Wetenschappers ontwikkelen een nieuwe lichtveldsensor voor 3D-scèneconstructie met een ongekende hoekresolutie

Een onderzoeksteam van de Faculteit Wetenschappen van de National University of Singapore (NUS), onder leiding van professor Liu Xiaogang van de afdeling Scheikunde, heeft een 3D-beeldsensor ontwikkeld met een extreem hoge hoekresolutie, het vermogen van een optisch instrument om onderscheid punten van een object gescheiden door een kleine hoekafstand van 0,0018^O. Deze innovatieve sensor werkt volgens een uniek conversieprincipe van hoek naar kleur, waardoor hij 3D-lichtvelden kan detecteren over het spectrum van röntgenstraling naar zichtbaar licht.

Een lichtveld omvat de gecombineerde intensiteit en richting van lichtstralen, die het menselijk oog kan verwerken om de ruimtelijke relatie tussen objecten nauwkeurig te detecteren. Traditionele lichtdetectietechnologieën zijn echter minder effectief. De meeste camera’s kunnen bijvoorbeeld alleen tweedimensionale beelden produceren, wat voldoende is voor gewone fotografie, maar onvoldoende voor meer geavanceerde toepassingen, waaronder virtual reality, zelfrijdende auto’s en biologische beeldvorming. Deze toepassingen vereisen een nauwkeurige 3D-scèneconstructie van een bepaalde ruimte.

Zelfrijdende auto’s zouden bijvoorbeeld lichtvelddetectie kunnen gebruiken om straten te bekijken en gevaren op de weg nauwkeuriger in te schatten om hun snelheid dienovereenkomstig aan te passen. Lichtvelddetectie zou chirurgen ook in staat kunnen stellen om de anatomie van een patiënt op verschillende diepten nauwkeurig in beeld te brengen, waardoor ze preciezere incisies kunnen maken en het risico op letsel van een patiënt beter kunnen inschatten.

“Momenteel gebruiken lichtvelddetectoren een reeks lenzen of fotonische kristallen om meerdere beelden van dezelfde ruimte vanuit veel verschillende hoeken te verkrijgen. Het integreren van deze elementen in halfgeleiders voor praktisch gebruik is echter ingewikkeld en kostbaar”, legt prof. Liu uit. “Conventionele technologieën kunnen alleen lichtvelden detecteren in het golflengtebereik van ultraviolet tot zichtbaar licht, wat leidt tot beperkte toepasbaarheid bij röntgendetectie.”

Bovendien heeft de lichtveldsensor van het NUS-team, in vergelijking met andere lichtveldsensoren zoals microlens-arrays, een groter hoekmeetbereik van meer dan 80 graden, een hoge hoekresolutie die mogelijk minder dan 0,015 graden kan zijn voor kleinere sensoren, en een breder spectraal responsbereik tussen 0,002 nm en 550 nm. Dankzij deze specificaties kan de nieuwe sensor 3D-beelden vastleggen met een hogere diepteresolutie. De doorbraak werd gepubliceerd in Natuur op 10 mei 2023.

Mogelijk gemaakt door perovskiet nanokristallen

De kern van de nieuwe lichtveldsensor zijn anorganische perovskiet-nanokristallen – verbindingen met uitstekende opto-elektronische eigenschappen. Vanwege hun bestuurbare nanostructuren zijn perovskiet-nanokristallen efficiënte lichtemitters, met een excitatiespectrum dat zich uitstrekt van röntgenstralen tot zichtbaar licht. De interacties tussen perovskiet-nanokristallen en lichtstralen kunnen ook worden afgestemd door hun chemische eigenschappen zorgvuldig te veranderen of door kleine hoeveelheden onzuiverheidsatomen te introduceren.

NUS-onderzoekers hebben perovskietkristallen van een patroon voorzien op een transparant dunne-filmsubstraat en deze geïntegreerd in een kleurladingsgekoppeld apparaat (CCD), dat binnenkomende lichtsignalen omzet in een kleurgecodeerde output. Dit kristal-omzettersysteem omvat een functionele basiseenheid van de lichtveldsensor.

Wanneer invallend licht de sensor raakt, raken de nanokristallen opgewonden. De perovskieteenheden stralen op hun beurt hun eigen licht uit in verschillende kleuren, afhankelijk van de hoek waaronder de invallende lichtstraal invalt. De CCD legt de uitgezonden kleur vast, die vervolgens kan worden gebruikt voor 3D-beeldreconstructie.

“Een enkele hoekwaarde is echter niet genoeg om de absolute positie van het object in een driedimensionale ruimte te bepalen”, zegt Dr. Yi Luying, Research Fellow bij de NUS Department of Chemistry en de eerste auteur van het artikel. “We ontdekten dat het toevoegen van een andere standaard kristalomzetter loodrecht op de eerste detector en deze te combineren met een ontworpen optisch systeem nog meer ruimtelijke informatie over het object in kwestie zou kunnen opleveren.”

Vervolgens testten ze hun lichtveldsensor in proof-of-concept-experimenten en ontdekten dat hun aanpak inderdaad 3D-beelden kan vastleggen – met nauwkeurige reconstructies van diepte en dimensie – van objecten die op 1,5 meter afstand zijn geplaatst.

Hun experimenten toonden ook het vermogen aan van de nieuwe lichtveldsensor om zelfs zeer fijne details op te lossen. Er werd bijvoorbeeld een nauwkeurig beeld van een computertoetsenbord gemaakt dat zelfs de ondiepe uitsteeksels van individuele toetsen vastlegde.

Toekomstig onderzoek

Prof Liu en zijn team onderzoeken methoden om de ruimtelijke nauwkeurigheid en resolutie van hun lichtveldsensor te verbeteren, zoals het gebruik van hoogwaardige kleurdetectoren. Het team heeft ook een internationaal patent aangevraagd voor de technologie.

“We zullen ook meer geavanceerde technologieën onderzoeken om perovskietkristallen dichter op het transparante substraat te vormen, wat zou kunnen leiden tot een betere ruimtelijke resolutie. Het gebruik van andere materialen dan perovskiet kan ook het detectiespectrum van de lichtveldsensor vergroten”, aldus prof. Liu.