En este nuevo método, Los objetos a diferentes distancias del objetivo se enfocarán en diferentes puntos dentro de la cámara. Crédito:Stephen Alvey, Universidad de Michigan
Los investigadores han demostrado el uso de apilados, fotodetectores de grafeno transparentes combinados con algoritmos de procesamiento de imágenes para producir imágenes en 3-D y detección de rango.
Investigadores de la Universidad de Michigan han demostrado la viabilidad de una cámara 3-D que puede proporcionar imágenes tridimensionales de alta calidad al tiempo que determina qué tan lejos están los objetos de la lente. Esta información es fundamental para la obtención de imágenes biológicas en 3-D, robótica, y conducción autónoma.
En lugar de utilizar fotodetectores opacos que se utilizan tradicionalmente en las cámaras, La cámara propuesta utiliza una pila de fotodetectores transparentes hechos de grafeno para capturar y enfocar simultáneamente objetos que están a diferentes distancias de la lente de la cámara.
El sistema funciona debido a las características únicas del grafeno, que tiene solo una capa atómica de espesor y absorbe solo alrededor del 2.3% de la luz. Se pueden usar un par de capas de grafeno para construir un fotodetector que pueda detectar la luz de manera eficiente, aunque se absorbe menos del 5% de la luz. Cuando se coloca sobre un sustrato transparente, en lugar de un chip de silicio, por ejemplo, los detectores se pueden apilar, con cada uno en un plano focal diferente.
Cuatro fotodetectores fabricados descansando sobre una hoja de papel para ilustrar el alto grado de transparencia. Los dos dispositivos superiores tienen un tamaño de ventana transparente de 200 × 200 μm 2 , y los dos inferiores tienen un tamaño de ventana de 5 × 5 mm 2 .
Como lo describió el profesor Ted Norris:
"Cuando tienes una cámara, debe tener un ajuste de enfoque en su lente para que cuando esté enfocando un objeto en particular como la cara de una persona, los rayos de luz que provienen de la cara de esa persona se enfocan en ese único plano en su chip detector. Los elementos delante o detrás del objeto están desenfocados.
Pero si fuera posible apilar diferentes conjuntos de detectores, cada uno en diferentes planos focales, entonces podrían cada imagen con precisión en un lugar diferente en el espacio del objeto simultáneamente. Y lo que es más, si puede detectar varios planos focales de datos al mismo tiempo, puede utilizar algoritmos para reconstruir el objeto en tres dimensiones. Eso se llama imagen de campo de luz.
Hemos demostrado cómo utilizar pilas focales transparentes para realizar imágenes de campo de luz y reconstrucción de imágenes ".
En la imagen de la izquierda, la pelota de baloncesto de enfrente está enfocada. En la imagen central, la unidad de almacenamiento está enfocada. La imagen de la derecha muestra una imagen todo enfocada a partir de datos de campo de luz reconstruidos. Crédito:Universidad de Michigan
Además de la identificación básica de objetos, el artículo actual muestra cómo su dispositivo puede detectar qué tan lejos está algo, lo que lo hace adecuado para aplicaciones en conducción autónoma y robótica. También es ideal para la obtención de imágenes biológicas en los casos en que es importante obtener imágenes de volumen tridimensional.
Para su máximo éxito, el proyecto requería conocimientos especializados complementarios en tres áreas. El equipo del Prof. Zhaohui Zhong desarrolló los dispositivos de grafeno; El grupo de Norris trabajó en las características de diseño del instrumento óptico y demostró los dispositivos en el laboratorio; y el grupo del Prof. Jeff Fessler, que desarrolló el algoritmo de reconstrucción de imágenes.
Fessler se hizo eco de la otra facultad al afirmar que el grupo de nueve investigadores formado por profesores, postdoctorados y estudiantes "se unieron como un gran equipo, todos aprendiendo unos de otros y contribuyendo con diferentes aspectos del trabajo final ".
La inspiración para la cámara provino de investigaciones previas de Zhong y Norris sobre detectores de fotos de grafeno de alta sensibilidad. publicado en Nanotecnología de la naturaleza en 2014.
Demostración experimental de rango de profundidad utilizando una pila doble de detectores de grafeno transparentes. Las imágenes muestran vistas en sección transversal (izquierda) y de arriba hacia abajo (derecha) de dos fotodetectores transparentes de grafeno apilados a lo largo de la dirección de propagación de la luz. Crédito:Universidad de Michigan
Los actuales sensores de grafeno transparente fabricados hasta ahora tienen una resolución demasiado baja para representar imágenes, pero los experimentos iniciales mostraron que la lente enfocaba la luz desde una distancia diferente en cada uno de los dos sensores.
El trabajo continúa en el proyecto.
El papel, "Imágenes de campo de luz y rango con fotodetectores transparentes, "por Miao-Bin Lien, Che-Hung Liu, Il Yong Chun, Saiprasad Ravishankar, Hung Nien, Minmin Zhou, Jeffrey A. Fessler, Zhaohui Zhong, y Theodore B. Norris, fue publicado en Fotónica de la naturaleza .
