Cámara Plenóptica 3D Multiespectral Portátil Impresa por Inyección de Tinta para Imagen Avanzada

Optica, Washington D.C.

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

Información 3D espectral en una sola instantánea

Los investigadores han usado impresión por inyección de tinta para crear una versión compacta multiespectral de una cámara de campo de luz. La cámara, que cabe en la palma de la mano, podría ser útil para muchas aplicaciones incluyendo conducción autónoma, clasificación de materiales reciclados y teledetección.

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

"Para nuestro conocimiento, 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. "La combinamos con nuevos métodos de IA para reconstruir la profundidad y propiedades espectrales de la escena para crear un sistema sensor avanzado para adquirir información 3D."

En la revista Optics Express, los investigadores reportan que la nueva cámara y métodos de reconstrucción de imagen pueden usarse para distinguir objetos en una escena basándose en sus características espectrales. Usar 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 de imágenes de cámara están encontrando uso generalizado en realidad virtual y aumentada, coches autónomos, robótica, dispositivos inteligentes para el hogar, teledetección y otras aplicaciones", dijo Michael Heizmann, miembro del equipo de investigación. "Esta nueva tecnología podría, por ejemplo, permitir a los robots interactuar mejor con humanos o mejorar la precisión de clasificar y separar materiales en reciclaje. También podría usarse potencialmente para clasificar tejidos sanos y enfermos."

Fabricación por inyección de tinta: lentes y filtros de color alineados

Las cámaras de campo de luz, también llamadas cámaras plenópticas, son dispositivos de imagen especializados que capturan la dirección e intensidad de rayos de luz. Después de la adquisición de imagen, se usa procesamiento computacional para reconstruir información de imagen 3D a partir de los datos adquiridos. Estas cámaras típicamente usan arrays de microlentes alineados con los píxeles de un chip de cámara de alta resolución.

Para crear una cámara de campo de luz multiespectral, los investigadores usaron impresión por inyección de tinta para depositar una sola gota de material para formar cada lente individual en un lado de láminas de microscopio ultrafinas y luego imprimieron arrays de filtros de color completamente alineados en el lado opuesto de las láminas de microscopio. El componente óptico resultante se integró directamente en un chip de cámara CMOS. El método de impresión por inyección de tinta permitió alineación precisa entre los componentes ópticos, reduciendo significativamente la complejidad de fabricación y mejorando la eficiencia.

Reconstrucción por aprendizaje profundo

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

"Abordar el desafío de crear una cámara de campo de luz multiespectral solo fue posible combinando avances recientes de fabricación, diseño de sistema y reconstrucción de imagen basada en IA", dijo Qiaoshuang Zhang, primer autor del artículo. "Este trabajo empuja los límites de la impresión por inyección de tinta —un método versátil con alta precisión y escalabilidad industrial— para fabricar componentes fotónicos."

Validación experimental

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

Ahora que han completado esta primera prueba de concepto, los investigadores están explorando diversas aplicaciones donde una cámara de campo de luz con capacidad para adquirir información multiespectral podría ser útil.

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