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

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. La motivación del trabajo que se presenta en esta tesis ha sido la de aprovechar el potencial de la microscopía lightfield y extender su uso fuera del ámbito académico, entre los usuarios generales de microscopio. El objetivo es el de estandarizar el uso de la tecnología lightfield en aquellas aplicaciones en las que tanto la información 3D como la resolución temporal son imprescindibles. En estos casos, la microscopía lightfield representa una solución perfecta. 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 presenta el ocular plenóptico, un dispositivo capaz de convertir cualquier microscopio óptico convencional en un microscopio lightfield de Fourier. El ocular plenóptico desarrollado es un dispositivo comercial de propósito general, que puede demostrar la viabilidad de la técnica para la observación de muestras tridimensionales dinámicas en distintos campos. A continuación, se presenta un protocolo para la reconstrucción 3D de las muestras capturadas con el ocular plenóptico, que proporciona seccionado óptico computacional y optimiza los tiempos de computación de la imagen 3D. Finalmente, se demuestra la aplicación del concepto de fotografía integral a la visualización 3D de las muestras con un monitor lightfield. En particular, se presenta un algoritmo para la generación de imágenes para este tipo de monitores, que se puede aplicar tanto para muestras microscópicas como para escenas macroscópicas. Con el trabajo presentado en esta tesis, hemos sentado las bases para una difusión masiva de la microscopía lightfield, implementando un dispositivo compacto y desarrollando los algoritmos óptimos en términos de prestaciones, flexibilidad y robustez