Los investigadores han desarrollado un sistema de imágenes compacto que puede medir la forma y las propiedades de reflexión de la luz de los objetos con alta velocidad y precisión. Este sistema de imágenes hiperespectrales 5D, llamado así porque captura múltiples longitudes de onda de luz más coordenadas espaciales en función del tiempo, podría beneficiar a una variedad de aplicaciones, incluida la clasificación de productos basada en ópticas y la identificación de personas en áreas seguras de aeropuertos. Con una mayor miniaturización, el generador de imágenes podría permitir la inspección basada en teléfonos inteligentes de la madurez de la fruta, o seguimiento médico personal.

Y lo que es más, "debido a que nuestro sistema de imágenes no requiere contacto con el objeto, se puede utilizar para registrar artefactos o obras de arte históricamente valiosos, "dijo el líder del equipo de investigación Stefan Heist de la Universidad Friedrich Schiller de Jena y el Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Ingeniería de Precisión, Alemania. Esto se puede utilizar para crear un archivo digital detallado y preciso, él agregó, al mismo tiempo que permite el estudio de la composición material del objeto.

Los generadores de imágenes hiperespectrales detectan decenas a cientos de colores, o longitudes de onda, en lugar de los tres detectados por las cámaras normales. Cada píxel de una imagen hiperespectral tradicional contiene una intensidad de radiación dependiente de la longitud de onda en un rango específico vinculado a coordenadas bidimensionales.

El nuevo sistema de imágenes hiperespectrales, desarrollado en colaboración con el grupo de investigación de Gunther Notni de la Universidad de Tecnología Ilmenau de Alemania, avanza este enfoque de imágenes adquiriendo información adicional sobre las dimensiones. En la revista The Optical Society (OSA) Óptica Express , los investigadores describen cómo cada píxel adquirido por su nuevo generador de imágenes hiperespectral 5D contiene el tiempo; X, coordenadas espaciales yyz; e información basada en la reflectancia de la luz que va desde la parte visible hasta la del infrarrojo cercano del espectro electromagnético.

"Los sistemas de vanguardia que tienen como objetivo determinar tanto la forma de los objetos como sus propiedades espectrales se basan en múltiples sensores, ofrecen baja precisión o requieren largos tiempos de medición, "dijo Heist." En contraste, nuestro enfoque combina una excelente resolución espacial y espectral, gran precisión de profundidad y altas velocidades de cuadro en un solo sistema compacto ".

Creando un prototipo compacto

Los investigadores crearon un sistema prototipo con una huella de solo 200 por 425 milímetros, aproximadamente el tamaño de una computadora portátil. Utiliza dos cámaras de instantáneas hiperespectrales para formar imágenes en 3-D y obtener información de profundidad muy similar a como lo hacen nuestros ojos al capturar una escena desde dos direcciones ligeramente diferentes. Al identificar puntos particulares en la superficie del objeto que están presentes en ambas vistas de la cámara, se puede crear un conjunto completo de puntos de datos en el espacio para ese objeto. Sin embargo, este enfoque solo funciona si el objeto tiene suficiente textura o estructura para identificar puntos sin ambigüedades.

Para capturar tanto la información espectral como la forma de la superficie de los objetos que pueden no estar muy texturizados o estructurados, los investigadores incorporaron un proyector de alta velocidad especialmente desarrollado en su sistema. Usando un método de proyección mecánica, Se utiliza una serie de patrones de luz aperiódicos para texturizar artificialmente la superficie del objeto. Esto permite una reconstrucción tridimensional sólida y precisa de la superficie. La información espectral obtenida por los diferentes canales de las cámaras hiperespectrales se mapea luego en estos puntos.

"Nuestro desarrollo anterior de un sistema que proyectaba patrones aperiódicos mediante una rueda giratoria hizo posible proyectar secuencias de patrones a velocidades de cuadro potencialmente muy altas y fuera del rango espectral visible, ", dijo Heist." Las nuevas cámaras de instantáneas hiperespectrales también fueron un componente importante porque permiten que la información resuelta espacial y espectralmente se capture en una sola imagen, sin escanear ".

Imágenes hiperespectrales de alta velocidad

Los investigadores caracterizaron su prototipo analizando el comportamiento espectral de las cámaras y el rendimiento 3-D de todo el sistema. Demostraron que podía capturar imágenes 5D visibles en infrarrojo cercano tan rápido como 17 fotogramas por segundo, significativamente más rápido que otros sistemas similares.

Para demostrar la utilidad del prototipo para analizar objetos culturalmente significativos, los investigadores lo utilizaron para documentar digitalmente un globo terráqueo histórico de 1885. También crearon modelos 5D en el infrarrojo cercano de la mano de una persona y demostraron que el sistema podría utilizarse como una forma sencilla de detectar venas. El generador de imágenes también se puede utilizar para aplicaciones agrícolas, que los investigadores demostraron usándolo para capturar el cambio 5D en el espectro de reflexión de las hojas de las plantas de cítricos mientras absorbían agua.

Los investigadores planean optimizar su prototipo mediante el uso de cámaras hiperespectrales con una relación señal / ruido más alta o que presenten menos diafonía entre los diferentes canales espectrales. Idealmente, el sistema se adaptará a aplicaciones específicas. Por ejemplo, Las cámaras con altas tasas de imágenes podrían usarse para analizar las propiedades de los objetos que cambian dinámicamente, mientras que el uso de sensores con alta resolución en la longitud de onda infrarroja puede ser útil para detectar fugas químicas.