Una cámara de campo luminoso , también conocida como cámara plenóptica , es una cámara que capta información sobre el campo luminoso que emana de una escena; es decir, la intensidad de la luz en una escena, y también la dirección precisa en la que viajan los rayos de luz en el espacio. Esto contrasta con las cámaras convencionales, que sólo registran la intensidad de la luz en varias longitudes de onda.
Un tipo utiliza una serie de microlentes colocadas frente a un sensor de imagen convencional para detectar la intensidad, el color y la información direccional. Los arreglos multicámara son otro tipo. Los hologramas son un tipo de imagen de campo luminoso basada en película.
La primera cámara de campo luminoso fue propuesta por Gabriel Lippmann en 1908. Llamó a su concepto " fotografía integral ". Los resultados experimentales de Lippmann incluyeron fotografías integrales toscas hechas usando una lámina de plástico en relieve con una serie regular de microlentes, o incrustando parcialmente pequeñas cuentas de vidrio, muy juntas en un patrón aleatorio, en la superficie de la emulsión fotográfica .
En 1992, Adelson y Wang propusieron un diseño que reducía el problema de correspondencia en la coincidencia estéreo. [1] Para lograr esto, se coloca una serie de microlentes en el plano focal de la lente principal de la cámara. El sensor de imagen está situado ligeramente detrás de las microlentes. Con estas imágenes, se puede analizar el desplazamiento de las partes de la imagen que no están enfocadas y se puede extraer información de profundidad.
La "cámara plenóptica estándar" es un modelo matemático utilizado por los investigadores para comparar diseños. Por definición, tiene microlentes colocadas a una distancia focal del plano de imagen de un sensor. [2] [3] [4] En 2004, un equipo del Laboratorio de Gráficos por Computadora de la Universidad de Stanford utilizó una cámara de 16 megapíxeles para demostrar que las fotografías se pueden reenfocar después de tomarlas. El sistema utilizó una matriz de 90.000 microlentes, lo que produjo una resolución de 90 kilopíxeles. [2] Las investigaciones han demostrado que su línea de base máxima se limita al tamaño de la pupila de entrada de la lente principal, que es pequeño en relación con las configuraciones estereoscópicas. [1] [5] Esto implica que la "cámara plenóptica estándar" puede estar destinada a aplicaciones de corto alcance, ya que exhibe una mayor resolución de profundidad a distancias que pueden predecirse métricamente en función de los parámetros de la cámara. [6]
Lumsdaine y Georgiev describieron un diseño en el que el conjunto de microlentes se puede colocar antes o detrás del plano focal de la lente principal. Esta modificación muestrea el campo de luz de una manera que cambia la resolución angular por una resolución espacial más alta . Con este diseño, las imágenes se pueden reenfocar con una resolución espacial mucho mayor que las imágenes de una cámara plenóptica estándar. Sin embargo, la resolución angular más baja puede introducir artefactos de aliasing .
En 2007 se propuso un diseño que utilizaba una máscara de película impresa de bajo costo en lugar de una matriz de microlentes. [7] Este diseño reduce las aberraciones cromáticas y la pérdida de píxeles límite que se observan en las matrices de microlentes y permite una mayor resolución espacial. Sin embargo, el diseño basado en máscara reduce la cantidad de luz que llega al sensor de imagen, reduciendo el brillo.
Las características incluyen:
En 2022, NIST anunció un dispositivo con un rango focal de 3 cm (1,2 pulgadas) a 1,7 km (1,1 millas). El dispositivo empleaba una matriz metálica de dióxido de titanio de 39x39 elementos . Cada lente metálica está polarizada en círculo derecho o izquierdo para crear una distancia focal diferente. Cada metalens tenía forma rectangular. La luz se dirige por separado a través de los lados más cortos y más largos del rectángulo, generando dos puntos focales en la imagen. Las diferencias entre los metalenses se corrigieron algorítmicamente. [14] [15]
Lytro fue fundada por Ren Ng, ex alumno del Laboratorio de Gráficos por Computadora de la Universidad de Stanford , para comercializar la cámara de campo de luz que desarrolló cuando era estudiante de posgrado. [16] El sensor de campo de luz de Lytro utiliza una serie de microlentes colocadas delante de un sensor de imagen que de otro modo sería convencional; para sentir la intensidad, el color y la información direccional. [17] El software luego utiliza estos datos para crear imágenes visualizables en 2D o 3D. [18] Lytro cambia la resolución 2D máxima, a una distancia determinada, por una resolución mejorada a otras distancias. Los usuarios pueden convertir la imagen patentada de la cámara Lytro en un archivo de imagen 2D normal, a cualquier distancia focal deseada. La resolución máxima de Illum 2D es 2450 × 1634 (4,0 megapíxeles). La resolución del campo de luz 3D es de 40 "megarays". [19] Tiene una resolución 2D máxima de 1080 × 1080 píxeles (aproximadamente 1,2 megapíxeles ), [20] Lytro dejó de operar en marzo de 2018. [21]
Raytrix ofrece desde 2010 varios modelos de cámaras plenoópticas para aplicaciones industriales y científicas, con un campo de visión a partir de 1 megapíxel. [22] [23]
