Учёные из Сингапура разработали новый датчик светового поля с беспрецедентным угловым разрешением — 0,0018 °. Он обладает множеством вариантов применения, самым популярным из которых обещает оказаться объёмная голографическая связь — как в «Звёздных войнах». К этому подталкивает врождённое бинокулярное зрение человека, для которого объёмная картинка банально более информативна в отличие от плоского экрана без глубины сцены.
Источник изображения: National University of Singapore
Световое поле — это более-менее полный набор таких данных о сцене или поле зрения, как направление распространения света (угол зрения) и его интенсивность на этом направлении. От каждого видимого нам объекта в поле зрения отражаются лучи света со своим цветом и интенсивностью. Каждый глаз видит и фиксирует эти лучи с беспрецедентным разрешением, а итоговая картинка собирается у нас в головном мозге. Мы видим всё без «пикселей» — как непрерывное изображение.
С техникой пока всё сложно. Датчиков с таким же как у глаз разрешением и способностью фиксировать лучи под разными углами просто нет, и даже те, что есть — с относительно низким разрешением — необходимо обслуживать с высокой вычислительной нагрузкой. Ниже на фотографии в качестве примера представлен 17-дюймовый стереоскопический дисплей светового поля японской компании JDI, а справа от него — проигрыватель стереоскопического видео с разрешением 8K.
Демонстрация работы 17-дюймового стереоскопического дисплея светового поля. Источник изображения: JDI
Исследователи из Национального университета Сингапура использовали для создания высокочувствительного датчика светового поля необычный и, в чём-то, ожидаемый материал — перовскит. Последние десять с чем-то лет перовскит рассматривается как перспективный полупроводник для фотоэлектрических приложений и не только. Одно из его интересных свойств — это способность с помощью примесей менять чувствительность в широком спектре диапазона электромагнитных волн от ультрафиолетового до видимого и дальше к рентгеновскому.
Кстати, это тоже важный фактор в новой разработке. Представьте себе хирургический аппарат, способный точно отсканировать тело человека в глубину и выстроить объёмное изображение для хирурга в процессе операции. Разработанные до этого датчики светового поля на такое не были способны.
Учёные из Сингапура нанесли на тонкую прозрачную подложку массив из нанодатчиков из перовскита. К каждому датчику перпендикулярно (для сбора большего объёма информации о световом сигнале) прикрепили ещё по одному нанодатчику из перовскита, а ниже подложки поместили обычную цветную ПЗС-матрицу. Суть разработки в том, что каждый нанодатчик загорается определённым цветом для строго определённого угла падения света. Таким образом, угол падения света кодируется в цвете, что прекрасно считывает матрица ПЗС.
Источник изображения: Yi Luying / Nature
По словам разработчиков, это позволяет записывать световое поле сцены с беспрецедентным угловым разрешением — в перспективе менее 0,015 ° и спектральной чувствительностью от 0,002 нм до 550 нм. Альтернативные разработки далеки от таких показателей, о чём было сообщено в свежем номере журнала Nature.
«В настоящее время детекторы светового поля используют массив линз или фотонных кристаллов для получения нескольких изображений одного и того же пространства под разными углами. Однако интеграция этих элементов в полупроводники для практического использования является сложной и дорогостоящей задачей, — объяснил профессор Лю Сяоган (Liu Xiaogang). — Традиционные технологии могут обнаруживать световые поля только в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до видимого света, что приводит к ограниченному применению в рентгеновском зондировании».
Разработчики уже подали заявку на получение международного патента на изобретение. В дальнейшем они сосредоточатся на методах повышения пространственной точности и разрешения своего датчика светового поля, например, используя цветные детекторы более высокого класса.