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Jan 04, 2024

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Nature volume 618、pages 281–286 (2023)この記事を引用 12k アクセス 99 Altmetric メトリクスの詳細 ライトフィールド検出は、光線の強度とその正確な方向の両方を自由に測定します

Nature volume 618、pages 281–286 (2023)この記事を引用

12,000 アクセス

99 オルトメトリック

メトリクスの詳細

ライトフィールド検出は、自由空間における光線の強度とその正確な方向の両方を測定します。 しかし、現在のライトフィールド検出技術は、複雑なマイクロレンズアレイを必要とするか、紫外〜可視光の波長範囲に限定されています1、2、3、4。 ここでは、X 線から可視光 (0.002 ～ 550 nm) までの放射線ベクトルを決定するために使用できる、リソグラフィーでパターン化されたペロブスカイト ナノ結晶アレイに基づく堅牢でスケーラブルな方法を紹介します。 これらのマルチカラー ナノクリスタル アレイを使用すると、特定の方向からの光線を 0.0018° の角度解像度でピクセル化されたカラー出力に変換できます。 我々は、ナノ結晶アレイを特定の方向に修正することによって、三次元ライトフィールド検出と光源の空間位置決めが可能であることを発見した。 また、ピクセル化されたナノ結晶アレイとカラー電荷結合素子を組み合わせることによる、三次元物体イメージング、可視光および X 線位相コントラストイメージングも実証します。 カラーコントラストエンコーディングを通じて光の波長を超えた光の方向を検出できる機能により、たとえば、3次元位相コントラストイメージング、ロボット工学、仮想現実、断層撮影による生物学的イメージング、衛星自律ナビゲーションなどの新しいアプリケーションが可能になる可能性があります。

材料と半導体プロセスの進歩により、マイクロおよびナノ光検出器の設計と製造に革命が起きました。 しかし、ほとんどのセンサーのピクセルは電磁波の強度のみを検出します。 その結果、物体と回折光波のすべての位相情報が失われます5、6、7、8、9、10。 2 次元写真や顕微鏡イメージングなどの従来のアプリケーションには強度情報だけで十分ですが、この制限により、位相コントラスト イメージング、光検出と測距、自動運転車、仮想画像などの 3 次元 (3D) および 4 次元イメージング アプリケーションが妨げられます。現実と宇宙の探査11、12、13、14、15、16、17、18、19。 通常、ピクセル化されたフォトダイオードを備えたマイクロレンズまたはフォトニック結晶の光学アレイは、ライトフィールドまたは光の方向の分布を測定し、位相情報を特徴付けるために使用されます。 それにもかかわらず、これらの要素を相補型金属酸化物半導体アーキテクチャに統合するには、コストがかかり、複雑になります4、20、21、22。 サブ波長半導体構造における光共鳴は、光と物質の相互作用を操作することにより、角度に敏感な構造の開発を可能にします23、24、25、26、27、28。 ただし、それらのほとんどは波長または偏光に依存し、高屈折率の材料を必要とします29。 さらに、光ベクトルの検出と制御は、現時点では紫外光と可視光の波長に限定されています。 シャック・ハルトマン構造またはハルトマン構造を使用するいくつかのセンサーは、極紫外光範囲での位相測定が可能ですが、従来のミラーやマイクロレンズを使用して高エネルギービームを集束させることができないため、硬 X 線とガンマ線の位相測定は依然として困難です 30,31 。

データ視覚化におけるカラーエンコーディングの多用途性により、私たちはカラーコントラストエンコーディングを使用して光線の方向を視覚化できることを提案しました。 私たちの仮説を検証するために、優れた光電子特性を備えた無機ペロブスカイトナノ結晶を選択しました 32,33,34,35。 また、X 線または可視光照射下で可視スペクトル全体にわたって高い彩度を備えた、高効率で調整可能な発光を示します。 さらに、Sn ベースのペロブスカイトナノ結晶は、近赤外光領域に広がる光学バンドギャップを持つことができます 36,37。 3D ライトフィールド検出の基本的な設計には、透明基板上にペロブスカイト ナノ結晶をリソグラフィーでパターン化することが含まれます (図 1a)。 パターン化された薄膜基板と、入射光線の角度を特定のカラー出力に変換するカラー電荷結合素子 (CCD) を統合することで、3D ライトフィールド センサーを構築できます。 3D ライトフィールド センサーの基本ユニットは、多色発光ペロブスカイト ナノ結晶で構成される単一の方位検出器です。 入射光がパターン化されたナノ結晶に当たるとき、入射光と基準面の間の方位角αは、基本ユニットの色出力を測定することによって検出できます（図1b）。 具体的には、互いに直角に配置された２つの方位検出器により、３次元光方向センシングを実現し、球面座標における入射光の方位角φと仰角θを決定することができる。 光源の絶対位置を決定するには、3 つの方位角検出器を配置して、カラー出力にエンコードされた 3 つの対応する方位角 α1、α2、および α3 間の相関関係を作成します。