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Jan 04, 2024

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Nature Band 618, Seiten 281–286 (2023) Diesen Artikel zitieren 12.000 Zugriffe 99 Details zu altmetrischen Metriken Die Lichtfelderkennung misst sowohl die Intensität von Lichtstrahlen als auch deren genaue Richtung im Freien

Nature Band 618, Seiten 281–286 (2023)Diesen Artikel zitieren

12.000 Zugriffe

99 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die Lichtfelddetektion misst sowohl die Intensität der Lichtstrahlen als auch deren genaue Richtung im freien Raum. Aktuelle Techniken zur Lichtfelddetektion erfordern jedoch entweder komplexe Mikrolinsenarrays oder sind auf die Wellenlängenbereiche von ultraviolettem bis sichtbarem Licht beschränkt1,2,3,4. Hier stellen wir eine robuste, skalierbare Methode vor, die auf lithographisch strukturierten Perowskit-Nanokristall-Arrays basiert und zur Bestimmung von Strahlungsvektoren von Röntgenstrahlen bis hin zu sichtbarem Licht (0,002–550 nm) verwendet werden kann. Mit diesen mehrfarbigen Nanokristall-Arrays können Lichtstrahlen aus bestimmten Richtungen in pixelige Farbausgaben mit einer Winkelauflösung von 0,0018° umgewandelt werden. Wir stellen fest, dass eine dreidimensionale Lichtfelddetektion und räumliche Positionierung von Lichtquellen durch Modifizieren von Nanokristall-Arrays mit spezifischen Ausrichtungen möglich ist. Wir demonstrieren auch die dreidimensionale Objektabbildung sowie die Phasenkontrastabbildung mit sichtbarem Licht und Röntgenstrahlen, indem wir pixelige Nanokristall-Arrays mit einem ladungsgekoppelten Farbgerät kombinieren. Die Fähigkeit, Lichtrichtungen über optische Wellenlängen hinaus durch Farbkontrastkodierung zu erkennen, könnte neue Anwendungen ermöglichen, beispielsweise in der dreidimensionalen Phasenkontrastbildgebung, der Robotik, der virtuellen Realität, der tomografischen biologischen Bildgebung und der autonomen Satellitennavigation.

Fortschritte bei Materialien und Halbleiterprozessen haben das Design und die Herstellung von Mikro- und Nano-Fotodetektoren revolutioniert. Doch die Pixel der meisten Sensoren erfassen nur die Intensität elektromagnetischer Wellen. Dadurch gehen alle Phaseninformationen der Objekte und gebeugten Lichtwellen verloren5,6,7,8,9,10. Obwohl Intensitätsinformationen allein für herkömmliche Anwendungen wie zweidimensionale Fotografie und Mikroskopie-Bildgebung ausreichen, behindert diese Einschränkung dreidimensionale (3D) und vierdimensionale Bildgebungsanwendungen, einschließlich Phasenkontrastbildgebung, Lichterkennung und -entfernung, autonome Fahrzeuge und virtuelle Realität und Weltraumforschung11,12,13,14,15,16,17,18,19. Zur Messung des Lichtfeldes bzw. der Verteilung der Lichtrichtungen und damit zur Charakterisierung von Phaseninformationen wird üblicherweise ein optisches Array aus Mikrolinsen oder photonischen Kristallen mit pixelierten Fotodioden verwendet. Dennoch ist die Integration dieser Elemente in komplementäre Metalloxid-Halbleiterarchitekturen kostspielig und komplex4,20,21,22. Optische Resonanzen in Halbleiterstrukturen im Subwellenlängenbereich ermöglichen die Entwicklung winkelempfindlicher Strukturen durch Manipulation von Licht-Materie-Wechselwirkungen23,24,25,26,27,28. Die meisten von ihnen sind jedoch wellenlängen- oder polarisationsabhängig und erfordern Materialien mit einem hohen Brechungsindex29. Darüber hinaus sind die Erkennung und Steuerung von Lichtvektoren derzeit auf die Wellenlängen von ultraviolettem und sichtbarem Licht beschränkt. Obwohl mehrere Sensoren mit Shack-Hartmann- oder Hartmann-Strukturen Phasenmessungen im extrem ultravioletten Lichtbereich durchführen können, bleiben Phasenmessungen von harten Röntgen- und Gammastrahlen eine Herausforderung, da hochenergetische Strahlen nicht mit herkömmlichen Spiegeln oder Mikrolinsen fokussiert werden können30,31 .

Aufgrund der Vielseitigkeit der Farbkodierung bei der Datenvisualisierung haben wir vorgeschlagen, die Farbkontrastkodierung zur Visualisierung der Richtungen von Lichtstrahlen zu verwenden. Um unsere Hypothese zu testen, haben wir anorganische Perowskit-Nanokristalle aufgrund ihrer hervorragenden optoelektronischen Eigenschaften ausgewählt32,33,34,35. Sie zeigen außerdem eine hocheffiziente und einstellbare Emission mit hoher Farbsättigung im gesamten sichtbaren Spektrum unter Röntgen- oder sichtbarer Lichtbestrahlung. Darüber hinaus können Sn-basierte Perowskit-Nanokristalle optische Bandlücken aufweisen, die bis in den nahen Infrarotlichtbereich reichen36,37. Ein grundlegender Entwurf für eine 3D-Lichtfelddetektion besteht darin, Perowskit-Nanokristalle lithographisch auf einem transparenten Substrat zu strukturieren (Abb. 1a). Anschließend kann ein 3D-Lichtfeldsensor konstruiert werden, indem das strukturierte Dünnschichtsubstrat mit einem ladungsgekoppelten Farbbauelement (CCD) integriert wird, das den Winkel der einfallenden Lichtstrahlen in eine bestimmte Farbausgabe umwandelt. Die Grundeinheit des 3D-Lichtfeldsensors ist ein einzelner Azimutdetektor, der aus mehrfarbig emittierenden Perowskit-Nanokristallen besteht. Wenn einfallendes Licht auf strukturierte Nanokristalle trifft, kann der Azimutwinkel α zwischen dem einfallenden Licht und der Referenzebene durch Messung der Farbausgabe der Grundeinheit erfasst werden (Abb. 1b). Insbesondere können zwei senkrecht zueinander angeordnete Azimutdetektoren eine 3D-Lichtrichtungserfassung realisieren und den Azimutwinkel φ und den Höhenwinkel θ des einfallenden Lichts in sphärischen Koordinaten bestimmen. Um die absolute Position einer Lichtquelle zu bestimmen, können drei Azimutdetektoren angeordnet werden, um eine Korrelation zwischen den drei entsprechenden Azimutwinkeln α1, α2 und α3 zu erzeugen, die in den Farbausgängen kodiert sind.

