One shot 3D-camera met grafeen lichtdetectoren | Grafeen (graphene)
One shot 3D-camera met grafeen lichtdetectoren

3D’s camera’s zijn geschikt voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder het filmen van 3D films, eventueel zelfs virtual reality. Daarnaast kunnen dergelijke camera’s eveneens gebruikt worden – als scanners – voor het bekomen van een verzameling aan digitale informatie over het uiterlijk van een object, in opdracht om het later te printen.

Op heden worden 3D films gemaakt door meerdere camera’s in gebruik te nemen om zo elk frame vast te leggen, of door éénzelfde camera die beelden schiet uit verschillende standpunten en dan later worden samengebracht om uit die informatie een 3D beeld te maken.

Dit nieuw type toestel, in ontwikkeling door wetenschappers van de Universiteit van Michigan, zou de mogelijkheid bieden om 3D beelden vast te leggen op zichzelf, vanuit een enkel perspectief.

Het licht dat het toestel uit de omgeving opvangt zou op een dag geprojecteerd kunnen worden als hologrammen, niettegenstaande de projectie van licht een heel andere uitdaging is als het meten en registreren ervan.

Holografie biedt daarentegen wel de mogelijkheden om zowel informatie weer te geven als op te slaan, en die projecties vereisen dan weer processen en structuren dat licht moeten buigen. Een piste waar trouwens grafeen – of beter GO (grafeen-oxide) – ook aan de slag kan als gangbaar en revolutionair materiaal voor de fabricage ervan. Maar dat is voer voor een andere discussie.

In de wereld van fotografie geven 3D-beelden gebruikers de mogelijkheid om scherpte en diepte te manipuleren na het nemen van de foto. Wanneer gekoppeld aan microscopen kunnen 3D camerabeelden cellen en weefsels optisch blootleggen en op die manier voor een geoptimaliseerde analyse zorgen bij een biopsie en andere medische culturen, en voor fundamenteel onderzoek.

3D video-opnames kunnen robots diepteperceptie geven en uiteindelijk tot een bionisch oog leiden.

“Als het licht de detector in een camera raakt kan het uit verschillende richtingen komen, waar deze ruimtelijke informatie gebruikt kan worden om 3D-beelden te reconstrueren”, zegt Zhaohui Zhong, een universitair hoofddocent in elektrotechniek en informatica.

“Normaal gesproken is die informatie verloren omdat de detector alleen de intensiteit meet,” voegde hij eraan toe. Dat is de reden waarom 3D-beelden, gemaakt met de traditionele opname methoden, opgebouwd moeten worden uit meerdere foto’s.

Reeds beschikbare one shot 3D-camera’s steunen op een micro-lens-opstelling om het licht te leiden nadat het is gefocusseerd door de primaire lens. Deze verzameling van kleinere lenzen verscheurt in wezen de foto om de directionele informatie van de lichtstralen te herstellen, en de software van de camera’s reconstrueert dan de afbeelding, samen met de diepte-informatie.

Het ontwerp – dat ontwikkeld zal worden door Zhang en collega Theodore Norris en Jeffrey Fessler, professoren elektrotechniek en informatica, rekent af met de serie van microlenzen.
In plaats daarvan zal de camera het licht opnemen wanneer het door een serie van transparante lichtdetectoren passeert.

De methode zou werken omdat objecten op verschillende afstanden van de lens op scherp komen te staan op verschillende punten in de camera, zeggen de onderzoekers. Objecten zullen het helderste verschijnen waar ze het meest gefocusseerd zijn.

Wanneer onderzoekers gebruik maken van dit principe is het veel gemakkelijker voor de computer om de beelden te reconstrueren.
De snellere verwerking maakt het dan mogelijk om hoge snelheid en hoge resolutie video te produceren.

Het concept is eenvoudig, maar de uitdaging ligt bij het maken van die transparante lichtdetectoren, zeggen de wetenschappers.

Normaliter moet een sensor zoveel mogelijk licht absorberen om een gedetailleerd beeld kunnen weer te geven. Echter, een materiaal genaamd grafeen, een enkele laag koolstofatomen, kan gevormd worden in een zeer gevoelige lichtdetector die veel van het licht doorlaat.

“Normaal gesproken wil je dat de lichtdetector zoveel mogelijk licht absorbeert voor een hoge gevoeligheid, om een duidelijker beeld te produceren,” zei Zhong. “Grafeen detectoren kunnen zeer hoge gevoeligheid bieden, zodat men de helderheid niet echt opoffert door ze transparant te maken.”

Het team overweegt een SLR-formaat van camera om mee te beginnen, maar Norris denkt dat het mogelijk moet zijn om deze 3D-camera te implementeren in een smartphone.

De Universiteit van Michigan strijkt 1.2 miljoen dollar op voor de financiering van dit project van de W.M. Keck Foundation.

Uiteindelijk moet het onderzoek het pad effenen voor 3D-camera’s die kleiner en hogere resoluties kunnen bereiken als de huidige ontwerpen op de markt.

Het toestel in ontwikkeling zou evenwel reële problemen kunnen tackelen dat zich opdringen in de wereld van de digitale printindustrie. Met name, vandaag de dag is het praktisch onmogelijk om met een uiterst minimum aan interacties (en benodigdheden) een hoogkwalitatief en dus een vol informatief 3D beeld te bekomen van gebruikers of objecten, in functie om een 3D sculptuur te kunnen vervaardigen.

Via de vruchten en resultaten van dit onderzoek kan hier op termijn verandering in komen.

Bron: Universiteit Michigan
Afbeelding: Stephen Alvey, Universiteit Michigan


3D print schaalmodel structuur grafeen