▲来自新加坡国立大学化学系的刘小钢教授(右)与衣路英博士使用光场传感器对模型进行3D图像捕获。

由新加坡国立大学理学院化学系刘小钢(Liu Xiaogang)教授领导的研究团队研发了一款3D成像传感器，具有极高的角度分辨率，即光学仪器区分物体点之间小角距离的能力，达到0.0018度。此种创新型传感器采用独特的角度到颜色转换原理，使其能够探测X射线至可见光光谱范围内的3D光场。

光场涵盖光线强度与方向等信息，人眼可以对其进行处理，以精确检测物体之间的空间关系。然而，传统的光传感技术应用范围往往受限。例如，大多数相机只能产生2D图像——这对于普通摄影来说已是足够，但对于虚拟现实、自动驾驶汽车以及生物成像等更先进的应用来说还不够——此类应用需要对特定空间进行精确的3D场景构建。

例如，自动驾驶汽车可以利用光场传感来查看街道，并更准确地评估道路隐患，从而相应地调整行驶速度。光场传感还可以使外科医生对患者不同深度的解剖结构进行准确成像，使其能够做出更精确的切口，并更好地评估患者的受伤风险。

此外，与微透镜阵列等其他光场传感器相比，新加坡国立大学研究团队所研发的光场传感器具有更大的角度测量范围（超过80度），更高的角度分辨率（对于较小的传感器而言，分辨率可能低于0.015度）以及更宽的光谱响应范围（介于0.002 nm至550 nm之间）。此类规格使得这种新型传感器能够以更高的深度分辨率捕获3D图像。

这一突破性研究成果于2023年5月10日在科学杂志《自然》上发表。

▲由纳米晶体磷光体(nanocrystal phosphor)组成的大规模角度传感结构，是该传感器的一个关键组成部分，在紫外线照射下被照亮。发出红、绿、蓝光的三种发光磷光体以图案的形式排列，以捕获详细的角度信息，随后用于3D图像的构建。目前，该团队正在研究使用其他材料来构建这一结构。

随后，他们在概念验证实验中测试了该光场传感器，结果显示，这种方法确实可以捕获放置在1.5米外物体的3D图像，并对其深度与尺寸进行精确重建。

此外，他们的实验还证明了此种新型光场传感器能够分辨非常精细的细节。例如，能够创建出一张计算机键盘的精确图像，甚至能够捕获到单个按键的浅突起。

▲图中为3D光场传感器的设计(左)与输出(右)。设计的装置(左)将光场编码为颜色输出。图案化的钙钛矿纳米晶体阵列将不同方向的光转换成不同的颜色，可以通过彩色电荷耦合器件相机进行检测。右图显示了由相机生成的鱼尾狮(Merlion)模型的重建3D深度图像。(图片来源：衣路英博士)

刘小钢教授与他的研究团队正在研究提高光场传感器空间精度与分辨率的方法，例如使用更高端的颜色探测器。该团队还为该项技术申请了一项国际专利。

刘小钢教授表示：“我们还将探索更先进的技术，将钙钛矿纳米晶体更密集地图案化到透明基板上，这可能会实现更好的空间分辨率。使用钙钛矿以外的材料也有望扩大光场传感器的探测光谱范围。”