a, Design des 3D-Lichtfeldsensors auf Basis pixelierter Farbkonvertierung. Lichtfeldempfindliche Pixel, die aus gemusterten Perowskit-Nanokristallen auf einer transparenten Folie bestehen, wandeln Licht aus verschiedenen Richtungen in Lumineszenzsignale unterschiedlicher Farbe um, die von einem Farb-CCD erfasst werden können. UV-vis, ultraviolett-sichtbares Licht. b, Das Funktionsprinzip der Lichtfelderfassung durch Farbumwandlung. Die Grundeinheit des 3D-Lichtfeldsensors ist ein einzelner Azimutdetektor, der aus mehrfarbig emittierenden Perowskit-Nanokristallen besteht. Die Farbe der ausgegebenen Lumineszenz hängt vom Winkel α zwischen dem einfallenden Licht und der Referenzebene ab. Zwei senkrecht angeordnete Azimutdetektoren können eine 3D-Lichtfelderfassung realisieren und den Azimutwinkel φ und den Höhenwinkel θ des einfallenden Lichts in sphärischen Koordinaten bestimmen. Durch die Anordnung von drei Azimutdetektoren ermöglicht die Korrelation der drei Azimutwinkel α1, α2 und α3, die in den Farbausgaben der drei Azimutdetektoren codiert sind, die Erkennung der absoluten Position (x, y, z) einer Lichtquelle. c, Chromatizitätsreaktionen eines einzelnen Azimutdetektors bei Lichteinfall von 0° bis 360° relativ zur Referenzebene. Rote, grüne und schwarze Punkte entsprechen den drei Azimutwinkeln α1, α2 bzw. α3, die mit den drei in b gezeigten Azimutdetektoren aufgezeichnet wurden. d, Chromatizitätsreaktion eines einzelnen Azimutdetektors auf Perowskit-Nanokristallbasis bei Lichteinfall von 0° bis 360°, relativ zur Kontrolle, bestehend aus ZnS:Cu2+/Mn2+- und SrAl2O4:Eu2+/Dy3+-Leuchtstoffen.

Als Proof of Concept haben wir anorganische Perowskit-Nanokristalle (CsPbX3; X = Cl, Br oder I) gemäß der Literatur36,38,39 (Ergänzende Informationen, Abschnitt 1) ​​synthetisiert. Wir haben drei Sätze von Perowskit-Quantenpunkten mit Emissionen bei 445 nm, 523 nm und 652 nm ausgewählt, um einen einzelnen Azimutdetektor zu konstruieren. Wenn Licht in einem Winkel von 0° bis 360° relativ zur Referenzrichtung einfällt, bildet der erkannte Farbraum ein großes Dreieck im xy-Chromatizitätsdiagramm der Commission Internationale de l'éclairage (CIE) (Abb. 1c). Die Position der Farbausgabe im Farbdiagramm bestimmt den Einfallswinkel des Lichts und ein größeres Dreieck weist auf eine höhere Winkelauflösung hin. Wir fanden heraus, dass der Farbraum von Azimutdetektoren aus Perowskit-Nanokristallen ein größeres Dreieck im Chromatizitätsdiagramm bildet als Detektoren aus ZnS:Cu2+/Mn2+ und SrAl2O4:Eu2+/Dy3+-Leuchtstoffen (Abb. 1d). Azimutdetektoren erzeugen aufgrund der breiteren Farbabdeckung und höheren Farbsättigung von Perowskit-Nanokristallen eine höhere Winkelauflösung.

Einzelne Azimutdetektoren mit unterschiedlichen Farbskalen erzeugen Farbdiagramme unterschiedlicher Form (Abb. 2a). Nanokristalle mit roten, grünen und blauen Ausgängen können extrem kleine Winkeländerungen erkennen. Wir nutzten diese Eigenschaft und bauten einen einzelnen Dreifarben-Azimutdetektor auf einem roten, grünen und blauen Sensorchip, der einfallendes Licht von 0° bis 360° in verschiedene CIE-XYZ-Tristimuluswerte der Lumineszenz umwandelt (Abb. 2b). Die minimal erkennbare Winkeländerung wird durch das Kontrastverhältnis der Farbwiedergabe und durch das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) des Farbsensors bestimmt. Jede Primärfarbe in unseren Tests enthält 65.536 Stufen, was eine Nachweisgrenze von etwa 0,0018° Winkeländerung bei einer Wellenlänge von 405 nm und einer Leistung von 8 mW ergibt (Abb. 2c).

