ES2854573A1

ES2854573A1 - Camara plenoptica para dispositivos moviles

Info

Publication number: ES2854573A1
Application number: ES202090040A
Authority: ES
Inventors: Leticia Carrion; Jorge Blasco; Francisco Clemente; Francisco Alventosa; Arnau Calatayud; Carles Montoliu; Adolfo Martinez; Iván Perino
Original assignee: Photonic Sensors and Algorithms SL
Current assignee: Photonic Sensors and Algorithms SL
Priority date: 2018-03-15
Filing date: 2018-06-14
Publication date: 2021-09-21
Also published as: DE112018007283T5; KR102633636B1; US20210366968A1; KR20200131836A; CN112005150A; JP2021529334A; JP2023030021A; WO2019174756A1; WO2019174758A1; GB2585782B; CN112005150B; GB2585782A; US11456326B2; GB202014312D0

Abstract

Cámara plenóptica para dispositivos móviles, que comprende una lente principal (102), una matriz de microlentes (104), un sensor de imagen (108) y un primer elemento reflectante (510) configurado para reflejar los rayos de luz (601a) capturados por la cámara plenóptica antes de llegar al sensor de imagen (108), con el fin de plegar la trayectoria óptica de la luz capturada por la cámara antes de incidir sobre el sensor de imagen. También se pueden usar elementos reflectantes adicionales (512) para plegar adicionalmente la trayectoria de la luz dentro de la cámara. Los elementos reflectantes (510, 512) pueden ser prismas, espejos o superficies reflectantes (804b; 814b) de elementos ópticos de tres lados (802) que tienen dos superficies refractivas (804a, 804c) que forman un elemento de lente de la lente principal (102). Al equipar los dispositivos móviles con esta cámara plenóptica, la distancia focal se puede aumentar considerablemente, al tiempo que se mantiene el espesor del dispositivo móvil por debajo de las restricciones actuales.

Description

DESCRIPCIÓN

CÁMARA PLENÓPTICA PARA DISPOSITIVOS MÓVILES

Campo de la invención

La presente invención está comprendida en el campo de las matrices de microlentes, los sistemas ópticos que incorporan matrices de microlentes, las imágenes de campo de luz, las cámaras de campo de luz y las cámaras plenópticas.

Estado de la técnica

Las cámaras plenópticas son dispositivos de formación de imágenes capaces de capturar no solo información espacial sino también información angular de una escena. Esta información capturada se conoce como campo de luz, que se puede representar como una tupla de cuatro dimensiones L F (p x ,p y ,lx ,ly ), en donde px y py seleccionan la dirección de llegada de los rayos al sensor y Ix, ly son la posición espacial de estos rayos. Una cámara plenóptica está formada habitualmente por una matriz de microlentes colocada frente a un sensor.

Este sistema es equivalente a capturar la escena desde varios puntos de vista (las así denominadas vistas plenópticas); por lo tanto, una cámara plenóptica se puede considerar un sistema multivista. Otro sistema que puede capturar un campo de luz puede estar formado por una matriz de varias cámaras. En consecuencia, se captura implícitamente, en el campo de luz, información acerca de las profundidades de los diferentes objetos (es decir, la distancia entre el propio objeto y la cámara) de la escena. Esta capacidad de las cámaras plenópticas conlleva un amplio número de aplicaciones con respecto a la generación de mapas de profundidad y la formación de imágenes 3D.

En 2012, Lytro presentó la primera cámara plenóptica de conjunto único disponible comercialmente en el mercado internacional y, tres años más tarde, la cámara Lytro Illum. Desde entonces, ninguna otra cámara de campo de luz se ha lanzado al mercado de la electrónica de consumo. La primera cámara plenóptica Lytro tenía unas dimensiones mecánicas a lo largo del eje óptico de 12 cm, y la cámara Lytro Illum tenía una lente de objetivo (como las cámaras DSLR) de más de 12 cm y un tamaño total de aproximadamente 20 cm. La óptica mejorada de la cámara Lytro Illum, con una lente de objetivo de distancia focal variable dedicada de cinco grupos de lentes, permitió que el desempeño de la cámara Illum superara al de la primera cámara Lytro. Tras estas dos incursiones en las cámaras de consumo, Lytro se trasladó a un mercado muy diferente: el mercado del cine, produciendo cámaras extremadamente grandes en las que la longitud del sistema óptico puede ser de docenas de centímetros, con sensores de 755 megapíxeles y soluciones extremadamente pesadas. Estas cámaras no son cámaras de mano, sino cámaras de cine profesional que se han de sujetar mediante trípodes o estructuras mecánicas pesadas.

Además de Lytro, Raytrix también ha lanzado al mercado varios productos basándose en la tecnología de campo de luz, orientados a aplicaciones industriales. Estas cámaras son cámaras grandes con lentes de objetivo grandes que aseguran un buen desempeño de estimación de profundidad.

