據(jù)外媒報道，新加坡國立大學(xué)（NUS）理學(xué)院的一個研究團隊在化學(xué)系教授Liu Xiaogang的領(lǐng)導(dǎo)下，研發(fā)了一款具有極高角分辨率的3D成像傳感器，其作為一種光學(xué)儀器，能夠分辨物體上被角距離小至0.0018o隔開的點。此種創(chuàng)新傳感器采用獨特的角度顏色轉(zhuǎn)換原理，能夠探測X射線至可見光光譜范圍內(nèi)的3D光場。

Liu Xiaogang教授（右）與Yi Luying博士（左）（圖片來源：新加坡國立大學(xué)）

光場包含光線的組合強度與方向，人眼可以對其進行處理，以精確地探測物體之間的空間關(guān)系。不過，傳統(tǒng)的光傳感器技術(shù)效率較低。例如，大多數(shù)攝像頭只能產(chǎn)生二維圖像，對于普通攝影而言足夠，但對于虛擬現(xiàn)實、自動駕駛汽車和生物成像等更高級的應(yīng)用來說還不夠。此類應(yīng)用都需要精確構(gòu)建特定空間的3D場景。

例如，自動駕駛汽車可以利用光場感知查看街道，以更精確地評估道路危險，從而相應(yīng)地調(diào)整車速。光場傳感還能夠讓外科醫(yī)生準確地對病人不同深度的解剖結(jié)構(gòu)進行成像，讓他們能夠做出更精確的手術(shù)切口，更好地評估病人的受傷風(fēng)險。

Liu教授解釋：“目前，光場探測器采用透鏡陣列或光子晶體從許多不同角度獲取同一個空間的多個圖像。然而，將此類元素集成至半導(dǎo)體中十分復(fù)雜且昂貴。傳統(tǒng)的技術(shù)只能探測到紫外線至可見光波長范圍內(nèi)的光場，限制其應(yīng)用于X射線傳感中?！?/p>

此外，與透鏡陣列等其他光場傳感器相比，NUS團隊的光場傳感器的角度測量范圍更大，超60度，具有高角度分辨率（對于較小的傳感器而言，分辨率可能低于0.015度），以及更寬的光譜響應(yīng)范圍（0.002nm至550nm之間）。此類規(guī)格讓該款新型傳感器能夠以更高的深度分辨率捕捉3D圖像。

該款新型光場傳感器的核心是無機鈣鈦礦納米晶體，一種具有優(yōu)異光電性能的化合物。由于具有可控的納米結(jié)構(gòu)，鈣鈦礦納米晶體是高效的光發(fā)射器，其激發(fā)光譜橫跨X射線至可見光。還可以通過仔細改變其化學(xué)性質(zhì)或引入少量雜質(zhì)原子來調(diào)節(jié)鈣鈦礦納米晶體與光線之間的相互作用。

在紫外光照射下，由納米晶體磷光體組成的大規(guī)模角度傳感結(jié)構(gòu)（圖片來源：新加坡國立大學(xué)）

NUS研究人員將鈣鈦礦晶體繪制到一個特別的薄膜基底上， 并將其集成至彩色電荷耦合器件（CCD）中，將入射光信號變成彩色編碼輸出。此種晶體轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由光場傳感器的基本功能單元組成。

當(dāng)入射光線照到該傳感器上時，納米晶體會被激發(fā)。反過來，該鈣鈦礦單元能夠根據(jù)入射光線照射的角度發(fā)出不同顏色的光。CCD捕捉發(fā)射出的顏色，然后將其用于重建3D圖像。

NUS化學(xué)系研究員、該論文的第一作者Yi Luying博士分享道：“然而，一個單一的角度值不足以確定物體在一個三維空間中的絕對位置。我們發(fā)現(xiàn)，添加另一個垂直于第一個探測器的基本晶體轉(zhuǎn)換單元，并將其與設(shè)計好的光學(xué)系統(tǒng)相結(jié)合，可以提供更多有關(guān)該問題的空間信息。”

然后，他們在概念驗證實驗中測試了該光場傳感器，并發(fā)現(xiàn)該方法可以捕獲1.5米外物體的3D圖像，精確地重建物體的深度與尺寸。

他們的實驗還證明了此種新型光場傳感器甚至可以分辨非常精細的細節(jié)。例如，可重建計算機鍵盤的精確圖像，甚至捕捉到單個鍵淺淺凸起的狀態(tài)。

3D光場傳感器的設(shè)計（圖片來源：新加坡國立大學(xué)）

Liu教授及其團隊正在研究方法，以提高光場傳感器的空間精度與分辨率，例如，采用更高端的色彩探測器。該團隊還為該技術(shù)申請了國際專利。

Liu教授表示：“我們還會探索更先進的技術(shù)，以將鈣鈦礦晶體更密集地繪制在透明基底上，可能會實現(xiàn)更好的空間分辨率。采用除了鈣鈦礦之外的材料也有望擴大光場傳感器的探測光譜范圍?！?/p>