Câmera de campo de luz 3D multiespectral portátil impressa a jato de tinta desbloqueia aplicações avançadas de imagem

Óptica, Washington DC
Os pesquisadores usaram a impressão a jato de tinta para criar uma versão multiespectral de uma câmera de campo de luz, que cabe na palma da mão. A câmera 3D pode ser útil para aplicações como direção autônoma, classificação de materiais reciclados e sensoriamento remoto. (Imagem:Maximilian Schambach, Instituto de Tecnologia de Karlsruhe)
Os pesquisadores usaram a impressão a jato de tinta para criar uma versão multiespectral compacta de uma câmera de campo luminoso. A câmera, que cabe na palma da mão, pode ser útil para muitas aplicações, incluindo direção autônoma, classificação de materiais reciclados e sensoriamento remoto.

As informações espectrais 3D podem ser úteis para classificar objetos e materiais; no entanto, a captura de informações espaciais e espectrais 3D de uma cena normalmente requer vários dispositivos ou processos de digitalização demorados. Esta nova câmera de campo luminoso resolve o desafio ao adquirir simultaneamente informações 3D e dados espectrais em um único instantâneo.

“Até onde sabemos, esta é a versão mais avançada e integrada de uma câmera multiespectral de campo luminoso”, disse o líder da equipe de pesquisa, Uli Lemmer, do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe, na Alemanha. “Combinamos isso com novos métodos de IA para reconstruir a profundidade e as propriedades espectrais da cena para criar um sistema de sensor avançado para aquisição de informações 3D.”

Na revista Optics Express, os pesquisadores relatam que os novos métodos de câmera e reconstrução de imagem podem ser usados para distinguir objetos em uma cena com base em suas características espectrais. O uso da impressão a jato de tinta para fabricar os principais componentes ópticos da câmera permite que ela seja facilmente personalizada ou fabricada em grandes volumes.

“Os dados 3D reconstruídos a partir de imagens de câmeras estão sendo amplamente utilizados em realidade virtual e aumentada, carros autônomos, robótica, dispositivos domésticos inteligentes, sensoriamento remoto e outras aplicações”, disse Michael Heizmann, membro da equipe de pesquisa. "Esta nova tecnologia poderia, por exemplo, permitir que os robôs interagissem melhor com os seres humanos ou melhorar a precisão da classificação e separação de materiais na reciclagem. Também poderia ser potencialmente utilizada para classificar tecidos saudáveis ​​e doentes."

Câmeras de campo de luz, também chamadas de câmeras plenópticas, são dispositivos de imagem especializados que capturam a direção e a intensidade dos raios de luz. Após a aquisição da imagem, o processamento computacional é usado para reconstruir as informações da imagem 3D a partir dos dados adquiridos. Essas câmeras normalmente usam matrizes de microlentes alinhadas com os pixels de um chip de câmera de alta resolução.

Para criar uma câmera de campo de luz multiespectral, os pesquisadores usaram impressão a jato de tinta para depositar uma única gota de material para formar cada lente individual em um lado das lâminas de microscópio ultrafinas e, em seguida, imprimiram matrizes de filtros coloridos totalmente alinhados no lado oposto das lâminas de microscópio. O componente óptico resultante foi integrado diretamente em um chip de câmera CMOS. O método de impressão a jato de tinta permitiu o alinhamento preciso entre os componentes ópticos, reduzindo significativamente a complexidade de fabricação e aumentando a eficiência.

Como esta configuração produz informações espectrais e de profundidade que estão interligadas na imagem da câmera, os pesquisadores desenvolveram métodos para separar cada componente. Eles descobriram que uma abordagem baseada em aprendizagem profunda funcionava melhor para extrair as informações desejadas diretamente das medições adquiridas.

“Enfrentar o desafio de criar uma câmera de campo de luz multiespectral só foi possível combinando avanços recentes de fabricação, design de sistema e reconstrução de imagem baseada em IA”, disse Qiaoshuang Zhang, primeiro autor do artigo. “Este trabalho ultrapassa os limites da impressão a jato de tinta – um método versátil com alta precisão e escalabilidade industrial – para a fabricação de componentes fotônicos.”

Os pesquisadores testaram a câmera gravando uma cena de teste que continha objetos 3D multicoloridos em diferentes distâncias. O algoritmo de reconstrução de imagem foi treinado e testado em muitas imagens multiespectrais sintéticas e reais. Os resultados demonstram que a câmera protótipo pode adquirir simultaneamente informações espaciais e espectrais 3D e que diferentes objetos podem ser visualizados e distinguidos por suas diferentes composições espectrais e informações de profundidade em um único instantâneo.

Agora que concluíram esta primeira prova de conceito, os investigadores estão a explorar várias aplicações onde uma câmara de campo luminoso com capacidade de adquirir informação multiespectral poderia ser útil.

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