a, Chromatizitätsreaktionen einzelner azimutaler Detektoren, die aus drei-, vier- und fünffarbigen Perowskit-Nanokristallen bestehen, als Funktion der Richtung des einfallenden Lichts. b, CIE-Farbwerte X, Y und Z der Ausgangslumineszenz eines einzelnen Azimutdetektors als Funktion der Richtung des einfallenden Lichts. AU, beliebige Einheiten. c: Azimut-Auflösungsmessung für sichtbares Licht (405 nm) mit einem einzelnen Azimut-Detektor, mit einer minimalen erkennbaren Winkeländerung von 0,0018°. Anregungswellenlänge (Ex), 450 nm. d, Zwei Arten von Farbkarten, aufgezeichnet von zwei senkrecht ausgerichteten Azimutdetektoren mit Licht, das aus unterschiedlichen Azimutwinkeln φ und Elevationswinkeln θ einfällt. e, Konturlinien, extrahiert aus den beiden Farbkarten in d. Eine eindeutige Einfallsrichtung kann durch Kombination der Farbwerte von zwei Azimutdetektoren bestimmt werden. f, Draufsicht auf die azimutalen Detektorarrays zur Abbildung der 3D-Lichtrichtung, in denen benachbarte Pixel aus Perowskit-Nanokristallen senkrecht ausgerichtet sind. Die beiden von der Ellipse umschlossenen Detektoren können den Winkel des auf den Mittelpunkt der Ellipse einfallenden Strahls bestimmen. Eingefügte Seitenansicht eines gemusterten Pixels. g, Foto eines 3D-Lichtfeldsensors, der durch Integration des Perowskit-Nanokristall-Arrays in ein Farb-CCD hergestellt wurde. Einschub: ein Ausschnitt aus dem Mikroskopbild von nanokristallbasierten Azimutdetektoren. Maßstabsbalken, 150 μm (g).

Als nächstes haben wir zwei senkrecht zueinander angeordnete Azimutdetektoren für die omnidirektionale Lichtfelderkennung entworfen und hergestellt (Abb. 2d). In sphärischen Koordinaten können der Azimutwinkel φ und der Elevationswinkel θ für jeden einfallenden Strahl mithilfe der Formel φ = arctan(tan α1/tan α2) bzw. θ = arctan[(tan2 α1 + tan2 α2)1/2] berechnet werden , wobei α1 und α2 aus den Emissionsfarben der beiden Azimutdetektoren erhalten werden (Ergänzende Informationen, Abschnitte 2–4). Die beiden Azimutdetektoren lieferten zwei Arten von Farbkarten bei unterschiedlichen Einfallswinkeln. Die Konturen der beiden Farbkarten im Polarplot ermöglichen die Bestimmung spezifischer Einfallswinkel durch Kombination der Farbwerte zweier Azimutdetektoren (Abb. 2e). Wir haben außerdem azimutale Detektorarrays entwickelt, um die 3D-Lichtrichtung abzubilden, in denen benachbarte Pixel von Perowskit-Nanokristallen senkrecht zueinander ausgerichtet waren (Abb. 2f). Der Einfachheit halber wird der von Detektoren parallel zur x-Achse erfasste Winkel mit αi,j bezeichnet (wobei sich i und j auf die Zeilen und Spalten der Nanokristall-Arrays beziehen); Der von Detektoren parallel zur y-Achse erfasste Winkel wird mit βi,j bezeichnet. Jeder der beiden Azimutdetektoren, die senkrecht zueinander stehen, kann den Winkel des Strahleinfalls in der Mitte der beiden Pixel rekonstruieren. Beispielsweise können α1,1 und β1,2 zur Berechnung des 3D-Winkels des am Punkt s11 einfallenden Strahls verwendet werden, wohingegen β2,1 und α1,1 zur Berechnung des 3D-Winkels des am Punkt s21 einfallenden Strahls verwendet werden können. Daher wird die bildgebende räumliche Auflösung der Nanokristall-Arrays durch den Abstand zwischen s11 und s12 bestimmt. Als nächstes haben wir einen dünnen Film aus Perowskit-Nanokristall-Arrays in eine Digitalkamera integriert, die mit einem Farb-CCD ausgestattet ist (Abb. 2g). Das CCD hat eine lichtempfindliche Fläche von 10 mm × 14 mm und eine Pixelgröße von 2,5 μm2 × 2,5 μm2; Die Pixelgröße eines einzelnen Azimutdetektors beträgt 50 μm2 × 50 μm2.

