Новости

Jan 04, 2024

Икс

Том Nature 618, страницы 281–286 (2023) Цитировать эту статью 12k Доступов 99 Подробности Altmetric Metrics Обнаружение светового поля измеряет как интенсивность световых лучей, так и их точное направление в свободном пространстве.

Nature, том 618, страницы 281–286 (2023 г.) Процитировать эту статью

12 тысяч доступов

99 Альтметрика

Подробности о метриках

Обнаружение светового поля измеряет как интенсивность световых лучей, так и их точное направление в свободном пространстве. Однако современные методы обнаружения светового поля либо требуют сложных матриц микролинз, либо ограничены диапазонами длин волн ультрафиолетового и видимого света1,2,3,4. Здесь мы представляем надежный масштабируемый метод, основанный на массивах нанокристаллов перовскита с литографическим рисунком, который можно использовать для определения векторов излучения от рентгеновских лучей до видимого света (0,002–550 нм). С помощью этих многоцветных массивов нанокристаллов лучи света с определенных направлений могут быть преобразованы в пиксельные цветные изображения с угловым разрешением 0,0018°. Мы обнаружили, что трехмерное обнаружение светового поля и пространственное позиционирование источников света возможны путем модификации массивов нанокристаллов с определенной ориентацией. Мы также демонстрируем трехмерную визуализацию объектов, а также фазово-контрастную визуализацию в видимом свете и рентгеновских лучах путем объединения пиксельных массивов нанокристаллов с цветным устройством с зарядовой связью. Способность определять направление света за пределами оптических длин волн посредством кодирования цветового контраста может открыть новые применения, например, в трехмерной фазово-контрастной визуализации, робототехнике, виртуальной реальности, томографической биологической визуализации и спутниковой автономной навигации.

Достижения в области материалов и полупроводниковых процессов произвели революцию в разработке и производстве микро- и нанофотодетекторов. Но пиксели большинства датчиков фиксируют только интенсивность электромагнитных волн. В результате теряется вся информация о фазе объектов и дифрагированных световых волн5,6,7,8,9,10. Хотя одной только информации об интенсивности достаточно для традиционных приложений, таких как двумерная фотография и визуализация под микроскопом, это ограничение затрудняет приложения для трехмерных (3D) и четырехмерных изображений, включая фазово-контрастные изображения, обнаружение света и определение дальности, автономные транспортные средства, виртуальные реальность и исследование космоса11,12,13,14,15,16,17,18,19. Оптическая матрица микролинз или фотонных кристаллов с пикселизированными фотодиодами обычно используется для измерения светового поля или распределения направлений света и, таким образом, для характеристики фазовой информации. Тем не менее, интеграция этих элементов в комплементарные структуры металл-оксид-полупроводник является дорогостоящей и сложной задачей4,20,21,22. Оптические резонансы в субволновых полупроводниковых структурах позволяют создавать чувствительные к углу структуры путем манипулирования взаимодействиями света и вещества23,24,25,26,27,28. Однако большинство из них зависят от длины волны или поляризации и требуют материалов с высоким показателем преломления29. Более того, обнаружение и контроль светового вектора в настоящее время ограничены длинами волн ультрафиолетового и видимого света. Хотя некоторые датчики, использующие структуры Шака-Гартмана или Хартмана, способны измерять фазу в крайнем ультрафиолетовом диапазоне, измерения фазы жестких рентгеновских лучей и гамма-лучей остаются сложной задачей, поскольку лучи высокой энергии невозможно сфокусировать с помощью обычных зеркал или микролинз30,31 .

Благодаря универсальности цветового кодирования при визуализации данных мы предложили использовать кодирование цветового контраста для визуализации направлений световых лучей. Чтобы проверить нашу гипотезу, мы выбрали неорганические нанокристаллы перовскита из-за их превосходных оптоэлектронных свойств32,33,34,35. Они также демонстрируют высокоэффективное и настраиваемое излучение с высокой цветовой насыщенностью во всем видимом спектре при облучении рентгеновскими лучами или видимым светом. Кроме того, нанокристаллы перовскита на основе олова могут иметь оптическую запрещенную зону, простирающуюся в ближнюю инфракрасную область света36,37. Фундаментальная конструкция трехмерного обнаружения светового поля включает литографическое нанесение рисунка нанокристаллов перовскита на прозрачную подложку (рис. 1а). Затем можно создать трехмерный датчик светового поля путем интеграции тонкопленочной подложки с рисунком с цветным устройством с зарядовой связью (CCD), которое преобразует угол падающих световых лучей в определенный цветовой сигнал. Базовым блоком 3D-датчика светового поля является одиночный азимутальный детектор, состоящий из многоцветно излучающих нанокристаллов перовскита. Когда падающий свет падает на узорчатые нанокристаллы, угол азимута α между падающим светом и опорной плоскостью можно определить путем измерения цветовой мощности базового устройства (рис. 1б). В частности, два азимутальных детектора, расположенные перпендикулярно друг другу, могут осуществлять трехмерное зондирование направления света и определять угол азимута φ и угол места θ падающего света в сферических координатах. Для определения абсолютного положения источника света можно расположить три детектора азимута для создания корреляции между тремя соответствующими углами азимута α1, α2 и α3, закодированными в выходных цветовых сигналах.