睛能够处理这些信息，从而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，大多数相机只能生成二维图像，这对于普通摄影来说已经足够，但对于更先进的应用，包括虚拟现实、自动驾驶汽车和生物成像等，就显得不足了。这些应用需要对特定空间进行精确的三维场景构建。

例如，自动驾驶汽车可以利用光场传感来观察街道，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，使他们能够进行更精确的切口，并更好地评估患者受伤的风险。

“目前，光场探测器使用透镜阵列或光子晶体从许多不同角度获取同一空间的多个图像。然而，将这些元件集成到半导体中以用于实际应用既复杂又昂贵，” 刘教授解释道。“传统技术只能在紫外到可见光波长范围内检测光场，这导致其在 X 射线传感方面的适用性有限。”

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更大的角度测量范围，超过 80 度；角分辨率高，对于较小的传感器，其角分辨率有可能小于 0.015 度；并且具有更宽的光谱响应范围，在 0.002 纳米到 550 纳米之间。这些特性使得这种新型传感器能够以更高的深度分辨率捕捉三维图像。这一突破于 2023 年 5 月 10 日发表在《自然》杂志上。

这种新型光场传感器的核心是无机钙钛矿纳米晶体 —— 具有优异光电性能的化合物。由于其可控的纳米结构，钙钛矿纳米晶体是高效的发光体，其激发光谱涵盖从 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进行调节。

三维光场传感器的设计（左）和输出（右）。所设计的设备（左）将光场编码为颜色输出。经过图案化的钙钛矿纳米晶体阵列将不同方向的光转换为不同的颜色，这些颜色可以被彩色电荷耦合器件相机检测到。右侧图像展示了由该相机生成的鱼尾狮模型的重建三维深度图像。图片来源：易璐莹

新加坡国立大学的研究人员已将钙钛矿晶体图案化到透明薄膜基板上，并将它们集成到彩色电荷耦合器件（CCD）中，该器件将入射光信号转换为颜色编码的输出。这种晶体转换系统构成了光场传感器的一个基本功能单元。

当入射光照射到传感器上时，纳米晶体被激发。反过来，钙钛矿单元会根据入射光线的入射角以不同颜色发出自身的光。CCD 捕捉到发出的颜色，然后可用于三维图像重建。

“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璐莹博士分享道。“我们发现，在第一个探测器旁边添加另一个与之垂直的基本晶体转换单元，并将其与设计好的光学系统相结合，可以提供关于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他们的光场传感器，发现他们的方法确实能够捕捉到放置在 1.5 米外的物体的三维图像 —— 对深度和尺寸进行了准确的重建。

他们的实验还展示了这种新型光场传感器分辨非常精细细节的能力。例如，生成了一张电脑键盘的精确图像，甚至捕捉到了单个按键的浅凸起。

未来的研究

刘教授及其团队正在研究提高光场传感器空间精度和分辨率的方法，比如使用更高端的彩色探测器。该团队也已经为这项技术申请了国际专利。

“我们还将探索更先进的技术，以便更密集地将钙钛矿晶体图案化到透明基板上，这可能会带来更好的空间分辨率。使用除钙钛矿之外的其他材料也可能会扩大光场传感器的检测光谱范围，” 刘教授说。

更多信息：易璐莹等人，《通过像素化颜色转换实现 X 射线到可见光场的检测》，《自然》（2023 年）。DOI：10.1038/s41586-023-05978-w

期刊信息：《自然》

由新加坡国立大学提供

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