Forskare har utvecklat ett kompakt bildsystem som kan mäta form och ljusreflektionsegenskaper hos föremål med hög hastighet och noggrannhet. Detta 5D hyperspektrala bildsystem – så kallat för att det fångar flera våglängder av ljus plus rumsliga koordinater som en funktion av tiden – skulle kunna gynna en mängd olika applikationer inklusive optiskt baserad sortering av produkter och identifiering av människor i säkra områden på flygplatser. Med ytterligare miniatyrisering, imagern kan möjliggöra smartphone-baserad inspektion av fruktmognad, eller personlig medicinsk övervakning.

Vad mer, "eftersom vårt bildsystem inte kräver kontakt med objektet, den kan användas för att spela in historiskt värdefulla artefakter eller konstverk, " sa forskargruppsledare Stefan Heist vid Friedrich Schiller University Jena och Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering, Tyskland. Detta kan användas för att skapa ett detaljerat och korrekt digitalt arkiv, han lade till, samtidigt som det tillåter studier av föremålets materialsammansättning.

Hyperspektrala bildapparater upptäcker dussintals till hundratals färger, eller våglängder, istället för de tre som upptäcks av vanliga kameror. Varje pixel i en traditionell hyperspektral bild innehåller våglängdsberoende strålningsintensitet över ett specifikt område kopplat till tvådimensionella koordinater.

Det nya hyperspektrala bildsystemet, utvecklad i samarbete med Gunther Notnis forskargrupp från Tysklands Ilmenau tekniska universitet, främjar denna avbildningsmetod genom att skaffa ytterligare dimensionsinformation. I tidskriften The Optical Society (OSA). Optik Express , forskare beskriver hur varje pixel som förvärvas av deras nya 5D hyperspektrala bildapparat innehåller tiden; x, y och z rumsliga koordinater; och information baserad på ljusreflektans som sträcker sig från den synliga till den nära-infraröda delen av det elektromagnetiska spektrumet.

"State-of-the-art system som syftar till att bestämma både formen på objekten och deras spektrala egenskaper är baserade på flera sensorer, erbjuder låg noggrannhet eller kräver långa mättider, sade Heist. Däremot, vårt tillvägagångssätt kombinerar utmärkt rumslig och spektral upplösning, stor djupnoggrannhet och höga bildhastigheter i ett enda kompakt system."

Skapa en kompakt prototyp

Forskarna skapade ett prototypsystem med ett fotavtryck på bara 200 gånger 425 millimeter - ungefär lika stor som en bärbar dator. Den använder två hyperspektrala ögonblicksbilder för att skapa 3D-bilder och få djupinformation ungefär som våra ögon gör genom att fånga en scen från två lite olika riktningar. Genom att identifiera särskilda punkter på objektets yta som finns i båda kameravyerna, en komplett uppsättning datapunkter i rymden för det objektet kan skapas. Dock, detta tillvägagångssätt fungerar bara om objektet har tillräckligt med struktur eller struktur för att entydigt identifiera punkter.

För att fånga både spektral information och ytformen på objekt som kanske inte är särskilt strukturerade eller strukturerade inkorporerade forskarna en speciellt utvecklad höghastighetsprojektor i sitt system. Med hjälp av en mekanisk projektionsmetod, en serie aperiodiska ljusmönster används för att artificiellt strukturera objektytan. Detta möjliggör robust och exakt 3D-rekonstruktion av ytan. Den spektrala informationen som erhålls av de olika kanalerna i de hyperspektrala kamerorna mappas sedan på dessa punkter.

"Vår tidigare utveckling av ett system som projicerar aperiodiska mönster med ett roterande hjul gjorde det möjligt att projicera mönstersekvenser med potentiellt mycket höga bildhastigheter och utanför det synliga spektralområdet, ", sa Heist. "Nya hyperspektrala ögonblicksbildskameror var också en viktig komponent eftersom de tillåter rumslig och spektralt upplöst information att fångas i en enda bild, utan någon skanning."

Höghastighets hyperspektral avbildning

Forskarna karakteriserade sin prototyp genom att analysera kamerornas spektrala beteende och 3D-prestandan hos hela systemet. De visade att den kunde fånga synliga till nära-infraröda 5D-bilder så snabbt som 17 bilder per sekund, betydligt snabbare än andra liknande system.

För att demonstrera användbarheten av prototypen för att analysera kulturellt betydelsefulla föremål, forskarna använde den för att digitalt dokumentera en historisk reliefglob från 1885. De skapade också nära-infraröda 5D-modeller av en persons hand och visade att systemet kunde användas som ett enkelt sätt att upptäcka vener. Imagern kan också användas för jordbruksapplikationer, som forskarna visade genom att använda den för att fånga 5D-förändringen i reflektionsspektrum för citrusväxtblad när de absorberade vatten.

Forskarna planerar att optimera sin prototyp genom att använda hyperspektrala kameror med ett högre signal-brusförhållande eller som uppvisar mindre överhörning mellan de olika spektrala kanalerna. Helst systemet skulle skräddarsys för specifika tillämpningar. Till exempel, kameror med höga bildhastigheter kan användas för att analysera dynamiskt förändrade objektegenskaper, medan användning av sensorer med hög upplösning i den infraröda våglängden kan vara användbart för att upptäcka kemikalieläckor.