Câmera Light-Field 3D Multiespectral Portátil Impressa por Jato de Tinta Desbloqueia Aplicações Avançadas de Imagem

Optica, Washington D.C.

Pesquisadores usaram impressão por jato de tinta para criar uma versão multiespectral de uma câmera light-field, que cabe na palma da mão. A câmera 3D poderia ser útil para aplicações como direção autônoma, classificação de materiais reciclados e sensoriamento remoto. (Imagem: Maximilian Schambach, Instituto de Tecnologia de Karlsruhe)

Captura Simultânea 3D e Espectral

Pesquisadores usaram impressão por jato de tinta para criar uma versão compacta multiespectral de uma câmera light-field. A câmera, que cabe na palma da mão, poderia ser útil para muitas aplicações incluindo direção autônoma, classificação de materiais reciclados e sensoriamento remoto.

Informação espectral 3D pode ser útil para classificar objetos e materiais; no entanto, capturar informação espacial 3D e espectral de uma cena tipicamente requer múltiplos dispositivos ou processos de escaneamento demorados. Esta nova câmera light-field resolve o desafio adquirindo simultaneamente informação 3D e dados espectrais em um único instantâneo.

"Para nosso conhecimento, esta é a versão mais avançada e integrada de uma câmera light-field multiespectral", disse o líder da equipe de pesquisa Uli Lemmer do Instituto de Tecnologia de Karlsruhe na Alemanha. "Combinamos com novos métodos de IA para reconstruir a profundidade e propriedades espectrais da cena para criar um sistema de sensor avançado para aquisição de informação 3D."

No jornal Optics Express, os pesquisadores relatam que a nova câmera e métodos de reconstrução de imagem podem ser usados para distinguir objetos em uma cena baseados em suas características espectrais. Usar impressão por jato de tinta para fabricar os componentes ópticos-chave da câmera permite que seja facilmente personalizada ou fabricada em grandes volumes.

"Dados 3D reconstruídos de imagens de câmera estão encontrando uso generalizado 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 robôs interajam melhor com humanos ou melhorar a precisão na classificação e separação de materiais na reciclagem. Também poderia ser potencialmente usada para classificar tecidos saudáveis e doentes."

Fabricação por Jato de Tinta

Câmeras light-field, também chamadas câmeras plenópticas, são dispositivos de imagem especializados que capturam a direção e intensidade de raios de luz. Após aquisição de imagem, processamento computacional é usado para reconstruir informação de imagem 3D dos dados adquiridos. Estas câmeras tipicamente usam arrays de microlentes alinhados com os pixels de um chip de câmera de alta resolução.

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

Como esta configuração produz informação espectral e de profundidade entrelaçadas na imagem da câmera, os pesquisadores desenvolveram métodos para separar cada componente. Eles descobriram que uma abordagem baseada em aprendizado profundo funcionou melhor para extrair a informação desejada diretamente das medições adquiridas.

"Enfrentar o desafio de criar uma câmera light-field multiespectral só foi possível combinando avanços recentes de manufatura, design de sistema e reconstrução de imagem baseada em IA", disse Qiaoshuang Zhang, primeira autora do artigo. "Este trabalho expande os limites da impressão por jato de tinta — um método versátil com alta precisão e escalabilidade industrial — para fabricar componentes fotônicos."

Testes e Próximos Passos

Os pesquisadores testaram a câmera gravando uma cena de teste que continha objetos 3D multicoloridos a 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 informação espacial 3D e espectral e que diferentes objetos podem ser imaginados e distinguidos por sua diferente composição espectral e informação de profundidade dentro de um único instantâneo.

Agora que completaram esta primeira prova de conceito, os pesquisadores estão explorando várias aplicações onde uma câmera light-field com capacidade de adquirir informação multiespectral poderia ser útil.

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