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原创丨彤心未泯（学研汇 技术中心）

编辑丨风云

自动驾驶、沉浸式游戏等创新技术的发展，催生了对3D场景高级重构的迫切需求。实现3D场景的重构需要实现精确的光场检测，即测量光线的强度及其在自由空间中的精确方向。

然而，目前光场检测仍以下问题：

1、准确测量角度分辨光矢量仍然具有挑战性

光场检测记录3D空间中光线的强度和方向，可实现场景的立体重建。然而，准确测量角度分辨光矢量仍然具有挑战性。

2、复杂的微透镜阵列成本高，且分辨率受限

通过将体积庞大的光学元件与具有高像素密度的光电探测器系统相结合，可以以高角度分辨率测量光场。但其集成成本高，且通常会限制角分辨率和光检测效率，尤其是在像素尺寸较小的情况下。

3、目前的光场检测波长范围受限

目前的光场检测方法仅限于紫外和可见波长范围，测量传统透镜无法聚焦的高能光束要困难得多。

有鉴于此，新加坡国立大学刘小钢等人提出了一种基于光刻图案化钙钛矿纳米晶体阵列的稳健、可扩展的方法，可用于确定从X射线到可见光（0.002–550nm）的辐射矢量。使用这些多色纳米晶体阵列，来自特定方向的光线可以转换为角度分辨率为0.0018°的像素化颜色输出。通过修改具有特定方向的纳米晶体阵列可以实现光源的三维光场检测和空间定位。作者通过将像素化纳米晶体阵列与彩色电荷耦合器件相结合，展示了三维物体成像以及可见光和 X射线相衬成像。通过颜色对比度编码检测光波长以外的光方向的能力可以实现新的应用，例如，三维相衬成像、机器人技术、虚拟现实、断层摄影生物成像和卫星自主导航等。

技术方案：

1、设计了3D光场检测设计

作者基于钙钛矿晶体构建了3D光场传感器，并根据文献合成了无机钙钛矿纳米晶体，证明了由钙钛矿纳米晶体制成的方位角探测器具有更高的角分辨率。

2、表征了3D光场传感的像素化颜色转换

作者在红色、绿色和蓝色传感器芯片上构建了单一的三色方位检测器，实现了约0.0018°角度变化的检测限。还设计并制造了全向光场检测器以及方位探测器阵列来对3D光方向进行成像，实现了光线入射角度的颜色可视化。

3、展示了真实场景的三维成像

作者展示了不同角度光入射下，使用钙钛矿纳米晶体阵列捕获的图像，结果表明该成像具有高精度，在不同距离处成像的物体尺寸与其实际尺寸一致。

4、验证了宽波长范围内的相衬成像

作者证明了基于纳米晶体阵列的光场传感器可以直接测量可见光或X射线的特定角度，纳米晶体光场传感器的制造非常稳健，在大面积上具有高均匀性。

技术优势：

1、实现了将光线颜色编码为颜色，实现了数据可视化

受数据可视化和多视图成像中颜色编码的适应性启发，作者提出可以将入射光线的方向编码为颜色，并从钙钛矿材料的纳米晶体中制造了方位探测器。

2、实现了广泛波长范围内的光场检测

当暴露于可见光甚至X射线时，作者开发的钙钛矿纳米晶体显示出高效且可调谐的发光特性以及高色彩饱和度，可用于确定从X射线到可见光的辐射矢量。

3、获得了超高的光场检测分辨率

通过将方位检测器与高色深传感器相结合，实现了大约 0.0018度的角分辨率。作者开发的纳米晶体光场传感器每平方毫米包含400个方位角检测器，角度分辨率为0.015度，可以测量超过80度范围内的角度。

图  设计和使用像素化纳米晶体阵列检测X射线到可见光范围内的入射光

技术细节

3D光场检测设计

由于颜色编码在数据可视化中的多功能性，作者提出可以使用颜色对比度编码来可视化光线的方向。3D光场检测的基本设计涉及将钙钛矿纳米晶体光刻图案化到透明基板上，然后可以通过将图案化的薄膜基板与彩色电荷耦合器件 (CCD)集成，将入射光线的角度转换为特定的颜色输出，从而构建3D光场传感器。作为概念证明，根据文献合成了无机钙钛矿纳米晶体（CsPbX₃；X=Cl、Br 或I），发现由钙钛矿纳米晶体制成的方位角探测器具有更高的角分辨率，这是因为钙钛矿纳米晶体的颜色覆盖范围更广，颜色饱和度更高。

图  使用像素化钙钛矿纳米晶体阵列进行X射线到可见光场检测

像素化颜色转换表征

具有不同色域的单方位检测器产生不同形状的颜色图。具有红色、绿色和蓝色输出的纳米晶体可以检测到极小的角度变化。作者利用这一特性，在红色、绿色和蓝色传感器芯片上构建了一个单一的三色方位检测器，在405nm波长和8mW 功率下产生约0.0018°角度变化的检测限。接着，作者设计并制造了两个相互垂直排列的方位角检测器，用于全向光场检测。两个方位探测器在不同的入射角下产生了两种类型的彩色图。进一步设计了方位探测器阵列来对3D光方向进行成像，其中钙钛矿纳米晶体的相邻像素相互垂直排列。作者还将钙钛矿纳米晶体阵列薄膜集成到配备彩色CCD的数码相机中，实现了光线入射角度的颜色可视化。

图  用于3D光场传感的像素化颜色转换的表征

真实场景的三维成像

基于像素化钙钛矿纳米晶体阵列的光场传感器的直接应用是3D成像和光检测与测距。该成像系统基于三角测量法，由一个多线结构光源、两个聚光透镜和一个涂有纳米晶阵列薄膜的彩色CCD组成。在来自不同角度光入射下，使用钙钛矿纳米晶体阵列捕获的图像用作每个方位检测器的颜色响应和入射光角度的对应图。测量显示在0.5米的距离处的最佳深度精度约为0.5毫米。光场传感器在不同距离处成像的物体尺寸与其实际尺寸一致。对于具有精细结构的物体，例如键盘和梳子，也可以进行图像重建。此外，作者通过像素化颜色转换获得了几个不同颜色、大小和材料的物体的3D图像。

图  通过像素化颜色转换对真实场景进行三维成像

相衬成像

像素化颜色转换的另一个重要应用是从X射线到可见光的宽波长范围内的相衬成像。基于纳米晶体阵列的光场传感器可以直接测量可见光或X射线的特定角度，无需微透镜阵列即可重建波前。首先通过光场传感器表征硬X射线束的发散波前。测得的波前曲率与分析计算吻合得很好。此外，使用聚二甲基硅氧烷图案上的可见光和商用聚甲基丙烯酸甲酯上的X射线进行相衬成像。与吸收对比成像相比，相衬成像可以更详细地观察表面结构。进一步比较了基于图案化纳米晶体阵列的光场传感器与基于微透镜阵列的传统Shack-Hartmann传感器，纳米晶体光场传感器的制造非常稳健，在大面积上具有高均匀性。

图  通过像素化颜色转换对X射线和可见光进行相衬成像

总之，作者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，可用于3D光场检测、绝对空间定位、3D 成像以及可见光和X射线相衬成像。通过目前的设计，已经实现了大约0.0018°的矢量灵敏度和0.002–550nm的波长响应范围。通过集成高端颜色检测器，可以进一步提高角度精度。借助先进的光刻方法和最先进的处理技术，可以实现超过每平方毫米10⁴个像素的方位探测器密度，这可以大大提高图像的空间分辨率。

参考文献：

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