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新加坡研究小組開(kāi)發(fā)出用于3D場(chǎng)景構(gòu)建的新型光場(chǎng)傳感器  使用光場(chǎng)傳感器拍攝模型的3D圖像 光場(chǎng)包含光線的組合強(qiáng)度和方向，人眼可以對(duì)其進(jìn)行處理，以精確檢測(cè)物體之間的空間關(guān)系。然而，傳統(tǒng)的光感測(cè)技術(shù)效果較差。例如，大多數(shù)相機(jī)只能產(chǎn)生二維圖像，這對(duì)于常規(guī)攝影來(lái)說(shuō)是足夠的，但對(duì)于更先進(jìn)的應(yīng)用來(lái)說(shuō)是不夠的，包括虛擬現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛汽車(chē)和生物成像。這些應(yīng)用需要對(duì)特定空間進(jìn)行精確的3D場(chǎng)景構(gòu)建。 例如，自動(dòng)駕駛汽車(chē)可以使用光場(chǎng)感應(yīng)來(lái)觀察街道，更準(zhǔn)確地評(píng)估道路危險(xiǎn)，從而相應(yīng)地調(diào)整速度。光場(chǎng)傳感還可以使外科醫(yī)生能夠準(zhǔn)確地對(duì)患者不同深度的解剖結(jié)構(gòu)進(jìn)行成像，從而使他們能夠做出更精確的切口并更好地評(píng)估患者受傷的風(fēng)險(xiǎn)。 劉教授解釋道：“目前，光場(chǎng)探測(cè)器使用透鏡或光子晶體陣列從許多不同的角度獲得同一空間的多個(gè)圖像。然而，將這些元素集成到半導(dǎo)體中進(jìn)行實(shí)際使用既復(fù)雜又昂貴。傳統(tǒng)技術(shù)只能檢測(cè)紫外線到可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光場(chǎng)，這導(dǎo)致X射線傳感的適用性有限�！� 此外，與微透鏡陣列等其他光場(chǎng)傳感器相比，新加坡國(guó)立大學(xué)團(tuán)隊(duì)的光場(chǎng)傳感器具有大于80度的更大角度測(cè)量范圍、對(duì)于較小的傳感器可能小于0.015度的高角度分辨率，以及0.002 nm至550 nm之間的更寬光譜響應(yīng)范圍。這些規(guī)格使得新型傳感器能夠以更高的深度分辨率捕獲3D圖像。 這一突破于2023年5月10日發(fā)表在著名的《自然》雜志上。 鈣鈦礦納米晶體使之成為可能 新型光場(chǎng)傳感器的核心是無(wú)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)，鈣鈦礦納米晶體是有效的發(fā)光體，其激發(fā)光譜橫跨X射線和可見(jiàn)光。鈣鈦礦納米晶體和光線之間的相互作用也可以通過(guò)仔細(xì)改變其化學(xué)性質(zhì)或引入少量雜質(zhì)原子來(lái)調(diào)節(jié)。 新加坡國(guó)立大學(xué)的研究人員將鈣鈦礦晶體圖案化到透明薄膜基板上，并將其集成到彩色電荷耦合器件中，該器件將入射光信號(hào)轉(zhuǎn)換為彩色編碼輸出。該晶體轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)包括光場(chǎng)傳感器的基本功能單元。 當(dāng)入射光入射到傳感器上時(shí)，納米晶體就會(huì)被激發(fā)。反過(guò)來(lái)，鈣鈦礦單元根據(jù)入射光線入射的角度，以不同的顏色發(fā)射自己的光。彩色電荷耦合器件捕捉發(fā)射的顏色，然后可以用于3D圖像重建。  一種大規(guī)模角度傳感結(jié)構(gòu)，包括在紫外光照射下發(fā)光的納米晶體光氣，這是傳感器的關(guān)鍵部件。產(chǎn)生紅光、綠光和藍(lán)光的三種發(fā)光磷光體以圖案排列，以捕獲詳細(xì)的角度信息，然后將其用于3D圖像構(gòu)建。該團(tuán)隊(duì)也在研究使用其他材料制作該結(jié)構(gòu)。 新加坡國(guó)立大學(xué)化學(xué)系研究員、論文第一作者Yi Luying博士說(shuō)：“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。我們發(fā)現(xiàn)，添加另一個(gè)垂直于第一個(gè)探測(cè)器的基本晶體轉(zhuǎn)換器單元，并將其與設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，可以提供更多關(guān)于物體的空間信息。” 然后，他們?cè)诟拍铗?yàn)證實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了光場(chǎng)傳感器，發(fā)現(xiàn)他們的方法確實(shí)可以捕捉1.5米外物體的3D圖像，并對(duì)深度和尺寸進(jìn)行精確重建。 他們的實(shí)驗(yàn)還證明了新型光場(chǎng)傳感器能夠分辨非常精細(xì)的細(xì)節(jié)。例如，創(chuàng)建了計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)的精確圖像，甚至可以捕獲單個(gè)鍵的淺突起。  圖中顯示了3D光場(chǎng)傳感器的設(shè)計(jì)（左）和輸出（右）。設(shè)計(jì)的設(shè)備（左）將光場(chǎng)編碼為顏色輸出。圖案化的鈣鈦礦納米晶體陣列將不同方向的光轉(zhuǎn)換成不同的顏色，可以通過(guò)彩色電荷耦合器件相機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。右圖顯示了由攝像機(jī)生成的Merlion模型的重建3D深度圖像。 未來(lái)研究 劉教授和他的團(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，例如使用高端彩色探測(cè)器。該團(tuán)隊(duì)還為這項(xiàng)技術(shù)申請(qǐng)了國(guó)際專(zhuān)利。 劉教授表示，我們還將探索更先進(jìn)的技術(shù)，在透明基板上更密集地圖案化鈣鈦礦晶體，這可能會(huì)帶來(lái)更好的空間分辨率。使用鈣鈦礦以外的材料也可能擴(kuò)大光場(chǎng)傳感器的檢測(cè)光譜。 |
