特別說明：本文由學研匯技術 中心原創(chuàng)撰寫，旨在分享相關科研知識。因學識有限，難免有所疏漏和錯誤，請讀者批判性閱讀，也懇請大方之家批評指正。
原創(chuàng)丨彤心未泯（學研匯 技術中心）
編輯丨風云
自動駕駛、沉浸式游戲等創(chuàng)新技術的發(fā)展，催生了對3D場景高級重構的迫切需求。實現(xiàn)3D場景的重構需要實現(xiàn)精確的光場檢測，即測量光線的強度及其在自由空間中的精確方向。
然而，目前光場檢測仍以下問題：
1、準確測量角度分辨光矢量仍然具有挑戰(zhàn)性
光場檢測記錄3D空間中光線的強度和方向，可實現(xiàn)場景的立體重建。然而，準確測量角度分辨光矢量仍然具有挑戰(zhàn)性。
2、復雜的微透鏡陣列成本高，且分辨率受限
通過將體積龐大的光學元件與具有高像素密度的光電探測器系統(tǒng)相結合，可以以高角度分辨率測量光場。但其集成成本高，且通常會限制角分辨率和光檢測效率，尤其是在像素尺寸較小的情況下。
3、目前的光場檢測波長范圍受限
目前的光場檢測方法僅限于紫外和可見波長范圍，測量傳統(tǒng)透鏡無法聚焦的高能光束要困難得多。
有鑒于此，新加坡國立大學劉小鋼等人提出了一種基于光刻圖案化鈣鈦礦納米晶體陣列的穩(wěn)健、可擴展的方法，可用于確定從X射線到可見光（0.002–550nm）的輻射矢量。使用這些多色納米晶體陣列，來自特定方向的光線可以轉換為角度分辨率為0.0018°的像素化顏色輸出。通過修改具有特定方向的納米晶體陣列可以實現(xiàn)光源的三維光場檢測和空間定位。作者通過將像素化納米晶體陣列與彩色電荷耦合器件相結合，展示了三維物體成像以及可見光和 X射線相襯成像。通過顏色對比度編碼檢測光波長以外的光方向的能力可以實現(xiàn)新的應用，例如，三維相襯成像、機器人技術、虛擬現(xiàn)實、斷層攝影生物成像和衛(wèi)星自主導航等。
技術方案：
1、設計了3D光場檢測設計
作者基于鈣鈦礦晶體構建了3D光場傳感器，并根據(jù)文獻合成了無機鈣鈦礦納米晶體，證明了由鈣鈦礦納米晶體制成的方位角探測器具有更高的角分辨率。
2、表征了3D光場傳感的像素化顏色轉換
作者在紅色、綠色和藍色傳感器芯片上構建了單一的三色方位檢測器，實現(xiàn)了約0.0018°角度變化的檢測限。還設計并制造了全向光場檢測器以及方位探測器陣列來對3D光方向進行成像，實現(xiàn)了光線入射角度的顏色可視化。
3、展示了真實場景的三維成像
作者展示了不同角度光入射下，使用鈣鈦礦納米晶體陣列捕獲的圖像，結果表明該成像具有高精度，在不同距離處成像的物體尺寸與其實際尺寸一致。
4、驗證了寬波長范圍內(nèi)的相襯成像
作者證明了基于納米晶體陣列的光場傳感器可以直接測量可見光或X射線的特定角度，納米晶體光場傳感器的制造非常穩(wěn)健，在大面積上具有高均勻性。
技術優(yōu)勢：
1、實現(xiàn)了將光線顏色編碼為顏色，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)可視化
受數(shù)據(jù)可視化和多視圖成像中顏色編碼的適應性啟發(fā)，作者提出可以將入射光線的方向編碼為顏色，并從鈣鈦礦材料的納米晶體中制造了方位探測器。
2、實現(xiàn)了廣泛波長范圍內(nèi)的光場檢測
當暴露于可見光甚至X射線時，作者開發(fā)的鈣鈦礦納米晶體顯示出高效且可調(diào)諧的發(fā)光特性以及高色彩飽和度，可用于確定從X射線到可見光的輻射矢量。
3、獲得了超高的光場檢測分辨率
通過將方位檢測器與高色深傳感器相結合，實現(xiàn)了大約 0.0018度的角分辨率。作者開發(fā)的納米晶體光場傳感器每平方毫米包含400個方位角檢測器，角度分辨率為0.015度，可以測量超過80度范圍內(nèi)的角度。
圖 設計和使用像素化納米晶體陣列檢測X射線到可見光范圍內(nèi)的入射光
技術細節(jié)
3D光場檢測設計