En conclusión, las cámaras de campo de luz han mostrado un buen desempeño en términos de formación de imágenes 3D y detección de profundidad. Sin embargo, las cámaras plenópticas nunca se han llevado al mercado de los dispositivos móviles debido a que estas son realmente difíciles de miniaturizar. La patente US 9.647.150-B2 divulga un método de fabricación de sensores plenópticos miniaturizados. Sin embargo, como ya se ha explicado, la cámara plenóptica más pequeña lanzada al mercado de la electrónica de consumo es la cámara Lytro de 12 cm.

El desempeño en las cámaras plenópticas depende de factores clave de diseño óptico, tales como la distancia focal y el número f, en donde una distancia focal grande o un número f pequeño puede mejorar drásticamente el desempeño de la cámara. Aunque resulta fácil hallar números f pequeños en lentes de teléfono inteligente, es muy difícil diseñar y fabricar distancias focales grandes para cumplir con las reglas de diseño del mercado de los teléfonos inteligentes, debido a los espesores muy pequeños de los módulos que imponen restricciones difíciles en la MTTL (Longitud de Pista Total Mecánica) de las cámaras.

Además, el mercado actual de los teléfonos inteligentes tiende a reducir las dimensiones de las minicámaras cada vez más con cada generación, aumentando la dificultad de diseñar distancias focales grandes. Por lo tanto, existe la necesidad de introducir la tecnología de campo de luz en el mercado de los teléfonos inteligentes con un aumento importante en la distancia focal, pero cumpliendo al mismo tiempo con las restricciones mecánicas en términos de tamaño de los teléfonos inteligentes.

Definiciones:

- Cámara plenóptica: Un dispositivo capaz de capturar no solo la posición espacial sino también la dirección de llegada de los rayos de luz incidentes.

- Sistema multivista: Sistema capaz de capturar una escena desde varios puntos de vista. Una cámara plenóptica se puede considerar un sistema multivista. Las cámaras estereoscópicas y multiestereoscópicas también se consideran sistemas multivista.

- Campo de luz: estructura de cuatro dimensiones LF(px, py, lx, ly ) que contiene la información de la luz capturada por los píxeles (px, py) debajo de las microlentes (lx, ly) en una cámara plenóptica.

- Profundidad: distancia entre el plano de un punto de objeto de una escena y el plano principal de la cámara, ambos planos son perpendiculares al eje óptico.

- Vista plenóptica: imagen bidimensional formada tomando un subconjunto de la estructura de campo de luz eligiendo un cierto valor (px,py), siempre el mismo (px, py) para cada una de las microlentes (lx, ly).

- Matriz de microlentes (MLA): matriz de lentes pequeñas (microlentes).

- Mapa de profundidad: imagen bidimensional en la que los valores de profundidad calculados del mundo de los objetos se añaden como valor adicional a cada píxel (x, y) de la imagen bidimensional, componiendo pro fund idad = f (x, y). - Disparidad: Distancia entre dos (o más) proyecciones de un punto de objeto en una cámara.

- Línea de base: Diferencia entre la posición de dos (o más) cámaras en una configuración estereoscópica (o multiestereoscópica).

- Óptica plegada: sistema óptico en el que la trayectoria óptica se dobla a través de elementos reflectantes tales como prismas o espejos, de forma que se cambia el espesor del sistema para alcanzar una cierta especificación de espesor.

- OTTL (Longitud de Pista Total Óptica): longitud de la trayectoria óptica seguida por la luz desde el punto en el que esta entra en el sistema óptico y hasta el punto en el que la misma alcanza el sensor.

- MTTL (Longitud de Pista Total Mecánica): longitud total del dispositivo requerida para incluir las partes mecánicas del sistema óptico.

- Prisma o espejo: se refiere al componente óptico usado para reflejar la luz a un cierto ángulo, doblando la trayectoria óptica de la luz.

Sumario de la invención

Con el objeto de introducir la tecnología de campo de luz en el mercado de los teléfonos inteligentes, se presenta con el presente documento un nuevo concepto de cámara plenóptica, en donde se usa un prisma o espejo u otro elemento reflectante para plegar la trayectoria óptica de la lente, permitiendo diseñar lentes con distancias focales grandes sin aumentar el espesor de la lente.

Un primer aspecto de la presente invención se refiere a una cámara plenóptica para dispositivos móviles que comprende una lente principal, una matriz de microlentes, un sensor de imagen y un primer elemento reflectante (preferentemente, un prisma o un espejo) configurado para reflejar los rayos de luz capturados por la cámara plenóptica antes de llegar al sensor de imagen, con el fin de plegar la trayectoria óptica de la luz capturada por la cámara antes de incidir sobre el sensor de imagen.

En una realización, el primer elemento reflectante se dispone para recibir los rayos de luz capturados antes de llegar a la lente principal. En otra realización, el primer elemento reflectante se dispone para recibir los rayos de luz ya enfocados por la lente principal. Cuando se usa solo un elemento reflectante, el eje óptico de la lente principal es preferentemente paralelo a la superficie del sensor de imagen (de esta manera, la trayectoria óptica se pliega 90 grados o cualquier otro ángulo arbitrario).

