光场探测包含测量光线的强度及其在自由空间中的方向。然而，当前的光场探测技术需要复杂的微透镜阵列且覆盖的波长范围限于紫外到可见光。为了应对这一难题，新加坡国立大学化学系的刘小钢教授提出了一种光场探测新思路，将入射光线的方向编码到钙钛矿纳米晶体的发光颜色上，通过巧妙的几何设计图案化的纳米晶体阵列可以确定从X射线到可见光的入射光线的辐射矢量，从而构建完整的3D形式的光场。相关成果“X-ray-to-visible light-field detection through pixelated colour conversion”发表在2023年5月10日的Nature《自然》期刊上。论文通讯作者是刘小钢教授，第一作者是衣路英博士。

尽管材料和半导体工艺的进步已经彻底改变了光电探测器的设计和制造，但大多数传感器仅限于检测光的强度，导致物体和衍射光波的所有相位信息都丢失了。虽然仅强度信息就足以满足2D摄影和显微成像等传统应用，但这种限制阻碍了3D和4D成像应用，例如相衬成像、光场成像、虚拟现实和太空探索等。集成光电二极管阵列的微透镜或光子晶体通常用于测量光场或光方向的分布，从而表征相位信息。然而，将这些元素集成到CCD或CMOS半导体架构中比较复杂。亚波长半导体结构中的光学共振提供了通过操纵光与物质相互作用来开发角度敏感结构的可能性。然而，它们大多与波长或偏振相关，并且需要高折射率材料。此外，光矢量的探测和控制目前仅限于紫外线和可见光波长。虽然一些使用Shack-Hartmann或Hartmann结构的传感器能够测量极紫外范围内的相位，但X射线和伽马射线的测量仍然具有挑战性，因为传统的反射镜或微透镜无法聚焦高能光束。

图1：使用像素化钙钛矿纳米晶体阵列实现X射线到可见光的光矢量探测。

（Yi, Luying, et al.Nature(2023): https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w.）

为了验证将光方向编码到纳米材料发光颜色上的设想，作者选择了量子产率高、激发光谱宽、发光光谱窄的无机钙钛矿纳米晶体作为发光材料。钙钛矿纳米晶在X射线到可见光照射下，发光在可见光谱范围内具有高色彩饱和度。此外，锡（Sn）基的钙钛矿纳米晶体的光学吸收范围可以延伸到近红外区域。3D光场成像传感器的基本设计涉及将钙钛矿纳米晶体光刻图案化到透明基板上。然后可以通过将图案化的基板与彩色CCD集成，可以将入射光线的角度转换为特定的颜色输出，从而构建3D光场成像传感器。作为概念验证，三种发射峰为445nm、523nm和652nm的钙钛矿纳米晶被用来构建单个光矢量传感器。当光相对于参考方向从0到360度入射时，检测到的色域在CIExy色度图上形成一个大的三角形（图1c）。色度图上颜色输出的位置决定了光线的入射角度，三角形越大表示角分辨率越高。与由ZnS:Cu²⁺/Mn²⁺和SrAl₂O₄:Eu²⁺/Dy³⁺荧光粉制成的探测器相比，由钙钛矿纳米晶体制成的方位角探测器的色域在色度图中形成了一个更大的三角形，即具有更高的角度分辨率（图1d）。这是由于钙钛矿纳米晶体的颜色覆盖范围更广以及颜色饱和度更高。

图2：基于三角测距的三维成像系统构建。

(Yi, Luying, et al.Nature (2023): https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w.)

图3：基于颜色编码的三维光场成像传感器对不同场景进行3D成像。

(Yi, Luying, et al.Nature (2023): https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w.)

基于像素化钙钛矿纳米晶体阵列的光场成像传感器的直接应用是3D LiDAR成像。该成像系统是基于三角测距原理，由一个多线结构光源、两个聚光透镜和集成有纳米晶阵列的3D光场成像传感器组成(图2)。作者展示了在不同深度、不同光强下的不同物体成像效果（图3）。纳米晶光场成像传感器的另一个重要应用是从X射线到可见光（0.002–550nm）的宽波长范围内的相位衬度成像。在传统的Shack-Hartmann波前传感器的相衬成像中，微透镜阵列记录特定波前在一系列网格点上的角度（图4）。基于纳米晶体阵列的光场传感器可以直接测量可见光或X射线的角度，无需微透镜阵列即可重建波前。作者分别展示了基于X射线（0.089nm）和可见光（405nm）的相衬成像结果。

图4：通过像素化颜色转换策略对X射线(0.089 nm)和可见光(405 nm)进行相衬成像。

（Yi, Luying, et al.Nature (2023): https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w.）

作者提出了一种基于钙钛矿纳米晶体阵列的像素化角度到颜色转换的策略，用于光场探测、绝对空间定位、3D成像和可见光/X射线相衬成像。通过目前的设计，实现了0.0018°的光入射角分辨率和0.002–550nm的波长响应范围。进一步改进可以通过集成高端颜色传感器和加工更精细的钙钛矿纳米晶结构，从而进一步提高角度探测精度和空间分辨率。（来源：科学网）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-023-05978-w