Nature：这种材料实现了0.0018度角分辨率的3D成像传感

一、【导读】

材料和半导体工艺的进步已经彻底改变了微观和纳米光探测器的设计和制造。然而，大多数传感器的像素只能检测电磁波的强度。因此，物体和衍射光波的所有相位信息都会丢失。虽然强度信息本身足以二维摄影与显微成像等常规应用，但这种限制阻碍了三维（3D）和四维成像应用，包括相衬成像，光探测和测距，自动驾驶汽车，虚拟现实和太空探索。通常使用具有像素化光电二极管的微透镜或光子晶体的光学阵列来测量光场或光方向的分布，从而获取相位信息。然而，将这些元件集成到CMOS架构中既昂贵又复杂。通过调控光和物质的相互作用，亚波长半导体结构中的光学共振能实现角度敏感结构的开发。然而，其中大多数都依赖于波长或偏振，并且需要具有高折射率的材料。此外，现在的光矢量检测和控制仅限于紫外光和可见光波长。尽管有一些使用Shack-Hartmann或Hartmann结构的传感器能够在极紫外光范围内进行相位测量，但硬X射线和伽马射线的相位测量仍然具有挑战性，因为传统的反射镜或微透镜不能用来聚焦高能光束。

二、【成果掠影】

近日，新加坡国立大学化学系的刘小钢教授提出了一种基于光刻技术的图案化无机钙钛矿纳米晶体阵列的稳健且可扩展的方法，从而可以探测到从X射线到可见光（0.002-550nm）范围的辐射矢量。利用这些多色纳米晶体阵列，可以将来自特定方向的光线转化为具有0.0018°角分辨率的像素化颜色输出。研究发现，通过修改具有特定方向的纳米晶体阵列，可以实现三维光场检测和光源的空间定位。此外，研究者还通过结合像素化纳米晶体阵列和彩色电荷耦合器件，展示了三维物体成像以及可见光和X射线相衬成像。通过颜色衬度编码来检测光学波长之外的光方向的能力，可能会开启新的应用，例如在三维相衬成像、机器人、虚拟现实、层析生物成像和卫星自主导航中。相关成果以“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”为题发表在Nature上。

三、【核心创新点】

• l 光刻的图案化钙钛矿纳米晶体阵列能够确定从X射线到可见光的辐射矢量，还能实现三维光场检测、光源的空间定位以及三维物体成像

四、【数据概览】

图1使用像素化钙钛矿纳米晶阵列进行X射线到可见光场检测。© 2023 The Authors

a、基于像素化彩色转换的3D光场传感器设计。

b、通过彩色转换进行光场感知的工作原理。

c、单个方位探测器在相对于参考平面的光入射角从0°到360°范围内的色度响应。

d、基于单个钙钛矿纳米晶的方位探测器在相对于ZnS:Cu²⁺/Mn²⁺和SrAl₂O₄:Eu²⁺/Dy³⁺荧光体控制的情况下，光入射角从0°到360°范围内的色度响应。

图2用于3D光场感知的像素化彩色转换的表征。 © 2023 The Authors

a、单个方位探测器的色度响应

b、单个方位探测器输出发光的CIE三刺激值X、Y和Z与入射光方向的关系。

c、使用单个方位探测器测量可见光（405 nm）的方位分辨率，最小可检测的角度变化为0.0018°。

d、从两个垂直排列的方位探测器记录的来自不同方位角φ和仰角θ的入射光的两种颜色映射。

e、从d中提取的等高线。通过结合两个方位探测器的颜色值，可以确定唯一的入射方向。

f、用于成像3D光方向的方位探测器阵列的俯视图，其中邻近的钙钛矿纳米晶像素以垂直排列。

g、将钙钛矿纳米晶阵列集成到彩色CCD中制造的3D光场传感器的照片。

图3使用像素化彩色转换进行实景的三维成像。 © 2023 The Authors

a、实验设置示意图。

b、来自不同方向的入射光下的钙钛矿纳米晶阵列的代表性图像。

c、以场景深度和视场径向位置为函数绘制的平均深度精度。

d、e、放置在0.7 m和1.5 m处的场景的三维图像。

f、使用3D光场传感器捕获的键盘的三维深度图像。

图4使用像素化彩色转换进行X射线（0.089 nm）和可见光（405 nm）的相位对比成像。© 2023 The Authors

a、Hartmann或Shack-Hartmann波前成像的原理（顶部）和基于我们的3D光场传感器阵列的波前成像（底部）。

b、测量距离X射线源14 mm处发散波前的实验。

c、d、分别在（F_x= 0°，F_y= 20°）和（F_x= 30°，F_y= 40°）场角处，通过可见光照射透镜时在图像平面上测量的波前。Fx和Fy分别表示x和y方向的场角。

e、使用3D光场传感器测量的图案化PDMS基底的光学强度图像（左）和相位轮廓（右）。

f、两个商业PMMA杆（直径为1 mm和2 mm；50 kV X射线）的吸收对比图像和使用3D光场传感器测量的相位梯度图。

五、【成果启示】

总之， 这项研究提出了一种基于钙钛矿纳米晶体阵列的像素化颜色转换策略，用于三维光场检测、绝对空间定位、三维成像以及可见光和X射线相衬成像。尽管目前使用钙钛矿纳米晶体无法在高角度分辨率下检测超过550nm的光场，但该技术可以扩展到其他光学材料。此外，尽管目前的方位探测器只能测量入射光的平均矢量方向，但与光场相机一样，纳米晶体光场传感器可以在角度和空间分辨率之间取得平衡，进一步提高空间分辨率。最后，该方法为光学测试和光束特性提供了强大的解决方案，可以应用于从相位对比成像到引力波检测等各种领域。

原文详情：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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