科学家开发了一种用于3D场景构建的新型光场传感器

新加坡国立大学(NUS)理学院的一个研究团队，由化学系刘晓刚教授领导，研制出一种具有极高角分辨率的3D成像传感器，这是光学仪器区分物体点的能力，相隔很小的角距离， 的 0.0018o.这种创新的传感器基于独特的角度到颜色转换原理运行，使其能够检测X射线到可见光谱的3D光场。

光场包括光线的组合强度和方向，人眼可以对其进行处理以精确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，这对于常规摄影来说足够，但不足以用于更高级的应用，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，从而相应地调整其速度。光场感应还可以使外科医生能够准确地对不同深度的患者解剖结构进行成像，使他们能够做出更精确的切口并更好地评估患者的受伤风险。

“目前，光场探测器使用透镜或光子晶体阵列从许多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既复杂又昂贵，“刘教授解释说。“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，NUS团队的光场传感器具有更大的角度测量范围，超过80度，高角分辨率(对于较小的传感器可能小于0.015度)，以及0.002 nm至550 nm之间的更宽光谱响应范围。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。这一突破于10年2023月<>日发表在《自然》杂志上。

钙钛矿纳米晶体使成为可能

新型光场传感器的核心是无机钙钛矿纳米晶体，这些化合物具有出色的光电性能。由于其可控的纳米结构，钙钛矿纳米晶体是高效的光发射器，其激发光谱跨越X射线到可见光。钙钛矿纳米晶体和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。

新加坡国立大学的研究人员将钙钛矿晶体图案化到透明的薄膜基板上，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，纳米晶体被激发。反过来，钙钛矿单元根据入射光线照射的角度以不同的颜色发射自己的光。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Yi Luying博士分享道。“我们发现，在垂直于第一个探测器的地方添加另一个基本的晶体转换器单元，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他们的光场传感器，发现他们的方法确实可以捕获放置在3.1米外的物体的5D图像 - 精确重建深度和尺寸。

他们的实验还证明了这种新型光场传感器能够分辨非常精细的细节。例如，创建了计算机键盘的精确图像，甚至可以捕获单个键的浅突起。

未来研究

刘教授和他的团队正在研究提高光场传感器的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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