Una cámara de campo de luz , también conocida como cámara plenóptica , es una cámara que captura información sobre el campo de luz 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 registran solo la intensidad de la luz en varias longitudes de onda.
Un tipo utiliza una matriz de microlentes colocadas delante de un sensor de imagen convencional para detectar la intensidad, el color y la información direccional. Otro tipo son las matrices de múltiples cámaras. Una imagen holográfica es un tipo de imagen de campo de luz basada en película.
La primera cámara de campo de luz fue propuesta por Gabriel Lippmann en 1908. Llamó a su concepto " fotografía integral ". Los resultados experimentales de Lippmann incluyeron fotografías integrales rudimentarias realizadas utilizando una lámina de plástico estampada con una matriz regular de microlentes, o incrustando parcialmente pequeñas perlas de vidrio, empaquetadas de forma muy compacta 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 correspondencia estereoscópica. [1] Para lograrlo, se coloca una serie de microlentes en el plano focal de la lente principal de la cámara. El sensor de imagen se coloca 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 Informáticos 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 está confinada al tamaño de la pupila de entrada de la lente principal, que es pequeña 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 se pueden predecir 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 intercambia la resolución angular por una resolución espacial más alta . Con este diseño, las imágenes se pueden reenfocar con una resolución espacial mucho más alta 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 de contorno que se observan en las matrices de microlentes y permite una mayor resolución espacial. Sin embargo, el diseño basado en máscaras reduce la cantidad de luz que llega al sensor de imagen, lo que reduce el brillo.
Las características incluyen:
En 2022, el NIST anunció un dispositivo con un rango focal de 3 cm (1,2 pulgadas) a 1,7 km (1,1 millas). El dispositivo empleó una matriz de metalentes de dióxido de titanio de 39x39 elementos. Cada metalente está polarizada en círculo derecho o izquierdo para crear una distancia focal diferente. Cada metalente tenía forma rectangular. La luz se dirige por separado a través de los lados más cortos y más largos del rectángulo, lo que produce dos puntos focales en la imagen. Las diferencias entre las metalentes se corrigieron algorítmicamente. [14] [15]
Lytro fue fundada por el ex alumno del Laboratorio de Gráficos Informáticos de la Universidad de Stanford Ren Ng para comercializar la cámara de campo de luz que desarrolló como estudiante de posgrado. [16] El sensor de campo de luz de Lytro utiliza una serie de microlentes colocadas frente a un sensor de imagen convencional; para detectar la intensidad, el color y la información direccional. [17] Luego, el software utiliza estos datos para crear imágenes 2D o 3D que se puedan mostrar. [18] Lytro intercambia 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 2D máxima de Illum es de 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 cesó sus operaciones en marzo de 2018. [21]
Raytrix ofrece desde 2010 varios modelos de cámaras plenópticas para aplicaciones industriales y científicas, con campos 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 requerida ]
El Laboratorio de Gráficos Informáticos de la Universidad de Stanford desarrolló un prototipo de microscopio de campo de luz que utiliza una matriz de microlentes similar a la que se utiliza en su cámara de campo de luz. El prototipo está construido alrededor de un microscopio de luz transmitida Nikon Eclipse / microscopio de fluorescencia de campo amplio 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 la trayectoria de la luz entre la lente del objetivo y la cámara, y la imagen multifocal final se renderiza mediante deconvolución . [24] [25] [26]
Un prototipo posterior agregó un sistema de iluminación de campo de luz que consta de un proyector de video (que permite el control computacional de la iluminación) y una segunda matriz de microlentes en la trayectoria de la luz de iluminación del microscopio. La adición de un sistema de iluminación de campo de luz permitió tipos adicionales de iluminación (como iluminación oblicua y campo cuasi oscuro ) y corrección de aberraciones ópticas . [25]
La cámara de campo de luz Adobe es un prototipo de cámara de 100 megapíxeles que toma una fotografía tridimensional de la escena enfocada utilizando 19 lentes de configuración única. Cada lente toma una fotografía de 5,2 megapíxeles de la escena. Cada imagen se puede enfocar posteriormente de cualquier manera. [27]
CAFADIS es una cámara plenóptica desarrollada por la Universidad de La Laguna (España). [28] CAFADIS son las siglas de phase-distance camera, ya que puede utilizarse para la estimación de distancias y frentes de onda ópticos . A partir de un único disparo puede producir imágenes enfocadas a diferentes distancias, mapas de profundidad, imágenes totalmente enfocadas y pares estéreo. Un diseño óptico similar puede utilizarse en óptica adaptativa en astrofísica .
La cámara de campo de luz 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 de luz utilizando esta tecnología simplemente insertando una película de bajo costo sobre el sensor. [29] Un diseño basado en máscara evita el problema de la pérdida de resolución, ya que se puede generar una foto de alta resolución para las partes enfocadas de la escena.
Pelican Imaging tiene sistemas de matriz multicámara delgados destinados a la electrónica de consumo. Los sistemas de Pelican utilizan de 4 a 16 microcámaras espaciadas estrechamente en lugar de un sensor de imagen de matriz de microlentes. [30] Nokia invirtió en Pelican Imaging para producir un sistema de cámara plenóptica con una matriz de 16 lentes que se esperaba que se implementara en los teléfonos inteligentes Nokia en 2014. [31] Pelican pasó a diseñar cámaras complementarias que agregan capacidades de detección de profundidad a la cámara principal de un dispositivo, 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 de objetos reales. [4] [5]
En noviembre de 2021, la empresa alemana K|Lens [33] anunció en Kickstarter la primera lente de campo de luz disponible para cualquier montura de lente estándar . El proyecto se canceló en enero de 2022.
La modificación de las cámaras digitales estándar requiere poco más que láminas adecuadas de material de microlentes, por lo que varios aficionados han producido cámaras cuyas imágenes se pueden procesar para brindar información selectiva sobre la profundidad de campo o la dirección. [34]
En un estudio de 2017, los investigadores observaron que la incorporación de imágenes fotografiadas en campos de luz en un módulo de anatomía en línea no produjo 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 donde 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 utilizarse 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 publicado varias herramientas de código abierto. Se puede encontrar una herramienta de Matlab para el procesamiento de cámaras tipo Lytro. [38] PlenoptiCam es una aplicación basada en GUI que considera las cámaras plenópticas de Lytro y las personalizadas con compatibilidad multiplataforma y cuyo código fuente está disponible en línea. [39]
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