En otra realización, la cámara plenóptica comprende uno o más elementos reflectantes adicionales (preferentemente, prismas o espejos) configurados para reflejar los rayos de luz reflejados por el primer elemento reflectante antes de llegar al sensor de imagen. Por lo tanto, los elementos reflectantes adicionales se intercalan entre el primer elemento reflectante y el sensor de imagen, con el fin de plegar adicionalmente la trayectoria óptica y ayudar a reducir las dimensiones físicas de la cámara plenóptica en un eje determinado.

La lente principal puede comprender una pluralidad de elementos de lente. En particular, la lente principal puede comprender un primer conjunto y un segundo conjunto de elementos de lente, comprendiendo cada conjunto uno o más elementos de lente concéntricos. La disposición física de ambos conjuntos de elementos de lente puede ser de tal modo que el eje óptico del primer conjunto de elementos de lente es perpendicular al eje óptico del segundo conjunto de elementos de lente y paralelo al sensor de imagen. En una realización, el primer elemento reflectante se dispone entre el primer y el segundo conjunto de elementos de lente. En otra realización, el primer elemento reflectante se dispone para recibir los rayos de luz capturados antes de llegar a la lente principal, y la cámara plenóptica comprende un segundo elemento reflectante dispuesto entre el primer conjunto y el segundo conjunto de elementos de lente, en donde el segundo elemento reflectante está configurado para reflejar los rayos de luz reflejados por el primer elemento reflectante y ya enfocados por el primer conjunto de elementos de lente, antes de llegar al sensor de imagen.

Otro aspecto de la presente invención se refiere a un módulo de cámara para dispositivos móviles que comprende la cámara plenóptica descrita anteriormente. Este módulo de cámara puede ser, por ejemplo, una parte separada, directamente integrada en un teléfono inteligente (por ejemplo, insertada en el teléfono inteligente o conectada a la carcasa trasera del teléfono inteligente) por unos medios de acoplamiento y contactos eléctricos. En el módulo de cámara, los componentes de la cámara plenóptica se disponen de tal modo que el espesor del módulo de cámara es inferior a 10 mm.

Un aspecto adicional de la presente invención se refiere a un dispositivo móvil, preferentemente un teléfono inteligente, que comprende la cámara plenóptica o el módulo de cámara descritos anteriormente. En el dispositivo móvil, el sensor de imagen de la cámara plenóptica se puede disponer de tal modo que la línea perpendicular del sensor de imagen es paralela al lado trasero del dispositivo móvil. De esta forma, la trayectoria de la luz de los rayos de luz capturados por la cámara es plegada por el primer elemento reflectante (y, opcionalmente, por elementos reflectantes adicionales), lo que permite reducir el espesor del dispositivo móvil. En el dispositivo móvil, los componentes de la cámara plenóptica se disponen preferentemente de tal modo que el espesor del dispositivo móvil es inferior a 10 mm.

Breve descripción de las figuras

Una serie de dibujos, que ayudan a una mejor comprensión de la invención y que están expresamente relacionados con realizaciones de dicha invención, presentadas como ejemplos no limitativos de la misma, se describen muy brevemente a continuación.

La figura 1A representa una vista lateral esquemática de un sistema de cámara plenóptica con un sensor de imagen, una matriz de microlentes y una lente de campo, de acuerdo con la técnica anterior. La figura 1B representa, en una vista frontal, las microimágenes producidas por las microlentes sobre el sensor de imagen. La figura 1C muestra los píxeles que forman una microimagen del sensor de imagen.

La figura 2 ilustra la disparidad entre dos proyecciones del mismo punto de objeto a través de dos cámaras separadas entre sí una línea de base b.

La figura 3 muestra el error en los cálculos de profundidad frente a la distancia real de los objetos en el mundo de los objetos para diferentes distancias focales en una cámara plenóptica.

La figura 4 muestra un módulo de cámara típico para teléfonos inteligentes. La figura 5A representa una cámara plenóptica de acuerdo con la técnica anterior, con una configuración plenóptica pura (desplegada). Las figuras 5B y 5C muestran una cámara plenóptica de acuerdo con dos realizaciones diferentes de la presente invención, con configuración de óptica plegada.

Las figuras 6A-6D muestran cuatro realizaciones de cámara plenóptica diferentes de acuerdo con la presente invención.

La figura 7 muestra un ejemplo esquemático de una cámara plenóptica de acuerdo con la presente invención, instalada dentro de un teléfono inteligente.

Las figuras 8A-8D muestran otras cuatro realizaciones de dispositivos de cámara plenóptica con configuraciones de óptica plegada.

La figura 9 muestra un sensor de imagen con su círculo de imagen apropiado. La figura 10A muestra una vista 3D de una cámara plenóptica con configuración de óptica plegada. La figura 10B muestra una vista 3D de una cámara plenóptica con configuración de óptica plegada en donde las lentes se han cortado para reducir el espesor del dispositivo en el eje Z.

