インクジェット印刷ポータブル分光3Dライトフィールドカメラ、高度撮像応用を開拓

Optica、ワシントンD.C.

研究者たちはインクジェット印刷を用いてライトフィールドカメラの分光版を作製し、手のひらサイズに収まります。この3Dカメラは、自律走行、リサイクル材料分類、リモートセンシングなどの用途に有用です。（画像：Maximilian Schambach、カールスルーエ工科大学）

単一スナップショットで3D空間・分光情報を同時取得

研究者たちはインクジェット印刷を用いて、コンパクトな分光ライトフィールドカメラを作製しました。手のひらサイズのこのカメラは、自律走行、リサイクル材料分類、リモートセンシングなど多くの用途に有用です。

3D分光情報は物体と材料の分類に有用ですが、シーンから3D空間情報と分光情報を取得するには通常、複数デバイスや時間のかかるスキャンプロセスが必要です。この新しいライトフィールドカメラは、3D情報と分光データを単一スナップショットで同時に取得することでこの課題を解決します。

「我々の知る限り、これは最も先進的で統合された分光ライトフィールドカメラのバージョンです」と、ドイツ・カールスルーエ工科大学の研究チームリーダーUli Lemmer氏。「深度とシーンの分光特性を再構成する新しいAI手法と組み合わせ、3D情報取得のための先進センサーシステムを創出しました。」

学術誌『Optics Express』で、研究者たちは新カメラと画像再構成手法が、シーン内の物体を分光特性に基づいて区別するために使用できることを報告しています。インクジェット印刷でカメラの主要光学コンポーネントを作製することで、容易なカスタマイズや大量生産が可能になります。

「カメラ画像から再構成された3Dデータは、バーチャル/拡張現実、自動運転車、ロボティクス、スマートホームデバイス、リモートセンシング、その他の用途で広く利用されています」と、研究チームメンバーMichael Heizmann氏。「この新技術は、例えばロボットが人間とより良く相互作用できるようにしたり、リサイクルにおける材料分類・分離の精度を向上させたりするのに役立つかもしれません。健康な組織と病変組織の分類にも潜在的に使用可能です。」

インクジェット印刷で光学部品を一体化

ライトフィールドカメラ（プレノプティックカメラとも呼ばれる）は、光線の方向と強度を捕捉する特殊な撮像デバイスです。画像取得後、計算処理を用いて取得データから3D画像情報を再構成します。これらのカメラは通常、高解像度カメラチップのピクセルに整列したマイクロレンズアレイを使用します。

分光ライトフィールドカメラを作製するため、研究者たちはインクジェット印刷を用いて、超薄型顕微鏡スライドの片側に個々のレンズを形成するための材料単一滴を堆積させ、反対側に完全に整列したカラーフィルターアレイを印刷しました。その結果得られた光学コンポーネントはCMOSカメラチップに直接統合されました。インクジェット印刷法により光学コンポーネント間の精密なアライメントが可能になり、製造複雑性を大幅に低減し効率を向上させました。

このセットアップでは分光情報と深度情報がカメラ画像内で相互に織り込まれているため、研究者たちは各成分を分離する手法を開発しました。ディープラーニングベースのアプローチが、取得測定値から所望情報を直接抽出するのに最適であることがわかりました。

「分光ライトフィールドカメラ作製の課題に取り組めたのは、製造、システム設計、AIベース画像再構成の最近の進歩を組み合わせたからです」と、論文筆頭著者Qiaoshuang Zhang氏。「この研究は、高精度と産業的拡張性を持つ汎用的手法であるインクジェット印刷の限界を押し広げ、フォトニックコンポーネント製造への応用を示しました。」

研究者たちは、異なる距離にある多色3D物体を含むテストシーンを記録してカメラをテストしました。画像再構成アルゴリズムは多数の合成・実分光画像で訓練・テストされました。結果は、試作カメラが3D空間情報と分光情報を同時に取得でき、異なる物体が単一スナップショット内で異なる分光組成と深度情報によって撮像・区別できることを示しています。

この最初の概念実証が完了した今、研究者たちは分光情報取得能力を持つライトフィールドカメラが有用となり得る様々な用途を探求しています。

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