Eine direkte Anwendung des Lichtfeldsensors, der auf pixelierten Perowskit-Nanokristall-Arrays basiert, ist die 3D-Bildgebung sowie die Lichterkennung und -entfernung (Abb. 3a). Dieses Bildgebungssystem basiert auf einer Triangulationsmethode und besteht aus einer mehrzeiligen strukturierten Lichtquelle, zwei Linsen zur Lichtsammlung und einem Farb-CCD, der mit einer dünnen Schicht aus Nanokristall-Arrays beschichtet ist. Der Objektabstand z wird durch Messung des Winkels des vom Objekt zu den Nanokristall-Arrays reflektierten Lichts bestimmt – das heißt, eine hohe Winkelauflösung sorgt für eine hohe Tiefenauflösung. Bei einer gegebenen Pixelgröße (50 μm2 × 50 μm2) werden die theoretische Tiefenauflösung und der erkennbare Bereich im Vergleich zu herkömmlichen Triangulationsmethoden um etwa das Zehnfache bzw. Dreifache verbessert (Ergänzende Informationen, Abschnitte 5–7). Um die Datengenauigkeit zu verbessern, wurden zuerst diese Nanokristall-Arrays und dann das Bildgebungssystem kalibriert (Abb. 3b und Abschnitte 8 und 9 mit ergänzenden Informationen). Bei Lichteinfall aus unterschiedlichen Winkeln θ und 𝜙 dienen Bilder, die mit einem Perowskit-Nanokristall-Array aufgenommen wurden, als entsprechende Karte der Farbreaktion jedes Azimutdetektors und des Winkels des einfallenden Lichts. Um die Abbildungsleistung unseres Prototyps quantitativ zu bewerten, haben wir seine Tiefengenauigkeit als Funktion der Szenentiefe und der radialen Position innerhalb des Sichtfelds gemessen (Abb. 3c). Diese Messungen zeigten eine optimale Tiefengenauigkeit von etwa 0,5 mm bei einer Entfernung von 0,5 m, obwohl die Tiefengenauigkeit bei einer Entfernung von 2 m leicht auf etwa 1,5 mm abnahm. Die Tiefengenauigkeit des Detektors wird durch die Leistung und den Winkel des einfallenden Lichts beeinflusst. Um eine hohe Winkelauflösung zu gewährleisten, muss die Leistung der strukturierten Lichtquelle ausreichend sein. Die Tiefengenauigkeit variiert auch abhängig von der Intensität des Hintergrundlichts, wenn der Detektor unter natürlichen oder künstlichen Lichtbedingungen verwendet wird (Ergänzende Informationen, Abschnitt 10). Die Abmessungen der vom Lichtfeldsensor abgebildeten Objekte in unterschiedlichen Entfernungen (0,7 m und 1,5 m) stimmen mit ihren tatsächlichen Abmessungen überein (Abb. 3d, e). Eine Bildrekonstruktion ist auch für Objekte mit feinen Strukturen wie Tastaturen und Kämmen möglich (Abb. 3f und Abschnitt 11 mit ergänzenden Informationen). Unzureichende Lichtrückgabe oder zufälliges Rauschen können dazu führen, dass Pixel nicht erkannt werden. Darüber hinaus haben wir durch pixelige Farbkonvertierung 3D-Bilder mehrerer Objekte unterschiedlicher Farbe, Größe und Material in zunehmender Tiefe erhalten (Ergänzende Informationen, Abschnitt 11).

a, Schematische Darstellung des Versuchsaufbaus. Auf das Objekt fällt mehrzeilig strukturiertes Licht; Linse 1 und Linse 2 fangen das reflektierte Licht ein und leiten es an Perowskit-Nanokristall-Arrays weiter. Ein Farb-CCD misst dann die Farbe jedes Azimutdetektors, um den entsprechenden Abstand zu den Szenen zu berechnen. b, Repräsentative Bilder von Perowskit-Nanokristall-Arrays mit einfallendem Licht aus verschiedenen Richtungen. c, Mittlere Tiefengenauigkeit, aufgetragen als Funktion der Szenentiefe und der radialen Position im Sichtfeld. Als Zielobjekt dient ein beweglicher, flacher, weißer Bildschirm. Für jeden Projektionswinkel wurden zehn Messversuche und für jede Tiefe 20 Messversuche durchgeführt. Bei den Daten handelt es sich um Mittelwerte ± Sem d,e, 3D-Bilder von Szenen in 0,7 m und 1,5 m Entfernung. f, 3D-Tiefenbild einer Tastatur, aufgenommen mit dem 3D-Lichtfeldsensor. Die Farbkarte gibt den Abstand vom Bildpunkt zur Z-Achse im Ursprung an (x = 0, y = 0). Maßstabsbalken, 150 μm (b).

Eine weitere wichtige Anwendung der pixelierten Farbkonvertierung ist die Phasenkontrastbildgebung über einen breiten Wellenlängenbereich von Röntgenstrahlen bis hin zu sichtbarem Licht (0,002–550 nm). Bei der Phasenkontrastbildgebung mit einem herkömmlichen Shack-Hartmann-Wellenfrontsensor zeichnen Mikrolinsenarrays den Einfallswinkel auf eine Reihe von Gitterpunkten auf, die die Wellenfront bestimmen (Abb. 4a und Abschnitte 12 und 13 mit ergänzenden Informationen). Ein auf Nanokristall-Arrays basierender Lichtfeldsensor kann den spezifischen Winkel von sichtbarem Licht oder Röntgenstrahlen direkt messen, um die Wellenfront ohne Mikrolinsenarrays zu rekonstruieren. Wir haben zunächst die divergierende Wellenfront eines harten Röntgenstrahls charakterisiert, indem wir den Lichtfeldsensor 14 mm von der Röntgenquelle entfernt platziert haben (Abb. 4b). Die gemessene Wellenfrontkrümmung stimmt gut mit analytischen Berechnungen überein; Der vom Lichtfeldsensor gemessene maximale Winkel beträgt 40,6°. Wir haben auch die Wellenfronten des sichtbaren Lichts in der Bildebene abgebildet, wenn eine Linse mit sichtbarem Licht in zwei verschiedenen Feldwinkeln beleuchtet wurde (Abb. 4c, d). Darüber hinaus wurde eine Phasenkontrastbildgebung unter Verwendung von sichtbarem Licht auf Polydimethylsiloxan (PDMS)-Mustern und Röntgenstrahlen auf handelsüblichen Polymethylmethacrylat (PMMA)-Stäben durchgeführt (Abb. 4e, f). Oberflächenstrukturen können durch Phasenkontrastbildgebung detaillierter gesehen werden als durch Absorptionskontrastbildgebung.