由于顏色編碼在數(shù)據(jù)可視化中的多功能性，作者提出可以使用顏色對比度編碼來可視化光線的方向。3D光場檢測的基本設計涉及將鈣鈦礦納米晶體光刻圖案化到透明基板上，然后可以通過將圖案化的薄膜基板與彩色電荷耦合器件 (CCD)集成，將入射光線的角度轉換為特定的顏色輸出，從而構建3D光場傳感器。作為概念證明，根據(jù)文獻合成了無機鈣鈦礦納米晶體（CsPbX3；X=Cl、Br 或I），發(fā)現(xiàn)由鈣鈦礦納米晶體制成的方位角探測器具有更高的角分辨率，這是因為鈣鈦礦納米晶體的顏色覆蓋范圍更廣，顏色飽和度更高。
圖 使用像素化鈣鈦礦納米晶體陣列進行X射線到可見光場檢測
像素化顏色轉換表征
具有不同色域的單方位檢測器產(chǎn)生不同形狀的顏色圖。具有紅色、綠色和藍色輸出的納米晶體可以檢測到極小的角度變化。作者利用這一特性，在紅色、綠色和藍色傳感器芯片上構建了一個單一的三色方位檢測器，在405nm波長和8mW 功率下產(chǎn)生約0.0018°角度變化的檢測限。接著，作者設計并制造了兩個相互垂直排列的方位角檢測器，用于全向光場檢測。兩個方位探測器在不同的入射角下產(chǎn)生了兩種類型的彩色圖。進一步設計了方位探測器陣列來對3D光方向進行成像，其中鈣鈦礦納米晶體的相鄰像素相互垂直排列。作者還將鈣鈦礦納米晶體陣列薄膜集成到配備彩色CCD的數(shù)碼相機中，實現(xiàn)了光線入射角度的顏色可視化。
圖 用于3D光場傳感的像素化顏色轉換的表征
真實場景的三維成像
基于像素化鈣鈦礦納米晶體陣列的光場傳感器的直接應用是3D成像和光檢測與測距。該成像系統(tǒng)基于三角測量法，由一個多線結構光源、兩個聚光透鏡和一個涂有納米晶陣列薄膜的彩色CCD組成。在來自不同角度光入射下，使用鈣鈦礦納米晶體陣列捕獲的圖像用作每個方位檢測器的顏色響應和入射光角度的對應圖。測量顯示在0.5米的距離處的最佳深度精度約為0.5毫米。光場傳感器在不同距離處成像的物體尺寸與其實際尺寸一致。對于具有精細結構的物體，例如鍵盤和梳子，也可以進行圖像重建。此外，作者通過像素化顏色轉換獲得了幾個不同顏色、大小和材料的物體的3D圖像。
圖 通過像素化顏色轉換對真實場景進行三維成像
相襯成像
像素化顏色轉換的另一個重要應用是從X射線到可見光的寬波長范圍內(nèi)的相襯成像。基于納米晶體陣列的光場傳感器可以直接測量可見光或X射線的特定角度，無需微透鏡陣列即可重建波前。首先通過光場傳感器表征硬X射線束的發(fā)散波前。測得的波前曲率與分析計算吻合得很好。此外，使用聚二甲基硅氧烷圖案上的可見光和商用聚甲基丙烯酸甲酯上的X射線進行相襯成像。與吸收對比成像相比，相襯成像可以更詳細地觀察表面結構。進一步比較了基于圖案化納米晶體陣列的光場傳感器與基于微透鏡陣列的傳統(tǒng)Shack-Hartmann傳感器，納米晶體光場傳感器的制造非常穩(wěn)健，在大面積上具有高均勻性。
圖 通過像素化顏色轉換對X射線和可見光進行相襯成像
總之，作者提出了一種基于鈣鈦礦納米晶體陣列的像素化顏色轉換策略，可用于3D光場檢測、絕對空間定位、3D 成像以及可見光和X射線相襯成像。通過目前的設計，已經(jīng)實現(xiàn)了大約0.0018°的矢量靈敏度和0.002–550nm的波長響應范圍。通過集成高端顏色檢測器，可以進一步提高角度精度。借助先進的光刻方法和最先進的處理技術，可以實現(xiàn)超過每平方毫米104個像素的方位探測器密度，這可以大大提高圖像的空間分辨率。
參考文獻：
Detectors that encode angles of incoming light as colour. https://doi.org/10.1038/d41586-023-01366-6
Yi, L., Hou, B., Zhao, H. et al. X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w