Descripción detallada

Las cámaras convencionales capturan información espacial bidimensional de los rayos de luz capturados por el sensor. Además, también se puede capturar información de color usando los así denominados sensores de patrón de Bayer u otros sensores de color. Sin embargo, no se registra información alguna acerca de la dirección de llegada de los rayos mediante una cámara convencional. Las cámaras plenópticas tienen la capacidad de registrar información 3D acerca de los diferentes objetos. Básicamente, una cámara plenóptica es equivalente a capturar la escena desde varios puntos de vista (las así denominadas vistas plenópticas que actúan como varias cámaras distribuidas alrededor de la apertura equivalente de la cámara plenóptica).

Por lo general, una cámara plenóptica 100 (véase la figura 1A) se hace colocando una matriz de microlentes 104 entre la lente principal 102 y el sensor de imagen 108. Cada una de las microlentes 106 (Ix, ly ) está formando una imagen pequeña, conocida como microimagen (110a, 110b), de la apertura principal sobre el sensor de imagen 108 (véanse las figuras 1B y 1C), de tal modo que cada píxel (px,py) de cualquier microimagen (110a, 110b) está capturando rayos de luz 101 que provienen de una parte diferente de la apertura principal, cada una de las microimágenes debajo de cualquier microlente es una imagen de la apertura de la lente principal, y cada píxel en la posición p x l, py1 a pxn ,pyn en cada microlente 106 integra luz proveniente de una parte dada de la apertura (axn, ayn) independientemente de la posición de la microlente. La luz que atraviesa la apertura en la posición (axn, ayn) proveniente de diferentes ubicaciones del mundo de los objetos colisionará con diferentes microlentes pero siempre será integrada por el píxel (pxn, pyn) debajo de cada microlente de la cámara. En consecuencia, las coordenadas (px, py) de un píxel dentro de una microimagen determinan la dirección de llegada de los rayos capturados a una microlente dada y (lx, ly) determinan la posición espacial bidimensional. Toda esta información se conoce como campo de luz y se puede representar mediante una matriz de cuatro dimensiones L F (px ,py ,lx ,ly ) o una matriz de cinco dimensiones LF(px, py, lx, ly, c) si se considera la información de color (c). Como se ha mencionado anteriormente, en algunos aspectos clave una cámara plenóptica se comporta como una cámara multiestereoscópica (debido a que ambas son sistemas multivista) con una línea de base reducida entre vistas. Es decir, los sistemas multiestereoscópicos también pueden registrar el campo de luz. El comportamiento de las cámaras estereoscópicas y multiestereoscópicas se ha estudiado ampliamente. Artículos como "Quantization Error in Stereo Imaging" [Rodríguez, J. J., y Aggarwal, J. K. Quantization Error in Stereo Imaging. En Computer Vision and Pattern Recognition, 1988. Proceedings CVPR'88, Computer Society Conference on (páginas 153-158). IEEE] muestran cómo unas distancias focales largas mejoran la estimación de errores de profundidad en distancias relativamente largas en sistemas multivista.

La estimación de profundidad de una cámara estereoscópica sigue la ecuación:

en donde z es el punto de profundidad de interés, b es la línea de base, f la distancia focal de las cámaras (si ambas cámaras tienen la misma distancia focal) y d la disparidad. La disparidad d representa la diferencia en la posición de dos proyecciones (o más proyecciones en el caso de un sistema multiestereoscópico) del mismo punto en el mundo de los objetos, en las dos (o más) cámaras de un sistema estereoscópico (multiestereoscópico), como un ejemplo la figura 2 muestra dos cámaras separadas entre sí una línea de base b , y cómo, cuando la luz procedente del punto P en el mundo de los objetos atraviesa las dos lentes equivalentes c1 y c2 de las dos cámaras y alcanza los sensores s1 y s2 de las dos cámaras en dos posiciones diferentes de los sensores, la disparidad d es la distancia entre las dos imágenes p l y p2 del mismo punto P en los dos sensores s1 y s2.

A partir de la ecuación anterior, el error de estimación de profundidad se puede calcular como:

en donde Az representa el error de profundidad absoluto, y Ad representa el error de disparidad absoluto.

Una cámara plenóptica sigue la misma ecuación para el error producido en los cálculos de profundidad. En este caso, la línea de base corresponde al tamaño de apertura del sistema óptico ( ).

A z = ^z ²A d = ^{z 2-/#} Ad,

$ /

en donde f # = f / D (es decir, el número f).

Por lo tanto, el error de profundidad Az producido en una cámara plenóptica se puede reducir aumentando la distancia focal f del sistema óptico al tiempo que se mantiene el número f, reduciendo el número f al tiempo que se mantiene la distancia focal f (es decir, aumentando D), o reduciendo el número f al mismo tiempo que se aumenta la distancia focal f. Las lentes de teléfono móvil se diseñan comúnmente con números f pequeños y distancias focales pequeñas (debido a los requisitos de espesor restrictivos del sector industrial de los teléfonos móviles). Partiendo de un diseño comercialmente disponible de una lente para un teléfono inteligente, que tiene un número f pequeño y una distancia focal pequeña, la figura 3 muestra cómo el error de estimación de profundidad se reduce cuadráticamente con el aumento de la distancia focal cuando se mantiene el número f. El error producido por la distancia focal (fi), que es una distancia focal pequeña hallada habitualmente en el sector industrial de los teléfonos móviles, es cuatro veces mayor que el error producido por la distancia focal f 2 (f2 = 2fi), y nueve veces mayor que el error producido por f f = 3fi).