a, Prinzipien der Hartmann- oder Shack-Hartmann-Wellenfrontabbildung (oben) und Wellenfrontabbildung basierend auf unseren 3D-Lichtfeldsensorarrays (unten). b, Messung einer divergierenden Wellenfront von Röntgenstrahlen 14 mm von der Röntgenquelle entfernt. c,d: Wellenfronten, gemessen in der Bildebene, wenn eine Linse mit sichtbarem Licht in den Feldwinkeln (Fx = 0°, Fy = 20°) bzw. (Fx = 30°, Fy = 40°) beleuchtet wird. Fx und Fy stellen Feldwinkel in x- bzw. y-Richtung dar. Die Brennweite und Blende des Objektivs betragen 60 mm bzw. 25,4 mm. e, Bild der optischen Intensität eines strukturierten PDMS-Substrats (links) und seines Phasenprofils (rechts), gemessen mit dem 3D-Lichtfeldsensor. Die Dicke der Oberflächenstrukturen beträgt 0,6 mm und die Wellenlänge des Lasers beträgt 405 nm. f, Absorptionskontrastbild zweier kommerzieller PMMA-Stäbe (1 mm und 2 mm Durchmesser; 50 kV Röntgenstrahlen) und die entsprechende Phasengradientenkarte, gemessen mit dem 3D-Lichtfeldsensor. Die Phasenbildgebung des gelb gestrichelten Kästchenbereichs wird mithilfe der Zusatzgleichung (32) der Zusatzinformationen erreicht. Maßstabsbalken, 1 mm (e).

Darüber hinaus haben wir Lichtfeldsensoren, die auf strukturierten Nanokristall-Arrays basieren, mit herkömmlichen Shack-Hartmann-Sensoren, die auf Mikrolinsen-Arrays basieren, verglichen. Die Herstellung von Nanokristall-Lichtfeldsensoren ist im Vergleich zur Herstellung von Mikrolinsenarrays äußerst robust und weist eine hohe Gleichmäßigkeit über eine große Fläche auf. In unserem Experiment beträgt die räumliche Abtastdichte 400 Punkte pro mm2, die Winkelauflösung beträgt ca. 0,015° und der dynamische Winkelbereich ist größer als 80°. Im Gegensatz dazu haben Shack-Hartmann-Sensoren bei gleicher Abtastdichte typischerweise einen Dynamikbereich von weniger als 2°. Der Nanokristall-Lichtfeldsensor kann für einen größeren Spektralbereich eingesetzt werden. Allerdings ermöglichen Mikrolinsen-Array-Sensoren aufgrund ihrer Fokussierungswirkung eine bessere Sammlung sichtbaren Lichts. Im Vergleich zur Spot-Lokalisierungsmethode mit Shack-Hartmann-Sensoren, die von der Qualität des Spots und zufälligem Rauschen beeinflusst wird, kann die Messung des Farbverhältnisses in Nanokristall-Lichtfeldsensoren robuster sein.

Abschließend haben wir eine pixelige Farbkonvertierungsstrategie vorgestellt, die auf Perowskit-Nanokristall-Arrays für die 3D-Lichtfelderkennung, die absolute räumliche Positionierung, die 3D-Bildgebung sowie die Phasenkontrastbildgebung mit sichtbarem Licht und Röntgenstrahlung basiert. Mit dem aktuellen Design haben wir eine Vektorempfindlichkeit von etwa 0,0018° und einen Wellenlängen-Reaktionsbereich von 0,002–550 nm erreicht. Obwohl Röntgen-Speckle-Tracking-Methoden eine Winkelauflösung nahe Nanoradian erreichen können, stellen kohärente Röntgenquellen wie Synchrotronstrahlung eine strenge Anforderung dar, die in vielen experimentellen und medizinischen Anwendungen nicht ohne weiteres erfüllt werden kann18,19. Eine weitere Verbesserung der Winkelgenauigkeit ist durch die Integration hochwertiger Farbdetektoren möglich. Beispielsweise kann ein 30-Bit-Farbdisplay mit 10-Bit-Farbtiefe 1,07 Milliarden mögliche Kombinationen ergeben. Mit fortschrittlichen Lithographiemethoden und modernster Verarbeitung könnten Azimutdetektordichten von mehr als 104 Pixel pro mm2 erreicht werden, was die räumliche Auflösung von Bildern erheblich verbessern könnte. Derzeit ist es mit Perowskit-Nanokristallen nicht möglich, das Lichtfeld jenseits von 550 nm mit hoher Winkelauflösung zu erfassen. Die Lichtfelderkennung und -bildgebung durch pixelige Farbkonvertierung kann jedoch problemlos auf andere optische Materialien ausgeweitet werden. Sn-basierte Perowskit-Nanokristalle, Upconversion-Nanopartikel, die auf Licht im nahen Infrarot reagieren, oder schwarzer Phosphor mit einstellbaren Bandlücken können die Winkelerkennung auf den Wellenlängenbereich im nahen Infrarot und sogar im Mikrometerbereich erweitern40,41. Darüber hinaus können Lichtfeldsensoren auf Basis von Nanokristall-Arrays im Vergleich zu Shack-Hartmann-Sensoren direkt in die optischen Systeme auf dem Chip integriert werden, um Wellenfronten oder Phase zu messen. Da Azimutdetektoren nur die durchschnittliche Vektorrichtung des einfallenden Lichts unterscheiden können, nicht das Licht aus mehreren Richtungen wie eine Lichtfeldkamera, messen unsere Lichtfeldsensoren die durchschnittliche Vektorrichtung des Lichts an jedem Pixel. Wie bei Lichtfeldkameras müssen Nanokristall-Lichtfeldsensoren ein Gleichgewicht zwischen Winkel- und Ortsauflösung herstellen. Rasterlichtfeld-Bildgebungssysteme können mit Nanokristall-Arrays gekoppelt werden, um die räumliche Auflösung weiter zu verbessern42. Nichtsdestotrotz bietet die Möglichkeit, die Wellenfront hochenergetischer Röntgenstrahlen abzubilden, leistungsstarke Lösungen für Optiktests und Strahlcharakterisierung, die in Anwendungen von der Phasenkontrastbildgebung bis zur Gravitationswellendetektion eingesetzt werden können.

