Un appareil photo de champ de lumière , également connue sous le nom de caméra plénoptique , capture des informations sur le champ lumineux émanant d’une scène; c’est-à-dire l’intensité de la lumière dans une scène, ainsi que la direction dans laquelle les rayons lumineux se déplacent dans l’espace. Cela contraste avec un appareil photo conventionnel, qui enregistre uniquement l’intensité lumineuse.

Un type d’appareil photo de champ de lumière ou Light Field camera utilise un ensemble de micro-lentilles placées devant un capteur d’image autrement conventionnel pour détecter l’intensité, la couleur et les informations directionnelles. Les réseaux multi-caméras sont un autre type de caméra à champ lumineux. Les hologrammes sont un type d’image de champ lumineux à base de film.

La technologie

Premières recherches

Le premier appareil photo à champ lumineux a été proposé par Gabriel Lippmann en 1908. Il a appelé son concept « photographie intégrale ». Les résultats expérimentaux de Lippmann comprenaient des photographies intégrales brutes faites en utilisant une feuille de plastique gaufrée avec un réseau régulier de microlentilles, ou en incorporant partiellement de très petites perles de verre, étroitement emballées dans un motif aléatoire, dans la surface de l’émulsion photographique.

En 1992, Adelson et Wang ont proposé la conception d’une caméra plénoptique qui peut être utilisée pour réduire considérablement le problème de correspondance dans l’appariement stéréo. Pour ce faire, un réseau de microlentilles est placé dans le plan focal de l’objectif principal de la caméra. Le capteur d’image est positionné légèrement derrière les microlentilles. En utilisant de telles images, le déplacement des parties d’image qui ne sont pas au point peut être analysé et des informations de profondeur peuvent être extraites.

Caméra plénoptique standard

La « caméra plénoptique standard » est un modèle mathématique standardisé utilisé par les chercheurs pour comparer différents types de caméras plénoptiques (ou à champ lumineux). Par définition, la « caméra plénoptique standard » a des microlentilles placées à une distance focale du plan image d’un capteur. La recherche a montré que sa ligne de base maximale est limitée à la taille de la pupille d’entrée de la lentille principale, ce qui s’avère petit par rapport aux configurations stéréoscopiques. Cela implique que la « caméra plénoptique standard » peut être destinée à des applications à courte portée car elle présente une résolution en profondeur accrue à des distances très rapprochées qui peuvent être métriquement prédites en fonction des paramètres de la caméra.

En 2004, une équipe du Stanford University Computer Graphics Laboratory a utilisé un appareil photo de 16 mégapixels avec un réseau de 90 000 microlentilles (ce qui signifie que chaque microlentille couvre environ 175 pixels et la résolution finale est de 90 kilopixels) pour démontrer que les images peuvent être recentrées après sont pris.

Caméra plénoptique focalisée

Lumsdaine et Georgiev ont décrit la conception d’un type de caméra plénoptique dans laquelle le réseau de microlentilles peut être positionné avant ou derrière le plan focal de l’objectif principal. Cette modification échantillonne le champ lumineux d’une manière qui échange la résolution angulaire pour une résolution spatiale plus élevée. Avec cette conception, les images peuvent être post-focalisées avec une résolution spatiale beaucoup plus élevée qu’avec les images de la caméra plénoptique standard. Cependant, la résolution angulaire inférieure peut introduire des artefacts d’aliasing indésirables.

Caméra à ouverture codée

Un type de caméra plénoptique utilisant un masque de film imprimé à faible coût au lieu d’un réseau de microlentilles a été proposé par les chercheurs du MERL en 2007. Cette conception surmonte plusieurs limitations des réseaux de microlentilles en termes d’aberrations chromatiques et de perte de pixels limites, et permet photos à résolution spatiale à capturer. Cependant, la conception basée sur un masque réduit la quantité de lumière qui atteint le capteur d’image par rapport aux caméras basées sur des réseaux de microlentilles.

Stéréo avec caméras plénoptiques

Les caméras Plénoptiques sont bonnes pour l’imagerie d’objets en mouvement rapide où la mise au point automatique peut ne pas fonctionner correctement, et pour l’imagerie d’objets où la mise au point automatique n’est pas abordable ou utilisable comme avec les caméras de sécurité. Un enregistrement à partir d’une caméra de sécurité basée sur la technologie plénoptique pourrait être utilisé pour produire un modèle 3D précis d’un sujet.

