Nature：這種材料實現了0.0018度角分辨率的3D成像傳感

一、 【導讀】?

材料和半導體工藝的進步已經徹底改變了微觀和納米光探測器的設計和制造。然而，大多數傳感器的像素只能檢測電磁波的強度。因此，物體和衍射光波的所有相位信息都會丟失。雖然強度信息本身足以二維攝影與顯微成像等常規應用，但這種限制阻礙了三維（3D）和四維成像應用，包括相襯成像，光探測和測距，自動駕駛汽車，虛擬現實和太空探索。通常使用具有像素化光電二極管的微透鏡或光子晶體的光學陣列來測量光場或光方向的分布，從而獲取相位信息。然而，將這些元件集成到CMOS架構中既昂貴又復雜。通過調控光和物質的相互作用，亞波長半導體結構中的光學共振能實現角度敏感結構的開發。然而，其中大多數都依賴于波長或偏振，并且需要具有高折射率的材料。此外，現在的光矢量檢測和控制僅限于紫外光和可見光波長。盡管有一些使用Shack-Hartmann或Hartmann結構的傳感器能夠在極紫外光范圍內進行相位測量，但硬X射線和伽馬射線的相位測量仍然具有挑戰性，因為傳統的反射鏡或微透鏡不能用來聚焦高能光束。

二、【成果掠影】

近日，新加坡國立大學化學系的劉小鋼教授提出了一種基于光刻技術的圖案化無機鈣鈦礦納米晶體陣列的穩健且可擴展的方法，從而可以探測到從X射線到可見光（0.002-550nm）范圍的輻射矢量。利用這些多色納米晶體陣列，可以將來自特定方向的光線轉化為具有0.0018°角分辨率的像素化顏色輸出。研究發現，通過修改具有特定方向的納米晶體陣列，可以實現三維光場檢測和光源的空間定位。此外，研究者還通過結合像素化納米晶體陣列和彩色電荷耦合器件，展示了三維物體成像以及可見光和X射線相襯成像。通過顏色襯度編碼來檢測光學波長之外的光方向的能力，可能會開啟新的應用，例如在三維相襯成像、機器人、虛擬現實、層析生物成像和衛星自主導航中。相關成果以“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”為題發表在Nature上。

?三、【核心創新點】

• l 光刻的圖案化鈣鈦礦納米晶體陣列能夠確定從X射線到可見光的輻射矢量，還能實現三維光場檢測、光源的空間定位以及三維物體成像

?四、【數據概覽】

圖1使用像素化鈣鈦礦納米晶陣列進行X射線到可見光場檢測。? 2023 The Authors

a、基于像素化彩色轉換的3D光場傳感器設計。

b、通過彩色轉換進行光場感知的工作原理。

c、單個方位探測器在相對于參考平面的光入射角從0°到360°范圍內的色度響應。

d、基于單個鈣鈦礦納米晶的方位探測器在相對于ZnS:Cu²⁺/Mn²⁺和SrAl₂O₄:Eu²⁺/Dy³⁺熒光體控制的情況下，光入射角從0°到360°范圍內的色度響應。

圖2 用于3D光場感知的像素化彩色轉換的表征。 ? 2023 The Authors

a、單個方位探測器的色度響應

b、單個方位探測器輸出發光的CIE三刺激值X、Y和Z與入射光方向的關系。

c、使用單個方位探測器測量可見光（405 nm）的方位分辨率，最小可檢測的角度變化為0.0018°。

d、從兩個垂直排列的方位探測器記錄的來自不同方位角φ和仰角θ的入射光的兩種顏色映射。

e、從d中提取的等高線。通過結合兩個方位探測器的顏色值，可以確定唯一的入射方向。

f、用于成像3D光方向的方位探測器陣列的俯視圖，其中鄰近的鈣鈦礦納米晶像素以垂直排列。

g、將鈣鈦礦納米晶陣列集成到彩色CCD中制造的3D光場傳感器的照片。

圖3使用像素化彩色轉換進行實景的三維成像。 ? 2023 The Authors

a、實驗設置示意圖。

b、來自不同方向的入射光下的鈣鈦礦納米晶陣列的代表性圖像。

c、以場景深度和視場徑向位置為函數繪制的平均深度精度。

d、e、放置在0.7 m和1.5 m處的場景的三維圖像。

f、使用3D光場傳感器捕獲的鍵盤的三維深度圖像。

圖4 使用像素化彩色轉換進行X射線（0.089 nm）和可見光（405 nm）的相位對比成像。? 2023 The Authors

a、Hartmann或Shack-Hartmann波前成像的原理（頂部）和基于我們的3D光場傳感器陣列的波前成像（底部）。

b、測量距離X射線源14 mm處發散波前的實驗。

c、d、分別在（F_x = 0°，F_y = 20°）和（F_x = 30°，F_y = 40°）場角處，通過可見光照射透鏡時在圖像平面上測量的波前。Fx和Fy分別表示x和y方向的場角。

e、使用3D光場傳感器測量的圖案化PDMS基底的光學強度圖像（左）和相位輪廓（右）。

f、兩個商業PMMA桿（直徑為1 mm和2 mm；50 kV X射線）的吸收對比圖像和使用3D光場傳感器測量的相位梯度圖。

五、【成果啟示】

總之， 這項研究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，用于三維光場檢測、絕對空間定位、三維成像以及可見光和X射線相襯成像。盡管目前使用鈣鈦礦納米晶體無法在高角度分辨率下檢測超過550nm的光場，但該技術可以擴展到其他光學材料。此外，盡管目前的方位探測器只能測量入射光的平均矢量方向，但與光場相機一樣，納米晶體光場傳感器可以在角度和空間分辨率之間取得平衡，進一步提高空間分辨率。最后，該方法為光學測試和光束特性提供了強大的解決方案，可以應用于從相位對比成像到引力波檢測等各種領域。

原文詳情：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

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