Onderzoekers hebben een compact beeldvormingssysteem ontwikkeld dat de vorm en lichtreflectie-eigenschappen van objecten met hoge snelheid en nauwkeurigheid kan meten. Dit 5D-hyperspectrale beeldvormingssysteem - zo genoemd omdat het meerdere golflengten van licht plus ruimtelijke coördinaten vastlegt als een functie van de tijd - zou voordelen kunnen bieden aan een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder het optisch sorteren van producten en het identificeren van mensen in beveiligde gebieden van luchthavens. Met verdere miniaturisering, de imager kan smartphone-gebaseerde inspectie van fruitrijpheid mogelijk maken, of persoonlijke medische controle.

Bovendien, "omdat ons beeldvormingssysteem geen contact met het object vereist, het kan worden gebruikt om historisch waardevolle artefacten of kunstwerken vast te leggen, " zei onderzoeksteamleider Stefan Heist van de Friedrich Schiller University Jena en het Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering, Duitsland. Hiermee kan een gedetailleerd en nauwkeurig digitaal archief worden gemaakt, hij voegde toe, terwijl het ook mogelijk maakt de materiële samenstelling van het object te bestuderen.

Hyperspectrale imagers detecteren tientallen tot honderden kleuren, of golflengten, in plaats van de drie die door normale camera's worden gedetecteerd. Elke pixel van een traditioneel hyperspectraal beeld bevat golflengteafhankelijke stralingsintensiteit over een specifiek bereik dat is gekoppeld aan tweedimensionale coördinaten.

Het nieuwe hyperspectrale beeldvormingssysteem, ontwikkeld in samenwerking met de onderzoeksgroep van Gunther Notni van de Duitse Ilmenau University of Technology, bevordert deze beeldvormingsbenadering door aanvullende dimensie-informatie te verwerven. In het tijdschrift The Optical Society (OSA) Optica Express , onderzoekers beschrijven hoe elke pixel die is verkregen door hun nieuwe 5D hyperspectrale imager de tijd bevat; x, y en z ruimtelijke coördinaten; en informatie op basis van lichtreflectie variërend van het zichtbare tot het nabij-infrarode deel van het elektromagnetische spectrum.

"State-of-the-art systemen die zowel de vorm van de objecten als hun spectrale eigenschappen willen bepalen, zijn gebaseerd op meerdere sensoren, lage nauwkeurigheid bieden of lange meettijden vereisen, "zei Heist. "In tegenstelling, onze aanpak combineert een uitstekende ruimtelijke en spectrale resolutie, grote dieptenauwkeurigheid en hoge framesnelheden in een enkel compact systeem."

Een compact prototype maken

De onderzoekers creëerden een prototypesysteem met een voetafdruk van slechts 200 bij 425 millimeter, ongeveer zo groot als een laptop. Het maakt gebruik van twee hyperspectrale snapshotcamera's om 3D-beelden te vormen en diepte-informatie te verkrijgen, net zoals onze ogen doen door een scène vanuit twee enigszins verschillende richtingen vast te leggen. Door bepaalde punten op het oppervlak van het object te identificeren die in beide camerabeelden aanwezig zijn, een complete set gegevenspunten in de ruimte voor dat object kan worden gemaakt. Echter, deze benadering werkt alleen als het object voldoende textuur of structuur heeft om punten ondubbelzinnig te identificeren.

Om zowel spectrale informatie als de oppervlaktevorm van objecten vast te leggen die mogelijk niet sterk getextureerd of gestructureerd zijn, hebben de onderzoekers een speciaal ontwikkelde hogesnelheidsprojector in hun systeem ingebouwd. Met behulp van een mechanische projectiemethode, een reeks aperiodieke lichtpatronen worden gebruikt om het objectoppervlak kunstmatig te structureren. Dit maakt een robuuste en nauwkeurige 3D-reconstructie van het oppervlak mogelijk. De spectrale informatie verkregen door de verschillende kanalen van de hyperspectrale camera's wordt vervolgens op deze punten in kaart gebracht.

"Onze eerdere ontwikkeling van een systeem dat aperiodieke patronen projecteert door een roterend wiel, maakte het mogelijk om patroonsequenties te projecteren met potentieel zeer hoge framesnelheden en buiten het zichtbare spectrale bereik, "zei Heist. "Nieuwe hyperspectrale snapshotcamera's waren ook een belangrijk onderdeel omdat ze het mogelijk maken om ruimtelijk en spectraal opgeloste informatie vast te leggen in een enkel beeld, zonder scannen."

Hoge snelheid hyperspectrale beeldvorming

De onderzoekers karakteriseerden hun prototype door het spectrale gedrag van de camera's en de 3D-prestaties van het hele systeem te analyseren. Ze toonden aan dat het zichtbare tot nabij-infrarood 5D-beelden kon vastleggen met een snelheid van 17 frames per seconde, aanzienlijk sneller dan andere vergelijkbare systemen.

Om het nut van het prototype aan te tonen om cultureel belangrijke objecten te analyseren, de onderzoekers gebruikten het om een ​​historische reliëfbol uit 1885 digitaal te documenteren. Ze maakten ook bijna-infrarood 5D-modellen van de hand van een persoon en toonden aan dat het systeem kan worden gebruikt als een eenvoudige manier om aderen te detecteren. De imager kan ook worden gebruikt voor landbouwtoepassingen, die de onderzoekers toonden door het te gebruiken om de 5D-verandering in het reflectiespectrum van bladeren van citrusplanten vast te leggen terwijl ze water absorbeerden.

De onderzoekers zijn van plan hun prototype te optimaliseren door gebruik te maken van hyperspectrale camera's met een hogere signaal-ruisverhouding of die minder overspraak vertonen tussen de verschillende spectrale kanalen. Ideaal, het systeem zou worden afgestemd op specifieke toepassingen. Bijvoorbeeld, camera's met hoge beeldsnelheden kunnen worden gebruikt om dynamisch veranderende objecteigenschappen te analyseren, terwijl het gebruik van sensoren met een hoge resolutie in de infraroodgolflengte nuttig kan zijn voor het detecteren van chemische lekken.