X射线到可见的光场通过像素化颜色转换检测

　　材料和半导体过程的进步已经彻底改变了微型和纳米 - 光探测器的设计和制造。但是大多数传感器的像素仅检测到电磁波的强度 。结果，对象和衍射光波的所有相信息丢失了5,6,7,8,9,10。Although intensity information alone is sufficient for conventional applications such as two-dimensional photography and microscopy imaging, this limitation hinders three-dimensional (3D) and four-dimensional imaging applications, including phase-contrast imaging, light detection and ranging, autonomous vehicles, virtual reality and space exploration11,12,13,14,15,16,17,18,19.具有像素化光二极管的微晶体或光子晶体的光阵列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，将这些元素的整合到互补的金属氧化物 - 氧化型体系结构中是昂贵且复杂的4,20,21,22。亚波长度半导体结构中的光谐振通过操纵光与膜的相互作用23,24,25,26,27,28来开发角度敏感的结构 。但是
，它们中的大多数取决于波长或极化，并且需要具有较高折射率的材料
。此外 ，目前
，光线矢量检测和控制仅限于紫外线和可见光波长。尽管使用Shack-Hartmann或Hartmann结构的几个传感器能够在极端紫外线范围内进行相测量，但是硬X射线和伽玛射线的相测量仍然具有挑战性 ，因为高能梁不能使用常规镜子或微层30,31进行聚焦 。 　　由于颜色编码在数据可视化中的多功能性
，我们建议使用颜色对比的编码可视化光线的方向
。为了检验我们的假设，我们选择了无机钙钛矿纳米晶体 ，因为它们具有出色的光电特性32,33,34,35。它们还表现出高效且可调的发射
，在X射线或可见光照射下在可见光谱中具有高色度饱和度 。此外，基于SN的基于SN的钙钛矿纳米晶体可以具有延伸到近红外光区域36,37的光带镜
。3D光场检测的基本设计涉及在透明的底物上图案上图案的钙钛矿纳米晶体（图1A）。然后 ，可以通过将图案化的薄膜基板与颜色电荷耦合器件（CCD）集成到3D光场传感器
，从而将入射光射线的角度转换为特定的颜色输出 。3D光场传感器的基本单元是一个单个方位角检测器，其中包括多色钙钛矿纳米晶体
。当入射光撞击图案的纳米晶体时 ，可以通过测量基本单元的颜色输出来检测入射光和参考平面之间的方位角α（图1B）。具体而言，两个方位角探测器彼此垂直排列的方位角可以实现3D亮度感测
，并确定球形坐标中入射光的方位角φ和高程角θ 。为了确定光源的绝对位置，可以安排三个方位角检测器 ，以在颜色输出中编码的三个相应的方位角α1
，α2和α3之间建立相关性。 　　作为概念证明，我们根据文献36,38,39（补充信息第1节）合成了无机钙钛矿纳米晶体（CSPBX3; X = Cl ，Br或I）
。我们选择了在445 nm
，523 nm和652 nm处发射的三组钙钛矿量子点来构建一个单一的方位角检测器。当光从0°到360°的参考方向入射时，检测到的颜色范围会在委员会的委员会中形成一个大三角形 ，而Internationale del'éclairage（CIE）XY色度图（图1C） 。色度图上的颜色输出的位置确定光的入射角
，较大的三角形表明较高的角度分辨率
