喷墨打印便携式多光谱 3D 光场相机解锁高级成像应用
光学，华盛顿特区
研究人员使用喷墨打印技术创建了多光谱版本的光场相机，该相机适合手掌大小。 3D 相机可用于自动驾驶、回收材料分类和遥感等应用。 （图片：马克西米利安·沙姆巴赫，卡尔斯鲁厄理工学院）研究人员使用喷墨打印来创建紧凑型多光谱版本的光场相机。该相机适合手掌大小，可用于许多应用，包括自动驾驶、回收材料分类和遥感。
3D 光谱信息可用于对物体和材料进行分类；然而，从场景中捕获 3D 空间和光谱信息通常需要多个设备或耗时的扫描过程。这款新型光场相机通过在单个快照中同时获取 3D 信息和光谱数据来解决这一挑战。
德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究小组负责人 Uli Lemmer 表示：“据我们所知，这是最先进、集成的多光谱光场相机版本。” “我们将其与新的 AI 方法相结合，用于重建场景的深度和光谱特性，创建用于获取 3D 信息的先进传感器系统。”
在Optics Express杂志中， 研究人员报告说，新的相机和图像重建方法可用于根据物体的光谱特征来区分场景中的物体。使用喷墨打印来制造相机的关键光学部件，使其可以轻松定制或大批量制造。
研究团队成员 Michael Heizmann 表示：“从相机图像重建的 3D 数据正在虚拟和增强现实、自动驾驶汽车、机器人、智能家居设备、遥感和其他应用中得到广泛应用。” “例如，这项新技术可以让机器人更好地与人类互动，或者提高回收材料分类和分离的准确性。它还可以用于对健康和患病组织进行分类。”
光场相机，也称为全光相机，是捕获光线方向和强度的专用成像设备。图像采集后，使用计算处理从采集的数据重建 3D 图像信息。这些相机通常使用与高分辨率相机芯片的像素对齐的微透镜阵列。
为了制造多光谱光场相机，研究人员使用喷墨打印在超薄显微镜载玻片的一侧沉积一滴材料，形成每个单独的透镜，然后在显微镜载玻片的另一侧打印完全对齐的滤色器阵列。由此产生的光学元件被直接集成到 CMOS 相机芯片上。喷墨打印方法可以实现光学元件之间的精确对准，显着降低制造复杂性并提高效率。
由于这种设置产生的光谱和深度信息交织在相机图像中，因此研究人员开发了分离每个组件的方法。他们发现基于深度学习的方法最适合直接从获取的测量结果中提取所需的信息。
“只有结合制造、系统设计和基于人工智能的图像重建的最新进展，才能应对创建多光谱光场相机的挑战，”该论文的第一作者张桥双说。 “这项工作突破了喷墨打印的界限——一种具有高精度和工业可扩展性的多功能方法——用于制造光子元件。”
研究人员通过记录包含不同距离的多色 3D 物体的测试场景来测试相机。图像重建算法在许多合成和真实的多光谱图像上进行了训练和测试。结果表明，原型相机可以同时获取3D空间和光谱信息，并且可以在单个快照中通过不同的光谱成分和深度信息对不同的物体进行成像和区分。
现在，他们已经完成了第一个概念验证，研究人员正在探索能够获取多光谱信息的光场相机可能有用的各种应用。
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