Cäsiumcarbonat (Cs2CO3, 99,9 %), Blei(II)-chlorid (PbCl2, 99,99 %), Blei(II)-bromid (PbBr2, 99,99 %), Blei(II)-iodid (PbI2, 99,99 %), Oleylamin (technischer Grad 70). %), Ölsäure (technische Qualität 90 %), 1-Octadecen (technische Qualität 90 %) und Cyclohexan (chromatographische Qualität 99,9 %) wurden von Sigma-Aldrich bezogen. Für die Vorbereitung von PDMS-Substraten wurde ein Sylgard 184-Silikonelastomer-Kit von Dow Corning erworben. Die Leuchtstoffe ZnS:Cu2+/Mn2+ und SrAl2O4:Eu2+/Dy3+ wurden von Xiucai Chemical bezogen.

CsPbX3-Perowskit-Nanokristalle (X = Cl, Br oder I) wurden gemäß einer zuvor beschriebenen Methode synthetisiert. Zunächst wurde Cäsiumoleat als Cäsiumvorläufer synthetisiert; Anschließend wurden CsPbX3-Perowskit-Nanokristalle unter Verwendung der modifizierten Heißinjektionsmethode synthetisiert (Ergänzende Informationen, Abschnitt 1).

Die Transmissionselektronenmikroskopie der synthetisierten Perowskit-Nanokristalle wurde mit einem FEI Tecnai G20 Transmissionselektronenmikroskop mit einer Beschleunigungsspannung von 200 kV durchgeführt. Unter Anregung mit sichtbarem Licht oder Röntgenstrahlen geben Perowskit-Quantenpunkte schmale und farblich abstimmbare sichtbare Emissionen ab. Photolumineszenz- und Radiolumineszenzspektren wurden mit einem Edinburgh FS5-Fluoreszenzspektrophotometer (Edinburgh Instruments) erhalten, das mit einer Miniatur-Röntgenquelle (Amptek) ausgestattet war. Eine vorteilhafte Eigenschaft von Perowskiten als Detektoren ist ihre lineare Reaktion auf die Röntgendosisleistung oder die Anregungslichtleistung mit einer Abdeckung von bis zu mehreren Größenordnungen. Die niedrigste nachweisbare Dosisleistung für die Röntgendetektion beträgt 10,8 nGy s−1 und die niedrigste nachweisbare Leistung für die optische Detektion beträgt 1 pW mm−2. Perowskit-Quantenpunkte zeigen auch eine sehr schnelle Reaktion (Abklingzeit, τ = 10,4 ns) auf gepulste Anregung. Diese Nanokristalle zeigen eine hohe Photostabilität bei aufeinanderfolgenden oder wiederholten Zyklen von Röntgenbestrahlung und Photoanregung.

In sphärischen Koordinaten kann ein parallel zur y-Achse platzierter Detektor die Winkelschwankung des Lichts um die y-Achse in der XOZ-Ebene messen (ergänzende Abbildung 8). Bei einem parallel zur x-Achse platzierten Detektor kann er die Winkeländerung des Lichts um die x-Achse in der YOZ-Ebene messen. Dementsprechend erfasst für einen Strahl, der aus einer beliebigen Richtung (θ, φ) einfällt, der parallel zur x-Achse platzierte Detektor 1 den Winkel α1 zwischen der Projektion des Strahls auf die YOZ-Ebene und der z-Achse, während der parallel zur y-Achse platzierte Detektor 2 den Winkel α1 erfasst Die Achse erfasst den Winkel α2 zwischen der Projektion des Strahls auf die XOZ-Ebene und der z-Achse (ergänzende Abbildung 9). Die Beziehungen zwischen α1, α2 und θ, φ sind wie folgt:

wobei α1 und α2 für die Farbausgabe der Detektoren 1 bzw. 2 kodiert sind. In einem spezifischen Experiment werden α1 und α2 aus dem CIE-Farbwert der Farbausgabe der Detektoren 1 bzw. 2 ermittelt. Die φ- und θ-Werte des Strahls werden dann aus den Gleichungen (1) und (2) wie folgt erhalten:

