Capture and visualization of biological 3D samples through lightfield imaging and display techniques

Abstract

La microscopía óptica convencional proporciona imágenes de alta resolución de muestras microscópicas. Sin embargo, su escasa profundidad de campo y su falta de seccionado óptico hacen que sea inadecuada para la observación de especímenes tridimensionales. Para solucionar este problema, se han propuesto varias técnicas de microscopía 3D, la mayoría de ellas basadas en procedimientos de escaneo. La microscopía lightfield, en cambio, es una técnica de reciente desarrollo, que es capaz de capturar información 3D de muestras gruesas en una sola toma. Esto se consigue registrando de forma simultánea la información espacial y angular de los rayos procedentes de cada punto del objeto. Esta característica hace que los sistemas lightfield sean aptos para la observación de muestras biológicas vivas, que son generalmente gruesas y dinámicas. La microscopía lightfield es una aplicación de la fotografía integral, una técnica inventada en la primera década del siglo XX, que estaba basada en capturar múltiples perspectivas de una escena 3D y proyectarlas para obtener una reconstrucción 3D de la misma. Gracias a los extraordinarios avances en las tecnologías optoelectrónicas, la fotografía integral ha despertado un interés creciente en los últimos veinte años. Una prueba de ello es el hecho que se han fundado varias empresas que comercializan cámaras fotográficas basadas en el concepto de fotografía integral. Respecto a la microscopía lightfield, diferentes grupos de investigación de óptica e informática trabajan en investigar mejoras en el sistema óptico y en los algoritmos para la extracción de la imagen 3D a partir del mapa espacio-angular capturado. Sin embargo, a menudo el uso de la microscopía lightfield está limitado al ámbito académico. En esta tesis, se analiza el estado del arte de la microscopía lightfield, para evaluar sus prestaciones y limitaciones intrínsecas. Basándose en este análisis, se presentan un dispositivo capaz de convertir cualquier microscopio óptico convencional en un microscopio lightfield y los algoritmos para la reconstrucción 3D de las muestras. Además, se demuestra la aplicación del concepto de fotografía integral a la visualización 3D de las muestras con un monitor lightfield. El objetivo del trabajo presentado en esta tesis ha sido el de extender el uso de la microscopía lightfield entre los usuarios de microscopio, implementando un dispositivo compacto y desarrollando los algoritmos óptimos en términos de prestaciones, flexibilidad y robustez.