インクジェット印刷のポータブル マルチスペクトル 3D 光場カメラが高度なイメージング アプリケーションを可能にする

オプティカ、ワシントン D.C.

研究者らは、インクジェット印刷を使用して、手のひらに収まるマルチスペクトル バージョンのライト フィールド カメラを作成しました。 3D カメラは、自動運転、リサイクル材料の分類、リモート センシングなどの用途に役立つ可能性があります。 (画像:カールスルーエ工科大学マクシミリアン・シャンバッハ)

研究者らはインクジェット印刷を使用して、ライトフィールドカメラのコンパクトなマルチスペクトルバージョンを作成しました。このカメラは手のひらに収まるサイズで、自動運転、リサイクル材料の分類、リモート センシングなどの多くの用途に役立つ可能性があります。

3D スペクトル情報は、物体や材料を分類するのに役立ちます。ただし、シーンから 3D 空間およびスペクトル情報をキャプチャするには、通常、複数のデバイスまたは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、1 つのスナップショットで 3D 情報とスペクトル データを同時に取得することで課題を解決します。

ドイツのカールスルーエ工科大学の研究チームリーダー、ウリ・レンマー氏は、「我々の知る限り、これはマルチスペクトルライトフィールドカメラの最も先進的かつ統合されたバージョンである」と述べた。 「私たちはこれを、シーンの深度とスペクトル特性を再構築するための新しい AI 手法と組み合わせて、3D 情報を取得するための高度なセンサー システムを作成しました。」

雑誌Optics Expressでは、 研究者らは、新しいカメラと画像再構成手法を使用して、スペクトル特性に基づいてシーン内のオブジェクトを区別できると報告しています。インクジェット印刷を使用してカメラの主要な光学コンポーネントを製造すると、簡単にカスタマイズしたり、大量に製造したりできます。

研究チームのメンバー、マイケル・ハイツマン氏は「カメラ画像から再構成された3Dデータは、仮想現実や拡張現実、自動運転車、ロボット工学、スマートホームデバイス、リモートセンシングなどのアプリケーションで広く使われている」と述べた。 「この新しいテクノロジーにより、たとえば、ロボットが人間とより適切に対話できるようになったり、リサイクルにおける材料の分類と分離の精度が向上したりする可能性があります。また、健康な組織と病気の組織を分類するためにも使用できる可能性があります。」

ライトフィールド カメラは、プレノプティック カメラとも呼ばれ、光線の方向と強度を捕捉する特殊な画像デバイスです。画像取得後、計算処理を使用して、取得したデータから 3D 画像情報が再構成されます。これらのカメラは通常、高解像度カメラ チップのピクセルと位置合わせされたマイクロレンズ アレイを使用します。

マルチスペクトル ライト フィールド カメラを作成するために、研究者らはインクジェット印刷を使用して材料の 1 滴を堆積させ、極薄の顕微鏡スライドの片面に個別のレンズを形成し、次に顕微鏡スライドの反対側に完全に位置合わせされたカラー フィルター アレイを印刷しました。結果として得られた光学コンポーネントは、CMOS カメラ チップ上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正確な位置合わせが可能になり、製造の複雑さが大幅に軽減され、効率が向上しました。

この設定ではカメラ画像に織り込まれたスペクトル情報と深度情報が生成されるため、研究者らは各成分を分離する方法を開発しました。彼らは、ディープ ラーニングに基づくアプローチが、取得した測定値から必要な情報を直接抽出するのに最適であることを発見しました。

「マルチスペクトル ライト フィールド カメラを作成するという課題に取り組むことは、製造、システム設計、AI ベースの画像再構成による最近の進歩を組み合わせることによってのみ可能でした」と論文の筆頭著者である Qiaoshuang Zhang 氏は述べています。 「この成果は、フォトニック コンポーネントを製造するための、高精度で産業的拡張性を備えた汎用性の高い方法であるインクジェット印刷の限界を押し広げます。」

研究者らは、さまざまな距離にあるマルチカラーの 3D オブジェクトを含むテスト シーンを記録することでカメラをテストしました。画像再構成アルゴリズムは、多くの合成画像と実際のマルチスペクトル画像でトレーニングおよびテストされました。この結果は、プロトタイプのカメラが 3D 空間情報とスペクトル情報を同時に取得できること、および 1 つのスナップショット内でさまざまな物体を撮像し、さまざまなスペクトル構成と深度情報によって区別できることを示しています。

この最初の概念実証を完了した現在、研究者らは、マルチスペクトル情報を取得する機能を備えたライトフィールド カメラが役立つさまざまな用途を模索しています。

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