Sin embargo, aumentar la distancia focal generalmente significa aumentar la OTTL (longitud de pista total óptica) de un sistema óptico. Incluso si depende del diseño óptico particular, la relación entre la distancia focal y la OTTL sigue aproximadamente

^OTTL la expresión 1,1 < 1,3 en las configuraciones desplegadas, por lo tanto, un

aumento de la distancia focal implica un aumento casi proporcional de la OTTL para mantener el número f constante y, por lo tanto, un aumento en la MTTL (longitud de pista total mecánica), lo que hace que el módulo de cámara (como el módulo de cámara 400 para teléfonos inteligentes representado en la figura 4) sea más grueso (es decir, un Sz grande).

La figura 4 muestra un diagrama esquemático de un módulo de cámara 400 típico para dispositivos móviles, tales como teléfonos inteligentes, con el objeto de ser ilustrativo pero nunca limitativo. Se han resaltado las dimensiones importantes (Sx x Sy x Sz). Las dimensiones típicas de los módulos de cámara usados en el sector industrial de los teléfonos móviles son las siguientes: 4 mm < Sz < 6,5 mm; 8 mm < Sy < 10 mm; 8 mm < Sz < 10 mm, en donde Sx, Sy y Sz corresponden al ancho, la altura y el espesor del módulo de cámara 400, respectivamente (de acuerdo con los ejes X, Y y Z de la figura 7).

La dimensión más crítica es Sz, que coincide con la MTz (Pista Mecánica en z). Este tamaño Sz del módulo de cámara 400 tiene que ser menor que el espesor Tz del dispositivo móvil, como se muestra en la figura 7, y los fabricantes de teléfonos móviles tienden a pasar a espesores más pequeños con cada nueva generación de teléfonos. Esto significa que es necesario que las cámaras sigan estas tendencias si el objeto es encajar las mismas en el dispositivo móvil. Los módulos de cámara con espesores Sz superiores a 10 mm serían rechazados de forma contundente por el mercado, que apunta a cámaras con un Sz que se aproxima a 5 y 4 mm.

Hoy en día, las tendencias del mercado de los teléfonos inteligentes exigen un espesor Sz reducido para las minicámaras, lo que obliga a los proveedores a diseñar lentes con distancias focales f muy reducidas para cumplir con las especificaciones de los clientes. Las cámaras plenópticas miniaturizadas (como las que se divulgan en el documento de patente US9647150B2), incluso si nunca fueron lanzadas comercialmente por nadie más con un factor de forma similar al de la figura 4, pueden tener un desempeño muy mejorado si la distancia focal f se aumenta a valores que no se ven comúnmente en las lentes de formación de imágenes convencionales en el sector industrial de las minicámaras. Por lo tanto, resulta imperativo aumentar la distancia focal de un sistema plenóptico específico sin infringir las reglas de diseño del mercado de los teléfonos inteligentes (que requieren espesores muy pequeños) para mejorar la precisión de errores de profundidad y llevar la minicámara plenóptica al nivel superior de las cámaras de profundidad/3D para dispositivos portátiles.

Un primer enfoque para aumentar la distancia focal f es ajustar a escala todos los componentes del sistema óptico, aumentando todas las dimensiones al tiempo que se mantiene el número f. Esto implica cambiar las lentes principales, cambiar las microlentes y el propio sensor, de tal modo que también se obliga a un aumento en las dimensiones de la OTTL y de la MTTL, superando con seguridad los requisitos del mercado de los teléfonos inteligentes en cuanto a espesores (Sz) pequeños.

Un segundo enfoque para aumentar la distancia focal f podría ser ajustar a escala la lente principal pero mantener el tamaño del sensor y de las microlentes. La distancia focal f de la cámara plenóptica aumentaría pero, debido a que se mantiene el mismo tamaño de las microlentes y del sensor, el FOV (campo de visión) se reduciría debido al hecho de que el sensor ya no está capturando todo el FOV del sistema óptico, sino solo un subconjunto. Y lo que es peor, en este caso la OTTL y la MTTL también se verían aumentadas, conduciendo a un aumento en la longitud de la lente principal y dificultando su uso en aplicaciones de teléfonos móviles.

Estos enfoques para aumentar la distancia focal f permiten mejorar el error en los cálculos de profundidad (estos mueven el punto de diseño hacia las curvas inferiores en la figura 3), haciendo que la cámara sea más precisa, con porcentajes de error inferiores para la estimación de profundidades de objetos ubicados más lejos de la cámara (es decir, con distancias más largas en la figura 3). Sin embargo, la OTTL y la MTTL resultantes aumentan y no se ajustan a las especificaciones de espesor restrictivas de las minicámaras de teléfono inteligente actuales o, en otras palabras, un módulo como en la figura 4 tendría un espesor Sz demasiado grande para encajar dentro de un teléfono móvil.

