كاميرا مجال ضوئي محمولة تلتقط البيانات ثلاثية الأبعاد متعددة الأطياف

تخيل عالماً حيث يمكن للقطة واحدة أن تكشف عن البنية ثلاثية الأبعاد وتركيبة الألوان للكائن. لقد جعل فريق من الباحثين من معهد كارلسروه للتكنولوجيا في ألمانيا هذا الأمر حقيقة من خلال تطوير كاميرا ثورية للمجال الضوئي يمكنها التقاط المعلومات المكانية والطيفية ثلاثية الأبعاد في وقت واحد.

قام الفريق بقيادة قائد فريق البحث أولي ليمر، بإنشاء كاميرا مجال ضوئي تستخدم الطباعة النافثة للحبر لتصنيع مكوناتها البصرية الرئيسية وتلتقط البيانات ثلاثية الأبعاد متعددة الأطياف. يمكّن هذا النهج المبتكر الكاميرا من تمييز الأشياء في المشهد بناءً على خصائصها الطيفية، مما يفتح إمكانيات جديدة لتطبيقات مثل اكتشاف الأشياء وتصنيف المواد وحتى التشخيص الطبي.

يجمع نظام الاستشعار المتقدم في الكاميرا بين قوة تقنية مجال الضوء وأساليب الذكاء الاصطناعي (AI) لإعادة بناء العمق والخصائص الطيفية للمشهد. ويسمح هذا التكامل بالتقاط معلومات ثلاثية الأبعاد وبيانات طيفية في لقطة واحدة، وهو إنجاز لم يكن من الممكن تصوره من قبل.

الكشف عن قوة كاميرات المجال الضوئي

كانت كاميرات المجال الضوئي (Light field cameras) موجودة منذ فترة، ولكن إمكاناتها لم تتحقق بالكامل إلا مؤخرًا. تلتقط أجهزة التصوير المتخصصة هذه اتجاه وشدة أشعة الضوء، مما يسمح بإعادة بناء معلومات الصورة ثلاثية الأبعاد من البيانات المكتسبة. ولكن ما الذي يجعل كاميرات المجال الضوئي قوية جدًا؟

تخيل أنك قادر على التقاط مجال الضوء بأكمله لمشهد ما في لقطة واحدة. وهذا يعني ليس فقط تسجيل شدة الضوء ولكن أيضًا اتجاهه، مما يسمح بإعادة بناء المعلومات ثلاثية الأبعاد. إنه مثل التقاط فيلم ثلاثي الأبعاد في إطار واحد.

ولهذه التكنولوجيا آثار بعيدة المدى، بدءًا من الواقع الافتراضي والمعزز وحتى الروبوتات والأجهزة المنزلية الذكية.
في الكاميرا التقليدية، يلتقط المستشعر شدة الضوء فقط، بينما تلتقط كاميرا المجال الضوئي اتجاه الضوء أيضًا. تتيح هذه المعلومات الإضافية إعادة بناء معلومات الصورة ثلاثية الأبعاد، مما يمنحنا فهمًا أكثر اكتمالاً للمشهد. إنه مثل وجود مخطط ثلاثي الأبعاد للمشهد، مما يسمح لنا بتحليله وفهمه بطريقة أكثر تفصيلاً.

لقد كان تطوير كاميرات المجال الضوئي عملية تدريجية، حيث ساهم العديد من الباحثين في هذا المجال. ومع ذلك، فإن إنشاء كاميرا مجال ضوئي متعددة الأطياف يمكنها التقاط المعلومات المكانية والطيفية ثلاثية الأبعاد في وقت واحد لم يتم إنجازه إلا مؤخرًا. وقد فتح هذا الاكتشاف إمكانيات جديدة للتطبيقات في مختلف المجالات، من علم المواد إلى الطب.

فك رموز العلم وراء التصوير متعدد الأطياف

يتضمن التصوير متعدد الأطياف التقاط الخصائص الانعكاسية لجسم ما عبر أطوال موجية مختلفة من الضوء. فكر في الأمر مثل التقاط صورة شخصية مع مجموعة من المرشحات، حيث يكشف كل مرشح جانبًا فريدًا من وجهك. في هذه الحالة، يمثل كل مرشح طولًا موجيًا محددًا للضوء. ومن خلال الجمع بين هذه المرشحات، يمكننا إنشاء صورة متعددة الأطياف تكشف التفاصيل المعقدة لتكوين الجسم.

في التصوير التقليدي، يقتصر عملنا على التقاط الضوء المرئي فقط. ولكن مع التصوير متعدد الأطياف، يمكننا المغامرة خارج الطيف المرئي، واستكشاف مجالات الأشعة تحت الحمراء، والأشعة فوق البنفسجية، وحتى الأشعة السينية. وهذا يسمح لنا بالتمييز بين الكائنات بناءً على بصمتها الطيفية، تمامًا مثل معرفة أغنية معينة من خلال لحنها الفريد.