d'Optron y Rebellion Photonics ofrecen cámaras plenópticas, especializadas en microscopía y detección de fugas de gas, respectivamente. [ cita necesaria ]
El Laboratorio de Gráficos por Computadora de la Universidad de Stanford desarrolló un prototipo de microscopio de campo luminoso utilizando un conjunto de microlentes similar al utilizado en su cámara de campo luminoso. El prototipo está construido alrededor de un microscopio de luz transmitida / microscopio de fluorescencia de campo amplio Nikon Eclipse y cámaras CCD estándar . La captura del campo de luz se obtiene mediante un módulo que contiene una matriz de microlentes y otros componentes ópticos colocados en el camino de la luz entre la lente del objetivo y la cámara, y la imagen final multienfocada se genera mediante deconvolución . [24] [25] [26]
Un prototipo posterior añadió un sistema de iluminación de campo de luz que constaba de un proyector de vídeo (que permite el control computacional de la iluminación) y un segundo conjunto de microlentes en la trayectoria de la luz de iluminación del microscopio. La adición de un sistema de iluminación de campo luminoso permitió tipos adicionales de iluminación (como iluminación oblicua y campo cuasi oscuro ) y corrección de aberraciones ópticas . [25]
La cámara de campo de luz de Adobe es un prototipo de cámara de 100 megapíxeles que toma una fotografía tridimensional de la escena enfocada utilizando 19 lentes configuradas de forma única. Cada lente toma una fotografía de 5,2 megapíxeles de la escena. Cada imagen se puede enfocar posteriormente de cualquier forma. [27]
CAFADIS es una cámara plenóptica desarrollada por la Universidad de La Laguna (España). [28] CAFADIS significa cámara de distancia de fase, ya que puede usarse para estimación de distancias y frente de onda óptica . A partir de un solo disparo puede producir imágenes enfocadas a diferentes distancias, mapas de profundidad, imágenes totalmente enfocadas y pares estéreo. Se puede utilizar un diseño óptico similar en óptica adaptativa en astrofísica .
La cámara de campo luminoso de Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL) [7] se basa en el principio de heterodinación óptica y utiliza una película impresa (máscara) colocada cerca del sensor. Cualquier cámara portátil se puede convertir en una cámara de campo luminoso utilizando esta tecnología simplemente insertando una película de bajo costo encima del sensor. [29] Un diseño basado en máscaras evita el problema de la pérdida de resolución, ya que se puede generar una fotografía de alta resolución para las partes enfocadas de la escena.
Pelican Imaging tiene sistemas delgados de matriz multicámara destinados a la electrónica de consumo. Los sistemas de Pelican utilizan de 4 a 16 microcámaras estrechamente espaciadas en lugar de un sensor de imagen de conjunto de microlentes. [30] Nokia invirtió en Pelican Imaging para producir un sistema de cámara plenóptica con un conjunto de 16 lentes que se esperaba que se implementara en los teléfonos inteligentes Nokia en 2014. [31] Pelican pasó a diseñar cámaras suplementarias que agregan capacidades de detección de profundidad a la pantalla principal de un dispositivo. cámara, en lugar de cámaras de matriz independientes. [32]
Una colaboración entre la Universidad de Bedfordshire y ARRI dio como resultado una cámara plenóptica hecha a medida con un modelo de rayos para la validación de geometrías de campos de luz y distancias reales de objetos. [4] [5]
En noviembre de 2021, la empresa alemana K|Lens [33] anunció en Kickstarter la primera lente de campo luminoso disponible para cualquier montura de lente estándar . El proyecto fue cancelado en enero de 2022.
La modificación de las cámaras digitales estándar requiere poco más que láminas adecuadas de material de microlente, por lo que varios aficionados han producido cámaras cuyas imágenes pueden procesarse para proporcionar información selectiva de profundidad de campo o de dirección. [34]
En un estudio de 2017, los investigadores observaron que la incorporación de imágenes fotografiadas con campos de luz en un módulo de anatomía en línea no daba como resultado mejores resultados de aprendizaje en comparación con un módulo idéntico con fotografías tradicionales de cadáveres disecados. [35]
Las cámaras plenópticas son buenas para obtener imágenes de objetos que se mueven rápidamente y que superan las capacidades de enfoque automático, y para obtener imágenes de objetos en los que el enfoque automático no es práctico, como en el caso de las cámaras de seguridad. [36] Una grabación de una cámara de seguridad basada en tecnología plenóptica podría usarse para producir un modelo 3D preciso de un sujeto. [37]
Lytro Desktop es una aplicación multiplataforma para renderizar fotografías de campos de luz tomadas con cámaras Lytro. Sigue siendo de código cerrado y no se mantiene desde la adquisición de Lytro por parte de Google. [21] Mientras tanto, se han lanzado varias herramientas de código abierto. Se puede encontrar una herramienta Matlab para el procesamiento de cámaras tipo Lytro. [38] PlenoptiCam es una aplicación basada en GUI que considera las cámaras plenópticas personalizadas y de Lytro con compatibilidad multiplataforma y el código fuente disponible en línea. [39]
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