En este contexto, en la presente invención se usa un prisma o espejo para plegar la trayectoria óptica de la luz, aumentando la OTTL sin aumentar el espesor Sz del módulo de cámara 400. Por lo tanto, se presenta con el presente documento un dispositivo plenóptico novedoso con configuraciones de óptica plegada.

Las figuras 5A-5C muestran varias realizaciones de una cámara plenóptica, que muestran los beneficios de los dispositivos plegados en términos de espesor. En todas estas realizaciones, la lente principal 102 está formada por un único elemento de lente, o un par o grupo de elementos de lente cementados. En estas figuras, el término OT se refiere a la longitud de pista óptica y MT se refiere a la longitud de pista mecánica. La longitud de pista mecánica en el eje Z (MTz) representada en la figura 7 es la dimensión crítica a considerar cuando se encaja la cámara en un teléfono móvil debido a que esta corresponde al espesor Tz del dispositivo (o, en otras palabras, hacer que el espesor Sz sea tan pequeño como sea posible en el módulo de cámara 400 de la figura 4). Las tres realizaciones de las figuras 5A-5C tienen el mismo desempeño óptico en términos de distancia focal f y número f, pero una MTz diferente.

La figura 5A representa una cámara plenóptica 500a típica de acuerdo con la técnica anterior. La configuración de esta cámara plenóptica 500a está diseñada con un número f pequeño y una distancia focal f grande con el fin de obtener una buena precisión de errores de profundidad. El eje óptico 502 de la lente principal 102 es perpendicular al sensor de imagen 108, atravesando el centro del sensor de imagen 108 (es decir, la línea normal 504 del sensor de imagen 108 en su punto central es coincidente con el eje óptico 502). Sin embargo, esta configuración tiene una OTTL^a= OTz^agrande, lo que implica una MTTL^a= MTz^agrande que no encaja dentro de las dimensiones típicas de un teléfono inteligente.

La figura 5B muestra una cámara plenóptica 500b de acuerdo con una realización de la presente invención. La cámara plenóptica 500b representada en la figura 5B usa una óptica plegada que reduce la MTz al tiempo que se mantiene la misma distancia focal (la OTTL y el número f siguen siendo iguales que en la figura 5A). En esta configuración, la trayectoria óptica se dobla usando una superficie reflectante de un primer elemento reflectante 510, tal como un prisma o un espejo, por lo tanto la OTTL^btiene dos componentes, OTz^by OTx^b, pero la OTTL^bes igual que la usada en la figura 5A (OTTL0 = OTTLa = OTza = OTz0 OTx0). En la configuración representada en la figura 5B, el eje óptico 502 de la lente principal 502 es paralelo al sensor de imagen 108 (es decir, el eje óptico 502 y la línea normal 504 del sensor de imagen son perpendiculares).

Sin embargo, a diferencia de la configuración anterior, el espesor de MTz del módulo de cámara se ha reducido lo bastante para encajar dentro de los requisitos de espesor bajo de las especificaciones de minicámara, al tiempo que se conservan los beneficios de unas distancias focales grandes para los sistemas de cámara plenóptica. O, en otras palabras, las cámaras plenópticas 500a y 500b en las figuras 5A y 5B ofrecen el mismo desempeño óptico y el mismo número f; sin embargo, el espesor de la cámara plenóptica 500a en la figura 5A es mayor que el espesor de la cámara plenóptica 500b en la figura 5B (MTz^a> MTz^b) o, si se implementa en un módulo como en la figura 4, el espesor Sz sería menor para la realización mostrada en la figura 5B.

La figura 5C representa una cámara plenóptica 500c de acuerdo con otra realización de la presente invención. Esta cámara plenóptica 500c tiene una configuración en la que se han introducido dos elementos reflectantes, un primer elemento reflectante 510 y un segundo elemento reflectante 512, para curvar la trayectoria óptica. El segundo elemento reflectante 512 (tal como un prisma o un espejo) refleja los rayos de luz que ya han sido reflejados por el primer elemento reflectante 510. Se pueden usar elementos reflectantes adicionales (por ejemplo, un tercer elemento reflectante, un cuarto elemento reflectante, etc.) para reflejar adicionalmente los rayos de luz reflejados por los elementos reflectantes anteriores situados a lo largo de la trayectoria óptica. La OTTL en la figura 5C tiene tres componentes, OTz^1c, OTx^cy OTz^2c, en donde su suma coincide con OTTL^a(OTTLC = OTTLa = OTzlc OTxc OTz2c) de la figura 5A, de tal modo que la distancia focal permanece constante y la MTz se ha reducido drásticamente (MTz^c< MTz^b< MTz^a). En la configuración mostrada en la figura 5C, el eje óptico 502 de la lente principal 102 y la línea normal del sensor de imagen 108 en su punto central son paralelos pero no coincidentes (es decir, estos están situados a diferentes alturas), debido a que la trayectoria óptica se ha plegado dos veces a lo largo del camino.

