由化学系刘晓刚教授领导的新加坡国立大学(NUS)理学院的研究团队开发了一种具有极高角分辨率的3D成像传感器，这是一种光学仪器的能力区分由0.0018o的小角距离分隔的对象的点。这种创新的传感器以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。

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

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。这些应用程序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，更准确地评估道路危险，从而相应地调整速度。光场传感还可以使外科医生能够准确地对患者不同深度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，光场探测器使用一系列透镜或光子晶体从多个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，导致在X射线传感中的适用性有限。”

此外，与微透镜阵列等其他光场传感器相比，国大团队的光场传感器具有更大的角度测量范围，超过80度，角度分辨率高，对于更小的传感器可能小于0.015度，以及更宽的光谱响应范围介于0.002nm和550nm之间。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2023年5月10日发表在《自然》杂志上。

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钙钛矿纳米晶体——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，具有跨越X射线到可见光的激发光谱。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它们的化学性质或通过引入少量杂质原子来调节。

NUS研究人员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，该器件可将入射光信号转换为彩色编码输出。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上时，纳米晶体就会被激发。反过来，钙钛矿单元会根据入射光线的照射角度发出不同颜色的光。CCD捕获发射的颜色，然后可将其用于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、该论文的第一作者伊鲁英博士分享道。“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他们的光场传感器，发现他们的方法确实可以捕获1.5米外物体的3D图像，并准确重建深度和尺寸。

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空间精度和分辨率的方法，例如使用更高端的颜色检测器。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能扩大光场传感器的检测光谱，”刘教授说。