I ricercatori hanno sviluppato un sistema di imaging compatto in grado di misurare la forma e le proprietà di riflessione della luce degli oggetti con alta velocità e precisione. Questo sistema di imaging iperspettrale 5D, così chiamato perché cattura più lunghezze d'onda della luce più coordinate spaziali in funzione del tempo, potrebbe beneficiare di una varietà di applicazioni, tra cui lo smistamento ottico dei prodotti e l'identificazione delle persone nelle aree sicure degli aeroporti. Con un'ulteriore miniaturizzazione, l'imager potrebbe consentire l'ispezione basata su smartphone della maturazione dei frutti, o monitoraggio medico personale.

Cosa c'è di più, "perché il nostro sistema di imaging non richiede il contatto con l'oggetto, può essere utilizzato per registrare manufatti o opere d'arte di valore storico, " ha affermato il leader del gruppo di ricerca Stefan Heist della Friedrich Schiller University Jena e del Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering, Germania. Questo può essere utilizzato per creare un archivio digitale dettagliato e accurato, Ha aggiunto, consentendo anche lo studio della composizione materica dell'oggetto.

Gli imager iperspettrali rilevano da decine a centinaia di colori, o lunghezze d'onda, invece dei tre rilevati dalle normali telecamere. Ogni pixel di un'immagine iperspettrale tradizionale contiene l'intensità della radiazione dipendente dalla lunghezza d'onda su un intervallo specifico collegato a coordinate bidimensionali.

Il nuovo sistema di imaging iperspettrale, sviluppato in collaborazione con il gruppo di ricerca di Gunther Notni dell'Università tecnologica tedesca di Ilmenau, fa avanzare questo approccio di imaging acquisendo ulteriori informazioni sulla dimensione. Nella rivista The Optical Society (OSA) Ottica Express , i ricercatori descrivono come ogni pixel acquisito dal loro nuovo imager iperspettrale 5D contiene il tempo; X, coordinate spaziali yez; e informazioni basate sulla riflettanza della luce che vanno dalla porzione visibile al vicino infrarosso dello spettro elettromagnetico.

"I sistemi all'avanguardia che mirano a determinare sia la forma degli oggetti che le loro proprietà spettrali si basano su più sensori, offrono una bassa precisione o richiedono lunghi tempi di misurazione, " disse Heist. "Al contrario, il nostro approccio combina un'eccellente risoluzione spaziale e spettrale, grande precisione di profondità e frame rate elevati in un unico sistema compatto."

Creazione di un prototipo compatto

I ricercatori hanno creato un prototipo di sistema con un ingombro di soli 200 x 425 millimetri, circa le dimensioni di un laptop. Utilizza due fotocamere istantanee iperspettrali per formare immagini 3D e ottenere informazioni sulla profondità proprio come fanno i nostri occhi catturando una scena da due direzioni leggermente diverse. Identificando punti particolari sulla superficie dell'oggetto che sono presenti in entrambe le viste della telecamera, è possibile creare un set completo di punti dati nello spazio per quell'oggetto. Però, questo approccio funziona solo se l'oggetto ha una trama o una struttura sufficiente per identificare in modo univoco i punti.

Per catturare sia le informazioni spettrali che la forma della superficie degli oggetti che potrebbero non essere altamente testurizzati o strutturati, i ricercatori hanno incorporato nel loro sistema un proiettore ad alta velocità appositamente sviluppato. Utilizzando un metodo di proiezione meccanica, una serie di modelli di luce aperiodici vengono utilizzati per strutturare artificialmente la superficie dell'oggetto. Ciò consente una ricostruzione 3D robusta e accurata della superficie. Le informazioni spettrali ottenute dai diversi canali delle telecamere iperspettrali vengono quindi mappate su questi punti.

"Il nostro precedente sviluppo di un sistema che proietta pattern aperiodici tramite una ruota rotante ha permesso di proiettare sequenze di pattern a frame rate potenzialmente molto elevati e al di fuori della gamma spettrale visibile, " ha affermato Heist. "Anche le nuove fotocamere istantanee iperspettrali sono state un componente importante perché consentono di catturare informazioni risolte nello spazio e nello spettro in una singola immagine, senza alcuna scansione."

Imaging iperspettrale ad alta velocità

I ricercatori hanno caratterizzato il loro prototipo analizzando il comportamento spettrale delle telecamere e le prestazioni 3D dell'intero sistema. Hanno dimostrato che è in grado di catturare immagini 5D visibili al vicino infrarosso a una velocità di 17 fotogrammi al secondo, notevolmente più veloce di altri sistemi simili.

Per dimostrare l'utilità del prototipo per analizzare oggetti culturalmente significativi, i ricercatori lo hanno utilizzato per documentare digitalmente un globo storico in rilievo del 1885. Hanno anche creato modelli 5D nel vicino infrarosso della mano di una persona e hanno dimostrato che il sistema potrebbe essere utilizzato come un modo semplice per rilevare le vene. L'imager può essere utilizzato anche per applicazioni agricole, che i ricercatori hanno mostrato usandolo per catturare il cambiamento 5D nello spettro di riflessione delle foglie delle piante di agrumi mentre assorbivano l'acqua.

I ricercatori intendono ottimizzare il loro prototipo utilizzando telecamere iperspettrali con un rapporto segnale/rumore più elevato o che mostrano meno diafonia tra i diversi canali spettrali. Idealmente, il sistema sarebbe adattato ad applicazioni specifiche. Per esempio, telecamere con elevate velocità di imaging potrebbero essere utilizzate per analizzare le proprietà degli oggetti che cambiano dinamicamente, mentre l'utilizzo di sensori ad alta risoluzione nella lunghezza d'onda dell'infrarosso potrebbe essere utile per rilevare fughe chimiche.