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Jan 04, 2024

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Nature volume 618, pagine 281–286 (2023) Cita questo articolo 12k Accessi 99 Dettagli sulle metriche alternative Il rilevamento del campo luminoso misura sia l'intensità dei raggi luminosi che la loro precisa direzione in ambienti liberi

Natura volume 618, pagine 281–286 (2023) Citare questo articolo

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Dettagli sulle metriche

Il rilevamento del campo luminoso misura sia l'intensità dei raggi luminosi che la loro precisa direzione nello spazio libero. Tuttavia, le attuali tecniche di rilevamento del campo luminoso richiedono complessi array di microlenti o sono limitate agli intervalli di lunghezze d'onda della luce ultravioletta-visibile1,2,3,4. Qui presentiamo un metodo robusto e scalabile basato su array di nanocristalli di perovskite con motivi litografici che possono essere utilizzati per determinare i vettori di radiazione dai raggi X alla luce visibile (0,002–550 nm). Con questi array di nanocristalli multicolori, i raggi luminosi provenienti da direzioni specifiche possono essere convertiti in output di colori pixelati con una risoluzione angolare di 0,0018°. Troviamo che il rilevamento tridimensionale del campo luminoso e il posizionamento spaziale delle sorgenti luminose sono possibili modificando le matrici di nanocristalli con orientamenti specifici. Dimostriamo anche l'imaging di oggetti tridimensionali e l'imaging a contrasto di fase con luce visibile e raggi X combinando array di nanocristalli pixelati con un dispositivo accoppiato a carica colorata. La capacità di rilevare la direzione della luce oltre le lunghezze d’onda ottiche attraverso la codifica del contrasto cromatico potrebbe consentire nuove applicazioni, ad esempio, nell’imaging tridimensionale a contrasto di fase, nella robotica, nella realtà virtuale, nell’imaging biologico tomografico e nella navigazione autonoma satellitare.

I progressi nei materiali e nei processi dei semiconduttori hanno rivoluzionato la progettazione e la fabbricazione di micro e nano-fotorilevatori. Ma i pixel della maggior parte dei sensori rilevano solo l'intensità delle onde elettromagnetiche. Di conseguenza, tutte le informazioni sulla fase degli oggetti e delle onde luminose diffratte vengono perse5,6,7,8,9,10. Sebbene le sole informazioni sull'intensità siano sufficienti per applicazioni convenzionali come la fotografia bidimensionale e l'imaging al microscopio, questa limitazione ostacola le applicazioni di imaging tridimensionale (3D) e quadridimensionale, tra cui l'imaging a contrasto di fase, il rilevamento e la misurazione della luce, i veicoli autonomi, i sistemi virtuali realtà ed esplorazione dello spazio11,12,13,14,15,16,17,18,19. Per misurare il campo luminoso o la distribuzione delle direzioni della luce e quindi caratterizzare le informazioni di fase viene solitamente utilizzato un array ottico di microlenti o cristalli fotonici con fotodiodi pixelati. Tuttavia, l’integrazione di questi elementi in architetture complementari di semiconduttori a ossido di metallo è costosa e complessa4,20,21,22. Le risonanze ottiche nelle strutture semiconduttrici sub-lunghezza d'onda consentono lo sviluppo di strutture sensibili all'angolo manipolando le interazioni luce-materia23,24,25,26,27,28. Tuttavia, la maggior parte di essi dipende dalla lunghezza d'onda o dalla polarizzazione e richiede materiali con un elevato indice di rifrazione29. Inoltre, il rilevamento e il controllo del vettore di luce sono attualmente limitati alle lunghezze d'onda della luce ultravioletta e visibile. Sebbene diversi sensori che utilizzano strutture Shack-Hartmann o Hartmann siano in grado di effettuare misurazioni di fase nella gamma estrema della luce ultravioletta, le misurazioni di fase dei raggi X duri e dei raggi gamma rimangono impegnative perché i raggi ad alta energia non possono essere focalizzati utilizzando specchi o microlenti convenzionali30,31 .

A causa della versatilità della codifica del colore nella visualizzazione dei dati, abbiamo proposto che la codifica del contrasto del colore potesse essere utilizzata per visualizzare le direzioni dei raggi luminosi. Per testare la nostra ipotesi, abbiamo selezionato nanocristalli di perovskite inorganica per le loro eccellenti proprietà optoelettroniche32,33,34,35. Dimostrano inoltre un'emissione altamente efficiente e sintonizzabile con un'elevata saturazione del colore attraverso lo spettro visibile sotto irradiazione di raggi X o luce visibile. Inoltre, i nanocristalli di perovskite a base di Sn possono avere bande proibite ottiche che si estendono nella regione della luce del vicino infrarosso36,37. Un progetto fondamentale per un rilevamento del campo luminoso 3D prevede la modellazione litografica di nanocristalli di perovskite su un substrato trasparente (Fig. 1a). È quindi possibile costruire un sensore di campo luminoso 3D integrando il substrato a film sottile modellato con un dispositivo ad accoppiamento di carica colorato (CCD) che converte l'angolo dei raggi luminosi incidenti in un output di colore specifico. L'unità di base del sensore di campo luminoso 3D è un rilevatore a singolo azimut comprendente nanocristalli di perovskite a emissione multicolore. Quando la luce incidente colpisce nanocristalli modellati, l'angolo di azimut α tra la luce incidente e il piano di riferimento può essere rilevato misurando l'emissione cromatica dell'unità di base (Fig. 1b). Nello specifico, due rilevatori di azimut disposti perpendicolarmente tra loro possono realizzare il rilevamento 3D della direzione della luce e determinare l'angolo di azimut φ e l'angolo di elevazione θ della luce incidente in coordinate sferiche. Per determinare la posizione assoluta di una sorgente luminosa, è possibile disporre tre rilevatori di azimut in modo da creare una correlazione tra i tre corrispondenti angoli di azimut α1, α2 e α3 codificati nelle uscite a colori.