Las figuras 6A-6D muestran varias realizaciones de dispositivos de cámara plenóptica (600a, 600b, 600c, 600d) con configuración de óptica plegada, con el objeto de ser ilustrativos, pero nunca limitativos, en donde la lente principal 102 está compuesta por una pluralidad de grupos de lente o elementos de lente no cementados. Los dispositivos de cámara plenóptica mostrados en esta figura están formados por un sensor de imagen 108, una matriz de microlentes 104, un filtro de infrarrojos 612 (un elemento opcional que puede no estar presente) y una lente principal 102 compuesta por cuatro o cinco elementos de lente, pero esta podría estar compuesta por menos o más elementos de lente.

Cada configuración muestra una MTz (la longitud de pista mecánica en el eje Z correspondiente al espesor Tz del dispositivo móvil) diferente, como se representa en la figura 7. Cada figura representa los ejes X, Y y Z correspondientes a los mostrados en la figura 7, de acuerdo con la instalación de la cámara plenóptica en el dispositivo móvil (en las figuras 6A-6C, el sensor de imagen 108 se extiende a lo largo del eje Z, mientras que, en la realización de la figura 6D, el sensor de imagen 108 se extiende a lo largo del eje X). En todos los casos, la introducción de un primer elemento reflectante 510 (preferentemente, un prisma o espejo) que pliega la trayectoria de la luz reduce la MTz con respecto a la configuración no plegada original. Como se puede ver en las figuras 6A-6D, en todos los casos, MTz < OTTL y, por supuesto, MTz < MTTL (considerando la configuración no plegada original para calcular la MTTL).

En la primera configuración, mostrada en la figura 6A, el primer elemento reflectante 510, tal como un prisma o espejo colocado a 45 grados con respecto al eje óptico, refleja los rayos de luz 601a capturados por la cámara plenóptica 600a justo antes de atravesar cualquier superficie óptica, es decir, antes de alcanzar cualquiera de los elementos de lente (620, 622, 624, 626, 628) de la lente principal 102. En el ejemplo de la figura 6A, los rayos de luz 601b reflejados desde el primer elemento reflectante 510 (y que forman un cierto ángulo con respecto a los rayos de luz capturados 601a) alcanzan la lente principal 102. Queda muy claro en la figura 6A que MTz^a< OTTL^a, lo que en términos prácticos significa que el espesor Sz del módulo de cámara 400 (la figura 4) es más pequeño y más fácil de encajar dentro de los estrictos requisitos de un teléfono móvil.

En la segunda configuración, representada en la figura 6B, la lente principal 102 comprende un primer conjunto (630, 632) y un segundo conjunto (634, 636) de elementos de lente. La cámara plenóptica 600b de la figura 6B dobla los rayos de luz capturados 601a después de que estos hayan atravesado el primer conjunto de elementos de lente (las dos primeras lentes 630 y 632) de la lente principal 102 (en este caso, un doblete acromático) con la ayuda de un primer elemento reflectante 510, un prisma o espejo, colocado a 45 grados con respecto a los ejes ópticos de ambos conjuntos de elementos de lente. En este caso, la MTz^b= MTz^ay, en ambos casos, está limitado por las dimensiones de pastilla de sensor (Dx en las figuras 6A-6C). Sin embargo, debido a razones de empaquetado y/o debido al diseño óptico, podría ser mejor plegar la luz antes o después de atravesar varias superficies ópticas.

La tercera configuración (la figura 6C) muestra una lente principal 102 formada por cinco elementos de lente divididos en un primer conjunto (640, 642, 644) y un segundo conjunto (646, 648) de elementos de lente. Los rayos de luz capturados 601a se reflejan después de atravesar el primer conjunto de elementos de lente (los primeros tres elementos de lente 640, 642, 644), obteniendo los rayos de luz reflejados 601b que inciden sobre el segundo conjunto (646, 648) de elementos de lente y el sensor de imagen 108. De nuevo, MTzc < OTTL = OTzc OTxc.

La figura 6D muestra una cuarta configuración en la que se usa, además del primer elemento reflectante 510, un segundo elemento reflectante 512 (por ejemplo, un prisma o espejo) para reducir el espesor MTz (MTz < OTTL = OTxd OTzd). En este caso, el sensor se extiende a lo largo de la dimensión x y, por lo tanto, su dimensión de pastilla no limita la MTz. En esta realización, la lente principal 102 está formada por cuatro elementos de lente divididos en un primer conjunto (650, 652) y un segundo conjunto (654, 656) de elementos de lente. El primer elemento reflectante 510 se dispone para recibir los rayos de luz capturados 601a antes de que estos alcancen la lente principal 102, para obtener rayos de luz reflejados 601b. El segundo elemento reflectante 512 se dispone entre ambos conjuntos de elementos de lente y refleja los rayos de luz reflejados 601b para obtener rayos de luz reflejados 601c adicionales que inciden sobre el segundo conjunto (654, 656) de elementos de lente y el sensor de imagen 108.

