La cámara de campo de luz 3D multiespectral portátil impresa por inyección de tinta desbloquea aplicaciones de imágenes avanzadas

Óptica, Washington D.C.

Los investigadores utilizaron la impresión por inyección de tinta para crear una versión multiespectral de una cámara de campo luminoso que cabe en la palma de la mano. La cámara 3D podría resultar útil para aplicaciones como la conducción autónoma, la clasificación de materiales reciclados y la teledetección. (Imagen:Maximilian Schambach, Instituto Tecnológico de Karlsruhe)

Los investigadores han utilizado la impresión por inyección de tinta para crear una versión multiespectral compacta de una cámara de campo luminoso. La cámara, que cabe en la palma de la mano, podría resultar útil para muchas aplicaciones, incluida la conducción autónoma, la clasificación de materiales reciclados y la detección remota.

La información espectral 3D puede resultar útil para clasificar objetos y materiales; sin embargo, capturar información espacial y espectral 3D de una escena normalmente requiere múltiples dispositivos o procesos de escaneo que requieren mucho tiempo. Esta nueva cámara de campo de luz resuelve el desafío al adquirir simultáneamente información 3D y datos espectrales en una sola instantánea.

"Hasta donde sabemos, esta es la versión más avanzada e integrada de una cámara de campo de luz multiespectral", dijo el líder del equipo de investigación Uli Lemmer del Instituto de Tecnología de Karlsruhe en Alemania. "Lo combinamos con nuevos métodos de IA para reconstruir la profundidad y las propiedades espectrales de la escena para crear un sistema de sensores avanzado para adquirir información 3D".

En la revista Optics Express, Los investigadores informan que la nueva cámara y los métodos de reconstrucción de imágenes se pueden utilizar para distinguir objetos en una escena en función de sus características espectrales. El uso de la impresión por inyección de tinta para fabricar los componentes ópticos clave de la cámara permite personalizarla fácilmente o fabricarla en grandes volúmenes.

"Los datos 3D reconstruidos a partir de imágenes de cámaras están encontrando un uso generalizado en la realidad virtual y aumentada, los coches autónomos, la robótica, los dispositivos domésticos inteligentes, la teledetección y otras aplicaciones", afirmó Michael Heizmann, miembro del equipo de investigación. "Esta nueva tecnología podría, por ejemplo, permitir que los robots interactúen mejor con los humanos o mejorar la precisión de la clasificación y separación de materiales en el reciclaje. También podría usarse potencialmente para clasificar tejidos sanos y enfermos".

Las cámaras de campo luminoso, también llamadas cámaras plenópticas, son dispositivos de imágenes especializados que capturan la dirección y la intensidad de los rayos de luz. Después de la adquisición de la imagen, se utiliza procesamiento computacional para reconstruir información de la imagen 3D a partir de los datos adquiridos. Estas cámaras suelen utilizar conjuntos de microlentes que están alineados con los píxeles de un chip de cámara de alta resolución.

Para crear una cámara de campo de luz multiespectral, los investigadores utilizaron impresión de inyección de tinta para depositar una sola gota de material para formar cada lente individual en un lado de los portaobjetos de microscopio ultrafinos y luego imprimieron conjuntos de filtros de color completamente alineados en el lado opuesto de los portaobjetos de microscopio. El componente óptico resultante se integró directamente en un chip de cámara CMOS. El método de impresión por inyección de tinta permitió una alineación precisa entre los componentes ópticos, lo que redujo significativamente la complejidad de fabricación y mejoró la eficiencia.

Debido a que esta configuración produce información espectral y de profundidad que se entrelazan en la imagen de la cámara, los investigadores desarrollaron métodos para separar cada componente. Descubrieron que un enfoque basado en el aprendizaje profundo funcionaba mejor para extraer la información deseada directamente de las mediciones adquiridas.

"Afrontar el desafío de crear una cámara de campo de luz multiespectral sólo fue posible combinando avances recientes en fabricación, diseño de sistemas y reconstrucción de imágenes basada en inteligencia artificial", dijo Qiaoshuang Zhang, primer autor del artículo. "Este trabajo traspasa los límites de la impresión por inyección de tinta, un método versátil con alta precisión y escalabilidad industrial, para fabricar componentes fotónicos".

Los investigadores probaron la cámara grabando una escena de prueba que contenía objetos tridimensionales multicolores a diferentes distancias. El algoritmo de reconstrucción de imágenes fue entrenado y probado en muchas imágenes multiespectrales sintéticas y reales. Los resultados demuestran que el prototipo de cámara puede adquirir simultáneamente información espacial y espectral en 3D y que se pueden visualizar y distinguir diferentes objetos por su diferente composición espectral e información de profundidad en una sola instantánea.

Ahora que han completado esta primera prueba de concepto, los investigadores están explorando varias aplicaciones en las que una cámara de campo luminoso con capacidad para adquirir información multiespectral podría resultar útil.

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