。我们发现，与由ZnS制成的探测器相比 ，由钙钛矿纳米晶体制成的方位角检测器的颜色域形成了一个较大的三角形：Cu2+/Mn2+和Sral2O4：EU2+/DY3+磷酸盐（图1D）。方位角检测器会产生较高的角度分辨率
，因为钙钛矿纳米晶体的颜色覆盖范围更高和颜色较高 。 　　具有不同颜色域的单个方位角检测器会产生不同形状的颜色图（图2A）
。红色，绿色和蓝色输出的纳米晶体可以检测到极小的角变化。我们使用了该特性 ，并在红色，绿色和蓝色的传感器芯片上构建了一个三色方位角检测器
，该检测器将入射光从0°转换为发光的不同CIE xyz xyz xyz tristimulus值（图2B） 。最小可检测的角变化取决于颜色响应的对比度和颜色传感器的信噪比（SNR）
。我们测试中的每种主要颜色都包含65,536个水平，在405 nm的波长和8 mW的功率下 ，检测极限约为0.0018°（图2C）。 　　接下来
，我们设计和制造了两个方位角检测器，它们彼此垂直排列 ，以进行全向光场检测（图2D） 。在球形坐标中
，可以使用公式φ= arctan（tanα1/tanα2）和θ= arctan [（TAN2α1 +tan2α2α2）1/2]来计算每个入射光束的方位角φ和高度角度θ，其中α1和α2分别由α1和α2的conterutction（tan2α1 +tan2α2）1/2]进行计算
。第2–4节）。两个方位角检测器以不同的入射角产生了两种类型的颜色图 。极地图中两个颜色图的轮廓可以通过结合两个方位角检测器的颜色值来确定特定的入射角（图2E）。我们进一步设计了方位角检测器阵列以对3D光方向进行成像 ，其中将相邻的钙钛矿纳米晶体像素彼此垂直对齐（图2F）
。为了简单起见
，探测器检测到与x轴平行的探测器（j）表示（i和j，请参考纳米晶体阵列的行和列）；平行于Y轴检测到的角度用βi表示 ，j。两个垂直于彼此的方位角检测器中的每个探测器都可以重建入射在两个像素中心的光束的角度 。例如
，α1,1和β1,2可用于计算点S11处的光束入射的3D角，而β2,1和α1,1可用于计算点S21点的光束入射的3D角
。因此 ，纳米晶体阵列的成像空间分辨率取决于S11和S12之间的距离。接下来，我们将钙钛矿纳米晶体阵列的薄膜整合到配备颜色CCD的数码相机中（图2G） 。CCD的光敏面积为10 mm×14 mm
，像素大小为2.5μm2×2.5μm2；单个方位角检测器的像素大小为50μm2×50μm2
。 　　基于像素化的钙钛矿纳米晶体阵列的光场传感器的直接应用是3D成像和光检测和范围（图3A）。该成像系统基于一种三角剖分方法，由多行结构的光源 ，两个用于光收集的镜头和涂有纳米晶体阵列薄膜的颜色CCD组成 。对象距离z是通过测量对象反射到纳米晶体阵列的光的角度来确定的
，即高角度分辨率提供了高深度分辨率
。对于给定的像素大小（50μm2×50μm2），与常规三角测量方法相比 ，理论深度分辨率和可检测范围分别提高了约10次和3次（补充信息第5-7节）。为了提高数据准确性
，首先对这些纳米晶体阵列进行校准，然后对成像系统进行校准（图3B和补充信息第8和9节） 。在从不同角度θ和使用钙钛矿纳米晶体阵列捕获的图像的光中 ，图像是每个方位角检测器的颜色响应和入射光角的相应图
。为了定量评估原型的成像性能
，我们测量了其深度精度，这是视野内场景深度和径向位置的函数（图3C）。这些测量值在0.5 m的距离下显示出最佳的深度精度约为0.5 mm ，尽管深度精度在2 m的距离下略微降低至约1.5 mm 。探测器的深度精度受入射光的功率和角度的影响。为了确保高角度分辨率
，结构化光源的功率必须足够
。当检测器在自然光或人造条件下使用时，深度精度也取决于背景光的强度（补充信息第10节）。光场传感器在不同距离（0.7 m和1.5 m）上成像的物体的尺寸符合其实际尺寸（图3D ，E） 。对于具有精细结构（例如键盘和梳子）的对象也可以进行图像重建（图3F和补充信息第11节）
