利用喷墨打印技术制造便携式多光谱光场相机

MEMS 2024-06-18 00:01

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研究人员利用喷墨打印技术制造出了一种紧凑型多光谱光场相机。这种相机可以放在手掌中，可用于自动驾驶、回收材料分类和遥感等多种应用。

三维光谱信息对于物体和材料的分类非常有用；然而，从场景中捕捉三维空间和光谱信息通常需要多个设备或耗时的扫描过程。新型光场相机通过在一张快照中同时获取三维信息和光谱数据，解决了这一难题。

来自德国卡尔斯鲁厄理工学院的研究团队负责人Uli Lemmer说：“据我们所知，这是最先进的集成版多光谱光场相机。我们将它与用于重建场景深度和光谱特性的新人工智能方法相结合，创建了一个用于获取三维信息的先进传感器系统。”

研究人员在《光学快报》（Optics Express）杂志上报告说，新相机和图像重建方法可用于根据光谱特性区分场景中的物体。利用喷墨打印技术制造相机的关键光学元件，可以方便地进行定制或大批量制造。

研究团队成员Michael Heizmann说：“从相机图像中重建的三维数据正在虚拟现实和增强现实、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，或提高回收材料分类和分离的准确性。它还有可能用于对健康和患病组织进行分类。”

喷墨打印用于在超薄显微镜载玻片的一侧沉积单个材料液滴，形成单个透镜（i）。固化（ii）后，在显微镜载玻片的另一面（iii）上打印出完全对齐的彩色滤光片阵列。由此产生的光学元件被直接集成到 CMOS 相机芯片上，并放置在相机外壳中 (iv)。

使用喷墨打印添加颜色

光场照相机又称全光学照相机，是一种专门的成像设备，可以捕捉光线的方向和强度。采集图像后，通过计算处理从采集的数据中重建三维图像信息。这些相机通常使用与高分辨率相机芯片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技术在超薄显微镜载玻片的一侧沉积形成每个独立透镜的单滴材料，然后在显微镜载玻片的另一侧打印完全对齐的彩色滤光片阵列。由此产生的光学元件被直接集成到 CMOS 相机芯片上。喷墨打印方法允许光学元件之间精确对齐，大大降低了制造复杂性，提高了效率。

由于这种设置产生的光谱和深度信息在相机图像中交织在一起，研究人员开发出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。

研究人员使用新型相机和深度学习方法，以不同颜色通道（伪色表示）生成了这些重建视图。

基于光谱的物体检测

论文第一作者Qiaoshuang Zhang说：“只有将制造、系统设计和基于人工智能的图像重建等方面的最新进展结合起来，才有可能应对创建多光谱光场相机的挑战。这项工作推动了喷墨打印——一种具有高精度和工业可扩展性的多功能方法，在制造光子元件方面的应用。”

研究人员通过记录一个测试场景对相机进行了测试，该场景包含不同距离的多色三维物体。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三维空间和光谱信息，并且可以在一张快照中通过不同的光谱组成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，研究人员正在探索具有获取多光谱信息能力的光场照相机可能有用的各种应用。

论文链接：
https://dx.doi.org/10.1364/OE.521646

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