تحقق الكاميرا الجديدة ذلك باستخدام أسلوب مبتكر يسمى تصوير المجال الضوئي. تخيل ألف كاميرا صغيرة تلتقط نفس المشهد من زوايا مختلفة، كل واحدة منها تكشف جانبًا فريدًا من مجال الضوء. من خلال الجمع بين هذه الصور، يمكننا إنشاء تمثيل ثلاثي الأبعاد للمشهد، مكتملًا بالمعلومات الطيفية.

ولكن كيف يأتي كل ذلك معًا؟ استخدم الباحثون الطباعة النافثة للحبر لإنشاء عدسات ميكروية مصممة خصيصًا، والتي تم ترتيبها بنمط محدد لالتقاط مجال الضوء. يتيح ذلك للكاميرا التقاط المعلومات ثلاثية الأبعاد والطيفية في لقطة واحدة في وقت واحد. الصورة الناتجة هي كنز من المعلومات، في انتظار أن يتم فك شفرتها بواسطة الخوارزميات المتقدمة. يمكن لهذه الخوارزميات، المدعومة بالتعلم العميق، تفكيك المكونات المختلفة للصورة، وفصل المعلومات الطيفية والعميقة مثل حل الألغاز الرئيسي.

ثورة الطباعة النافثة للحبر

باستخدام الطباعة النافثة للحبر، تمكن الفريق من ترسيب قطرة واحدة من المادة لتشكيل كل عدسة فردية على جانب واحد من شرائح المجهر فائقة الدقة ثم طبعوا مصفوفات مرشحات الألوان المحاذية بالكامل على الجانب الآخر من شرائح المجهر، والتي تم دمجها بعد ذلك مباشرة على شريحة كاميرا (CMOS). سمحت هذه الطريقة بالمحاذاة الدقيقة بين المكونات البصرية، مما أدى إلى تقليل تعقيد التصنيع بشكل كبير وتعزيز الكفاءة.

تتيح عملية الطباعة النافثة للحبر أيضًا إنتاج مكونات الكاميرا على نطاق واسع، مما يجعلها حلاً جذابًا للتصنيع الضخم. تتمتع طريقة الإنتاج القابلة للتطوير هذه بالقدرة على جعل تكنولوجيا التصوير المتقدمة أكثر سهولة وبأسعار معقولة لمختلف الصناعات والتطبيقات.

إن الآثار المترتبة على عملية التصنيع المبتكرة هذه بعيدة المدى. ومع القدرة على إنتاج كاميرات مخصصة حسب الطلب، تصبح إمكانيات التطبيقات الفريدة والحلول المخصصة لا حصر لها. على سبيل المثال، يمكن تصميم الكاميرات خصيصًا للاستخدام في المركبات ذاتية القيادة، أو التشخيص الطبي، أو المراقبة البيئية.

• التحليل الطيفي: كيف يمكن تحديد مكونات النجوم البعيدة؟
• ما هي الطباعة الحيوية؟
• الطباعة ثلاثية الأبعاد، نماءٌ وازدهار أم خراب ودمار؟
• إصلاح غضروف الركبة باستخدام الطباعة ثلاثية الأبعاد!
• احذر أنت مراقب – كيف يمكن الكشف عن وجود كاميرات تجسس؟

التطبيقات في الواقع الافتراضي والروبوتات وما بعدها

من خلال التقاط المعلومات المكانية والطيفية ثلاثية الأبعاد في لقطة واحدة، تتمتع هذه الكاميرا المبتكرة بالقدرة على إحداث ثورة في مختلف الصناعات. على سبيل المثال، في الواقع الافتراضي والمعزز، يمكن إنشاء تجارب غامرة أكثر واقعية وجاذبية. في مجال الروبوتات، يمكن أن يعزز قدرة الروبوتات على التعرف على بيئتها والتفاعل معها، مما يؤدي إلى مهام أكثر كفاءة ودقة.

علاوة على ذلك، يمكن تطبيق القدرات الطيفية المتقدمة للكاميرا على الرعاية الصحية، مما يتيح التصنيف الدقيق للأنسجة السليمة والمريضة، ويؤدي في النهاية إلى تشخيص وعلاج أفضل. وفي إعادة التدوير، يمكن تحسين دقة تصنيف المواد وفصلها، مما يساهم في عملية إعادة تدوير أكثر كفاءة واستدامة.

التطبيقات المحتملة واسعة، ومع استمرار الباحثين في استكشاف وتوسيع قدرات هذه الكاميرا، يمكننا أن نتوقع رؤية تطورات كبيرة في مختلف المجالات. وبفضل قدرتها على التقاط أسرار الضوء، فإن هذه الكاميرا مهيأة لفتح إمكانيات جديدة وتغيير الطريقة التي نتفاعل بها مع العالم من حولنا.

المصادر:

Researchers leverage inkjet printing to make a portable multispectral 3D camera / science daily