Fabricants de caméras à champ clair

Caméras disponibles à l’achat

Lytro a été fondé par l’ancien diplômé du laboratoire de graphisme de l’Université de Stanford, Ren Ng, pour commercialiser la caméra à champ lumineux qu’il a développée en tant qu’étudiant diplômé. Lytro a développé des appareils photo numériques grand public capables de capturer des images à l’aide d’une technique plénoptique.Après la cessation des activités de Lytro en mars 2018, peu d’options existent pour acheter des appareils photo à champ clair.

Raytrix a vendu plusieurs modèles de caméras plénoptiques pour des applications industrielles et scientifiques depuis 2010, avec un champ de vision à partir de 1 mégapixel.

d’Optron et Rebellion Photonics vendent plusieurs caméras plénoptiques, spécialisées respectivement en microscopie et en détection de fuite de gaz.

Autres caméras

Pelican Imaging possède des systèmes de matrice multi-caméras minces destinés à l’électronique grand public. Les systèmes de Pelican utilisent de 4 à 16 micro-caméras rapprochées au lieu d’un capteur d’image à micro-lentilles. Nokia a investi dans Pelican Imaging pour produire un système de caméra plénoptique avec une caméra à 16 objectifs qui devrait être implémentée dans les smartphones Nokia en 2014. Plus récemment, Pelican est passé à la conception de caméras supplémentaires qui ajoutent des capacités de détection de profondeur à la caméra principale d’un appareil, plutôt que des caméras réseau autonomes.

L’ appareil photo à champ lumineux Adobe est un prototype d’appareil photo de 100 mégapixels qui prend une photo en trois dimensions de la scène mise au point à l’aide de 19 objectifs configurés de manière unique. Chaque objectif prendra une photo de 5,2 mégapixels de la scène entière autour de l’appareil photo et chaque image pourra être mise au point ultérieurement de quelque manière que ce soit.

La caméra CAFADIS est une caméra plénoptique développée par l’Université de La Laguna (Espagne). CAFADIS signifie (en espagnol) pour la caméra à distance de phase, car il peut être utilisé pour l’estimation de la distance et du front d’onde optique. À partir d’une seule prise de vue, il peut produire plusieurs images recentrées à différentes distances, des cartes de profondeur, des images tout au point et des paires stéréo. Une conception optique similaire peut également être utilisée en optique adaptative en astrophysique, afin de corriger les aberrations causées par la turbulence atmosphérique dans les images du télescope. Afin d’effectuer ces tâches, différents algorithmes, fonctionnant sur GPU et FPGA, opèrent sur l’image brute capturée par la caméra.

La caméra de champ lumineux de Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL) est basée sur le principe de l’hétérodynage optique et utilise un film imprimé (masque) placé à proximité du capteur. N’importe quelle caméra portative peut être convertie en caméra à champ lumineux en utilisant cette technologie en insérant simplement un film à faible coût sur le dessus du capteur. Une conception basée sur un masque évite le problème de la perte de résolution, car une photo haute résolution peut être générée pour les parties focalisées de la scène.

Caméras de champ lumineux amateur

La modification des appareils photo numériques standard nécessite à peine plus que la capacité de produire des feuilles appropriées de matériel de micro-lentille, par conséquent, un certain nombre d’amateurs ont pu produire des appareils photo dont les images peuvent être traitées pour donner une profondeur de champ sélective ou des informations de direction.

Utilisation dans l’éducation

Dans une étude publiée en 2017, les chercheurs ont observé que l’incorporation d’images photographiées en champ clair dans un module d’anatomie en ligne n’a pas entraîné de meilleurs résultats d’apprentissage par rapport à un module identique avec des photographies traditionnelles de cadavres disséqués.

Microscope à champ lumineux

Le Laboratoire d’infographie de l’Université de Stanford a développé un microscope à champ lumineux utilisant un réseau de microlentilles similaire à celui utilisé dans la caméra à champ lumineux développée par le laboratoire. Le prototype est construit autour d’un microscope à lumière transmise / d’un microscope à fluorescence à champ large Nikon Eclipse et de caméras CCD standard. La capacité de capture de champ lumineux est obtenue par un module contenant un réseau de microlentilles et d’autres composants optiques placés dans le chemin de lumière entre l’objectif et la caméra, l’image multifocale finale étant rendue en utilisant la déconvolution. Une version ultérieure du prototype a ajouté un système d’éclairage à champ lumineux composé d’un vidéoprojecteur (permettant le contrôle informatique de l’éclairage) et d’un second réseau de microlentilles dans le trajet de lumière d’éclairage du microscope.

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