Der 3D-Lichtfeldsensor basierend auf pixelierten Perowskit-Nanokristall-Arrays wurde mithilfe eines einfachen Formverfahrens hergestellt (Ergänzende Informationen, Abschnitt 4). Zunächst wurde das vorstrukturierte Si-Templat ausreichend mit Heptan gewaschen. Es wurde eine Mischung aus SYLGARD-Silikonelastomer 184 oder einem anderen Silikonelastomer, Härter und Quantenpunkten oder anderen lumineszierenden Materialien hergestellt. Anschließend wurden die vorbereitete rot emittierende Quantenpunkt-PDMS-Tinte und die blau emittierende Quantenpunkt-PDMS-Tinte in die entsprechenden rechteckigen Löcher auf der Si-Vorlage injiziert und 30–60 Minuten bei 70–90 °C ausgehärtet. Die Oberseite der eingespritzten Quantenpunkttinte muss mit der Oberseite der Si-Vorlage übereinstimmen. Als nächstes wurde 0,5 mm dickes PDMS als Klebefilm auf die Oberfläche der Si-Vorlage aufgeschleudert. Nach 30-minütiger Aushärtung bei 70–90 °C wurde der mit roten und blauen Pixeln gemusterte PDMS-Film aus der Si-Vorlage geformt. In ähnlicher Weise wurde grün emittierende Quantenpunkttinte in die Si-Vorlage injiziert und 30–60 Minuten lang bei 70–90 °C ausgehärtet. Dann wurde eine Schicht aus transparentem PDMS auf den zuvor verarbeiteten PDMS-Film aufgetragen, der mit roten und blauen Pixeln bedruckt war, und diese wurde dann auf die mit grün emittierender Tinte eingespritzte Schablone auf dem Maskenausrichterhalter gelegt. Schließlich wurde nach 30–60-minütiger Aushärtung bei 70–90 °C durch einen Formtrennprozess ein Film mit roten, grünen und blauen Pixelarrays erhalten. Der 3D-Lichtfeldsensor wurde durch die Integration des verarbeiteten pixelierten Perowskit-Nanokristall-Array-Films in ein Farb-CCD gebildet, wobei jedes winkelabhängige Pixel mehrere CCD-Pixel abdeckt. Der Farb-CCD ist ein Sony ICX274AL-Sensor mit einer Chipgröße von 10 mm × 14 mm (horizontal × vertikal), der 24-Bit-Rot-, Grün- und Blau-Echtfarben liefert.

Bei aktuellen 3D-gedruckten Formen kann die Größe von mehreren zehn Mikrometern bis zu mehreren Millimetern angepasst werden. Durch wiederholtes Entformen ist eine Großserienfertigung möglich. Durch diese Methode entfallen komplexe Halbleiterprozesse und Spezialgase, was die Verarbeitungskosten erheblich senkt. Zu den Herstellungsfehlern gehören typischerweise zufällige Defekte und Ausrichtungsfehler (Ergänzende Abbildung 11 und Ergänzende Informationen, Abschnitt 4). Da der bei dieser Arbeit verwendete Entformungsprozess eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit aufweist und Kantenfehler innerhalb von 0,1 % kontrolliert werden können, ist der zufällige Fehlerfehler des gesamten Azimutdetektorpixels nahezu vernachlässigbar. Während der Verarbeitung tritt ein Ebenenausrichtungsfehler auf, da die obere und untere Ebene ausgerichtet werden müssen. In Fällen, in denen der Bildabstand viel größer ist als die Dicke eines einfarbigen Pixels, hat eine Ausrichtungsabweichung keinen Einfluss auf die Winkelmessung.

Der 3D-Lichtfeldsensor basierend auf Perowskit-Nanokristall-Arrays wurde unter einer kollimierten Leuchtdioden-Lichtquelle kalibriert. Ein motorisierter Rotationstisch (Daheng Optics, GCD-011060M), eine Pitch-Plattform und ein linearer Tisch wurden verbunden, um den 3D-Lichtfeldsensor in θ- und ϕ-Richtung zu drehen. Der Bildsensor wurde an der Pitch-Plattform befestigt. Die Pitch-Plattform bewegt sich in θ-Richtung und der Drehtisch bewegt sich in ϕ-Richtung. Ein linearer Tisch wird verwendet, um die außeraxiale Bewegung des Bildsensors zu kompensieren, wenn er sich in θ-Richtung dreht. Wir präsentieren ausgewählte Rohfarbbilder, die während des Kalibrierungsprozesses aufgenommen wurden, um das Funktionsprinzip des 3D-Lichtfeldsensors zu veranschaulichen (Ergänzende Informationen, Abschnitt 9). Jedes Panel zeigt einen beschnittenen Bereich des rohen Farbbildes, das aus verschiedenen Einfallswinkeln aufgenommen wurde. Wir können die Winkelabhängigkeit der Farbausgabe jedes Pixels beobachten. Das gelbe Quadrat stellt eine vertikale winkelempfindliche Einheit dar und das rote Quadrat stellt eine horizontale winkelempfindliche Einheit dar. Wenn θ bei φ = 0° von −40° auf 40° ansteigt, wird der Blauton des Pixels im gelben Quadrat allmählich schwächer. Wenn θ bei φ = 90° von −40° auf 40° ansteigt, wird der Blauton des Pixels im roten Quadrat allmählich schwächer. Sobald die Kalibrierung für den gesamten Bereich von θ und 𝜙 abgeschlossen ist, werden die aufgenommenen Rohbilder als Nachschlagetabelle für einzelne Winkelerkennungspixel verwendet, die den Einfallswinkel des Lichts bestimmen.

Der maßgeschneiderte optische Aufbau für die 3D-Bildgebung besteht aus einer Lichtquelle und einem optischen Gitter, um mehrzeiliges strukturiertes Licht auf der abzubildenden 3D-Szene zu erzeugen (Ergänzende Informationen, Abschnitt 11). Das vom Objekt reflektierte und/oder gestreute Licht wird von einem speziell angefertigten Objektiv gesammelt, das aus zwei Linsen besteht, die für Brennweiten von 100 mm bzw. 25 mm optimiert sind und eine maximale Winkelvariation für unterschiedliche Objektentfernungen ermöglichen, die durch die entwickelte Höhe identifiziert werden -Auflösender 3D-Lichtfeldsensor. In einem typischen Experiment wurden zunächst die Parameter des mehrzeiligen strukturierten Lichts und der Kamera sowie der relative Abstand zwischen ihnen kalibriert. Als nächstes wurde die Farbausgabe jedes Detektors entsprechend den kalibrierten Ergebnissen auf die Winkelarrays abgebildet; Dann können wir die räumlichen Koordinaten x, y und z des Objektpunkts berechnen, die jeder Winkelerkennungseinheit entsprechen (Ergänzungsgleichungen (13)–(17) in den Zusatzinformationen).