。返回的光或随机噪声不足可能导致未检测到的像素。此外，我们通过像素化的颜色转换
，获得了多种颜色，尺寸和材料的几个对象的3D图像（补充信息第11节） 。 　　像素化颜色转换的另一个重要应用是从X射线到可见光（0.002–550 nm）的广泛波长范围内的相比成像
。在具有常规的棚屋 - hartmann波前传感器的相对比对比成像中 ，微丝阵列记录了入射角到确定波前的一系列网格点上（图4A和补充信息部分12和13）。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射线的特定角度
，以重建没有微芯阵列的波前 。我们首先通过从X射线源放置14 mm的光场传感器来表征硬X射线束的发散波前（图4B）
。测得的波前曲率与分析计算很好。通过光场传感器测量的最大角度为40.6° 。当透镜在两个不同的场角以可见光照亮时，我们还映射了图像平面中的可见光波前（图4C ，d）
。此外
，使用对聚二甲基硅氧烷（PDMS）模式的可见光进行相对对比成像，并在商用聚甲基丙烯酸酯（PMMA）杆上进行X射线（图4E ，F）。与吸收对比度成像相比
，通过相对比成像可以更详细地看到表面结构 。 　　我们进一步比较了基于图案化的纳米晶体阵列的光场传感器与基于微片阵列的常规棚屋 - 哈特曼传感器。与Microlens阵列制造相比，纳米晶光场传感器的制造在大面积上具有很高的均匀性
。在我们的实验中 ，空间采样密度为每MM2 400点
，角分辨率约为0.015°，动态角范围大于80°。相比之下 ，具有相同采样密度的Shack -Hartmann传感器通常的动态范围小于2° 。纳米晶光场传感器可用于更宽的光谱范围
。但是，由于其聚焦效果
，Microlens阵列传感器可以更好地可见光收集。与Shack-Hartmann传感器的斑点定位方法相比，该方法受斑点质量和随机噪声的影响 ，测量纳米晶光场传感器的颜色比率可能更强大 。 　　总之
，我们基于3D光场检测，绝对空间定位 ，3D成像和可见光和X射线相位对比成像的钙钛矿纳米晶体阵列提出了一个像素化的颜色转换策略
。凭借其当前的设计
，我们达到的矢量灵敏度约为0.0018°，波长响应范围为0.002–550 nm。尽管X射线斑点跟踪方法可以实现接近纳米层的角度分辨率 ，但是连贯的X射线源（例如同步加速器辐射）是一个严格的要求
，在许多实验和医疗应用中无法轻松满足X射线辐射 。18,19
。通过整合高端颜色探测器，可以进一步改善角精度。例如 ，具有10位颜色深度的30位颜色显示器可以产生10.7亿可能的组合 。借助高级光刻方法和最先进的处理
，可以实现每MM2超过104像素的方位角检测器密度，这可以大大改善图像的空间分辨率
。目前 ，使用钙钛矿纳米晶体具有高角度分辨率的550 nm以上的光场。但是，可以通过像素化的颜色转换进行光场检测和成像
，可以很容易地扩展到其他光学材料 。基于SN的基于SN的钙钛矿纳米晶体，具有可调带盖的近红外光或黑色磷具有响应的上转换纳米颗粒可以将角度检测扩展到近红外 ，甚至可以将微米
，甚至波长范围扩展到40,41。此外，与Shack-Hartmann传感器相比 ，基于纳米晶体阵列的光场传感器可以直接集成到片上光学系统中以测量波前或相
。由于方位角探测器只能区分入射光的平均向量方向
，而不是从多个方向等光摄像机等灯的平均向量方向，因此我们的光场传感器测量每个像素处的光线矢量方向。与光摄像机一样 纳米晶光场传感器必须在角和空间分辨率之间平衡 。扫描光场成像系统可以与纳米晶体阵列耦合 ，以进一步改善空间分辨率42
。但是
，对高​​能量X射线的波前进行成像的能力为光学测试和光束表征提供了强大的解决方案，这些解决方案可用于从相位对比度成像到重力波检测的应用中。