In questo nuovo metodo, gli oggetti a distanze diverse dall'obiettivo verranno messi a fuoco in punti diversi all'interno della fotocamera. Credito:Stephen Alvey, Università del Michigan
I ricercatori hanno dimostrato l'uso di impilati, fotorivelatori di grafene trasparenti combinati con algoritmi di elaborazione delle immagini per produrre immagini 3D e rilevamento della distanza.
I ricercatori dell'Università del Michigan hanno dimostrato la fattibilità di una fotocamera 3D in grado di fornire immagini tridimensionali di alta qualità determinando la distanza degli oggetti dall'obiettivo. Queste informazioni sono fondamentali per l'imaging biologico 3D, robotica, e guida autonoma.
Invece di utilizzare fotorivelatori opachi tradizionalmente utilizzati nelle fotocamere, la fotocamera proposta utilizza una pila di fotorivelatori trasparenti realizzati in grafene per catturare e mettere a fuoco simultaneamente oggetti che sono a distanze diverse dall'obiettivo della fotocamera.
Il sistema funziona grazie alle caratteristiche uniche del grafene, che è spesso solo uno strato atomico e assorbe solo circa il 2,3% della luce. Una coppia di strati di grafene può essere utilizzata per costruire un fotorilevatore in grado di rilevare in modo efficiente la luce, anche se viene assorbito meno del 5% della luce. Quando posizionato su un supporto trasparente, invece di un chip di silicio per esempio, i rivelatori possono essere impilati, con ognuno su un piano focale diverso.
Quattro fotorivelatori fabbricati appoggiati su un foglio di carta per illustrare l'alto grado di trasparenza. I primi due dispositivi hanno una dimensione della finestra trasparente di 200×200 μm 2 , e i due inferiori hanno una dimensione della finestra di 5×5 mm 2 .
Come descritto dal Prof. Ted Norris:
"Quando hai una macchina fotografica, devi avere una regolazione della messa a fuoco sull'obiettivo in modo che quando ti concentri su un oggetto particolare come il viso di una persona, i raggi di luce che provengono dal viso di quella persona sono focalizzati su quel singolo piano sul chip del rilevatore. Gli elementi davanti o dietro l'oggetto non sono a fuoco.
Ma se fosse possibile impilare diversi array di rivelatori ciascuno in diversi piani focali, quindi potrebbero ciascuna immagine con precisione un posto diverso nello spazio dell'oggetto contemporaneamente. Cosa c'è di più, se riesci a rilevare più piani focali di dati contemporaneamente, è possibile utilizzare algoritmi per ricostruire l'oggetto in tre dimensioni. Questa è chiamata immagine in campo luminoso.
Abbiamo dimostrato come utilizzare pile focali trasparenti per eseguire immagini in campo chiaro e ricostruzione dell'immagine".
Nell'immagine a sinistra, il basket di fronte è a fuoco. Nell'immagine al centro, l'unità di archiviazione è a fuoco. L'immagine a destra mostra un'immagine a fuoco dai dati del campo luminoso ricostruiti. Credito:Università del Michigan
Oltre all'identificazione di base dell'oggetto, il documento attuale mostra come il loro dispositivo può rilevare quanto è lontano qualcosa, rendendolo adatto per applicazioni nella guida autonoma e nella robotica. È anche ideale per l'imaging biologico nei casi in cui è importante eseguire l'immagine del volume tridimensionale.
Per il suo successo finale, il progetto richiedeva competenze complementari in tre aree. Il team del Prof. Zhaohui Zhong ha sviluppato i dispositivi al grafene; Il gruppo di Norris ha lavorato sulle caratteristiche progettuali dello strumento ottico e ha dimostrato i dispositivi in laboratorio; e il gruppo del Prof. Jeff Fessler, che ha sviluppato l'algoritmo di ricostruzione dell'immagine.
Fessler ha fatto eco all'altra facoltà nel dichiarare il gruppo di nove ricercatori composto da docenti, dottorandi e studenti "si sono uniti come una grande squadra, tutti imparano gli uni dagli altri e contribuiscono a diversi aspetti dell'elaborato finale."
L'ispirazione per la fotocamera è venuta da precedenti ricerche di Zhong e Norris sui fotorilevatori di grafene altamente sensibili, pubblicato in Nanotecnologia della natura nel 2014.
Dimostrazione sperimentale della gamma di profondità utilizzando una doppia pila di rivelatori di grafene trasparente. Le immagini mostrano viste in sezione trasversale (a sinistra) e dall'alto verso il basso (a destra) di due fotorivelatori trasparenti interamente in grafene impilati lungo la direzione di propagazione della luce. Credito:Università del Michigan
Gli attuali sensori di grafene trasparente fabbricati finora hanno una risoluzione troppo bassa per rappresentare immagini, ma gli esperimenti iniziali hanno mostrato che l'obiettivo focalizzava la luce da una distanza diversa su ciascuno dei due sensori.
Proseguono i lavori sul progetto.
La carta, "Imaging a distanza e in campo luminoso con fotorilevatori trasparenti, " di Miao-Bin Lien, Che Hung Liu, Il Yong Chun, Saiprasad Ravishankar, Hung Nien, Minmin Zhou, Jeffrey A. Fessler, Zhaohui Zhong, e Theodore B. Norris, è stato pubblicato in Fotonica della natura .