Ein 3D-Lichtfeldsensor wurde verwendet, um die Wellenfront sphärischer harter Röntgenstrahlung (14 keV) zu messen (Ergänzende Informationen, Abschnitt 13). Die Röntgenquelle erzeugt einen divergenten Strahl mit einem Divergenzwinkel von etwa 90°, wobei die Wellenfronten an verschiedenen Positionen gemessen werden. Je weiter der 3D-Lichtfeldsensor von der Röntgenquelle entfernt ist, desto kleiner ist der gemessene Krümmungsradius der sphärischen Wellenfront. Darüber hinaus können wir anhand der rekonstruierten Wellenfront- und Neigungskartierung den Neigungswinkel zwischen der Röntgenquelle und dem Sensor ermitteln (Ergänzende Abbildungen 28 und 29). Als Grundsatzbeweis wurde die Farbdatenkartierung bei z = 5 mm als Kalibrierungsdaten für die Rekonstruktion von Wellenfronten in anderen Abständen z verwendet, was zu weniger genauen Steigungsmessungen mit zunehmendem z führte. In praktischen Anwendungen müssen Abtastwinkel in ausreichender Anzahl erfasst werden, um die Winkelauflösung sicherzustellen.

Bei der Phasenkontrastbildgebung mit kollimiertem UV-sichtbarem Licht ist das Objekt ein gemustertes PDMS-Substrat mit einer Streifendicke von 0,6 mm. Der Lichtfeld-Bildsensor wird direkt hinter dem Objekt platziert, um ein Bild der veränderten Wellenfront aufzunehmen. Um einen nahezu kollimierten Strahl für die Röntgenphasenkontrastbildgebung zu erhalten, wird hinter der Strahlungsquelle ein Kupfersäulenkollimator positioniert. Zwei handelsübliche PMMA-Stäbe mit 1 mm und 2 mm Durchmesser werden hinter der Strahlungsquelle platziert und der Lichtfeld-Bildsensor erkennt die veränderte Wellenfront. Konkret erfasst der Lichtfeld-Bildsensor pixelierte Strahlwinkel, die die Phasengradientenverteilung charakterisieren. Nach der Durchführung einer Medianfilterung und Integration des Phasengradienten kann eine Phasenkartierung erreicht werden.

Die Daten, die die Ergebnisse dieser Studie stützen, sind im Artikel und seinen ergänzenden Informationen verfügbar und auch auf GitHub (https://github.com/yly1994/color-coded-light-field-imaging.git) verfügbar. Weitere Daten können auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor eingeholt werden.

Relevante Codes sind auf GitHub verfügbar (https://github.com/yly1994/color-coded-light-field-imaging.git).

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Diese Arbeit wurde vom NUS NANONASH-Programm (NUHSRO/2020/002/413 NanoNash/LOA; R143000B43114) und der National Research Foundation, Premierministerbüro, Singapur, im Rahmen ihres Competitive Research Program (Auszeichnungsnr. NRF-CRP23-2019-) unterstützt. 0002) und im Rahmen seines NRF Investigatorship Program (Auszeichnungsnr. NRF-NRFI05-2019-0003) und des RIE2025 Manufacturing, Trade and Connectivity (MTC) Programmatic Fund (Auszeichnungsnr. M21J9b0085).

Diese Autoren haben gleichermaßen beigetragen: Luying Yi, Bo Hou

Fachbereich Chemie, National University of Singapore, Singapur, Singapur

Luying Yi, Bo Hou, He Zhao und Xiaogang Liu

Gemeinsame Schule der National University of Singapore und der Tianjin University, Fuzhou, China

He Zhao & Xiaogang Liu

Zentrum für Funktionsmaterialien, National University of Singapore Suzhou Research Institute, Suzhou, China

Xiaogang Liu

Institut für Materialforschung und -technik, Agentur für Wissenschaft, Technologie und Forschung, Singapur, Singapur

Xiaogang Liu

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LY, BH und XL konzipierten und gestalteten das Projekt. XL betreute das Projekt. LY charakterisierte die Materialien und führte numerische Simulationen durch. BH und HZ führten die Herstellung von Mikrogeräten durch. BH und LY führten Lumineszenzmessungen und experimentelle Validierung durch. BH war am Gerätedesign beteiligt. BH und LY haben den Artikel geschrieben und XL hat ihn redigiert. Alle Autoren beteiligten sich an der Diskussion und Analyse des Papiers.

Korrespondenz mit Xiaogang Liu.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Nature dankt Qionghai Dai, Wanyi Nie und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

Diese Datei enthält ein Inhaltsverzeichnis mit den Abschnitten 1–14. Es enthält zusätzliche Informationen zu Materialeigenschaften, dem Prinzip der Lichtrichtungserkennung, der Geräteverarbeitung, der Designtheorie und den experimentellen Geräten für die 3D-Bildgebung, Systemkalibrierungsmethoden, zusätzlichen Bildgebungsdaten und Anwendungsdemonstrationen, um die Schlussfolgerungen des Papiers zu untermauern.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Yi, L., Hou, B., Zhao, H. et al. Erkennung von Röntgenstrahlen in sichtbare Lichtfelder durch pixelige Farbkonvertierung. Natur 618, 281–286 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w

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Eingegangen: 14. März 2022

Angenommen: 20. März 2023

Veröffentlicht: 10. Mai 2023

Ausgabedatum: 08. Juni 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w

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