科学家开发出用于3D场景构建的新型光场传感器，角分辨率突破纪录，可用于自动驾驶、虚拟现实和生物成像等领域

使用光场传感器拍摄模型的3D图像

新加坡国立大学理学院的一个研究小组，由化学系的刘晓刚教授领导，开发了一种3D成像传感器，该传感器具有极高的角分辨率，这是一种光学仪器的能力区分由0.0018 o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。

光场包含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，传统的光感测技术效果较差。例如，大多数相机只能产生二维图像，这对于常规摄影来说是足够的，但对于更先进的应用来说是不够的，包括虚拟现实、自动驾驶汽车和生物成像。这些应用需要对特定空间进行精确的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。

刘教授解释道：“目前，光场探测器使用透镜或光子晶体阵列从许多不同的角度获得同一空间的多个图像。然而，将这些元素集成到半导体中进行实际使用既复杂又昂贵。传统技术只能检测紫外线到可见光波长范围内的光场，这导致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，新加坡国立大学团队的光场传感器具有大于80度的更大角度测量范围、对于较小的传感器可能小于0.015度的高角度分辨率，以及0.002 nm至550 nm之间的更宽光谱响应范围。这些规格使得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日发表在著名的《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——具有优异光电性能的化合物。由于其可控的纳米结构，钙钛矿纳米晶体是有效的发光体，其激发光谱横跨X射线和可见光。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薄膜基板上，并将其集成到彩色电荷耦合器件中，该器件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。

当入射光入射到传感器上时，纳米晶体就会被激发。反过来，钙钛矿单元根据入射光线入射的角度，以不同的颜色发射自己的光。彩色电荷耦合器件捕捉发射的颜色，然后可以用于3D图像重建。

一种大规模角度传感结构，包括在紫外光照射下发光的纳米晶体光气，这是传感器的关键部件。产生红光、绿光和蓝光的三种发光磷光体以图案排列，以捕获详细的角度信息，然后将其用于3D图像构建。该团队也在研究使用其他材料制作该结构。

新加坡国立大学化学系研究员、论文第一作者Yi Luying博士说：“单个角度值不足以确定物体在三维空间中的绝对位置。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，可以提供更多关于物体的空间信息。”

然后，他们在概念验证实验中测试了光场传感器，发现他们的方法确实可以捕捉1.5米外物体的3D图像，并对深度和尺寸进行精确重建。

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。

图中显示了3D光场传感器的设计（左）和输出（右）。设计的设备（左）将光场编码为颜色输出。图案化的钙钛矿纳米晶体阵列将不同方向的光转换成不同的颜色，可以通过彩色电荷耦合器件相机进行检测。右图显示了由摄像机生成的Merlion模型的重建3D深度图像。

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，例如使用高端彩色探测器。该团队还为这项技术申请了国际专利。

刘教授表示，我们还将探索更先进的技术，在透明基板上更密集地图案化钙钛矿晶体，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。

doi:10.1038/s41586-023-05978-w