Como se explica en las figuras 5A-5C y 6A-6D anteriores, la óptica plegada permite reducir el espesor (MTz, o Sz en la figura 4 y Tz en la figura 7) de cámaras con distancias focales grandes que comúnmente conduciría a unas dimensiones Sz grandes (se pueden encajar unas distancias focales altas en módulos realmente delgados con MTz o Sz bajo, como se muestra en la figura 6D, por ejemplo). Como ya se ha dicho, en todos los casos de las figuras 5B-5C y 6A-6D, el espesor de la cámara se reduce drásticamente con respecto a su espesor original (la MTTL en la configuración desplegada equivalente), permitiendo encajar cámaras grandes en dispositivos portátiles que, si no fuera por el uso de la tecnología de óptica plegada, nunca serían capaces de cumplir con las especificaciones del sector industrial de los teléfonos inteligentes en términos de espesor.

La cámara plenóptica con un espesor reducido propuesta por la presente invención es apta para instalarse en cualquier dispositivo móvil con unas restricciones de espesor estrictas, tal como una tableta, PDA o un teléfono inteligente. La figura 7 muestra un ejemplo de una cámara plenóptica encajada en un teléfono inteligente 700 que tiene una configuración similar a las representadas en las realizaciones de las figuras 6B y 6C. Como se representa en la figura 7, la cámara plenóptica se instala preferentemente en la parte posterior o lado trasero 710 del teléfono inteligente 700, capturando imágenes desde detrás de la pantalla. Como alternativa, la cámara plenóptica se puede instalar en el lado delantero del teléfono inteligente 700, junto a la pantalla, para capturar imágenes frontales. El teléfono inteligente 700 tiene las siguientes dimensiones en los ejes X, Y y Z representados en la figura 7: un ancho Tx, una longitud Ty y un espesor Tz, respectivamente. Este ejemplo pretende ser ilustrativo pero no limitativo. En este ejemplo, la lente principal 102 de la cámara plenóptica está formada por cinco elementos de lente (730, 732, 734, 736, 738), y un primer elemento reflectante 510 (un prisma o espejo) refleja la luz después de que esta haya pasado a través de un primer conjunto de elementos de lente (los dos primeros elementos de lente 730 y 732) de la lente principal 102, al igual que en la realización de la figura 6B. Los otros tres elementos de lente (734, 736, 738), que forman el segundo conjunto de elementos de lente, la matriz de microlentes 104 y el sensor de imagen 108, se distribuyen a lo largo del eje X, sin contribuir al espesor MTz de la cámara (el tamaño crítico Sz en la figura 4). En su lugar, estos elementos se podrían distribuir a lo largo del eje Y, o en cualquier disposición de tal modo que la línea normal 504 del sensor de imagen 108 y el eje óptico del segundo conjunto de elementos de lente sean paralelos al plano X-Y.

Como conclusión, esta nueva técnica de óptica plegada propuesta permite tener, al mismo tiempo, un desempeño plenóptico superior (con distancias focales largas y número f pequeño) y una Mtz (o espesor Sz del módulo de cámara 400) pequeña, siendo ideal para su integración en dispositivos portátiles tales como teléfonos inteligentes, tabletas, ordenadores portátiles, etc.

Las figuras 8A-8D muestran cuatro realizaciones más de dispositivos de cámara plenóptica (800a, 800b, 800c, 800d) con configuraciones de óptica plegada en donde se han descrito adicionalmente los diseños plenópticos plegados completos (incluyendo el primer elemento reflectante 510) con el objeto de ser ilustrativos pero nunca limitativos.

En estas cuatro realizaciones, se usa una primera lente prismática 802 como el primer elemento reflectante 510 (y, opcionalmente, se usa una (segunda, tercera...) lente prismática adicional 812 como el segundo (tercer, cuarto...) elemento reflectante 512). En esta realización, la lente prismática 802 (y, opcionalmente, cualquier segunda, tercera, etc., lente o lentes prismáticas 812 adicionales usadas) es, básicamente, un elemento óptico de tres superficies en el que la superficie media es reflectante (por ejemplo, un cuerpo o un prisma en el que las tres superficies pueden ser asferas en lugar de superficies planas) y está hecha de vidrio o plástico. Dos de las superficies de la lente prismática 802/812 (una primera superficie 804a/814a y una tercera superficie 804c/814c) son superficies refractivas, y una segunda superficie media 804b/814b es una superficie reflectante. Por lo tanto, la lente prismática 802/812 es un elemento óptico que integra un elemento de lente de la lente principal (formado con las dos superficies refractivas 804a/814a y 804c/814c) junto con el elemento reflectante 510/512 (formado por la superficie reflectante 804b/814b) que pliega la trayectoria de la luz. Los rayos de luz que atraviesan la primera superficie 804a/814a de la lente prismática 802/812 tienen un eje óptico diferente (habitualmente perpendicular) al de los rayos que atraviesan la tercera superficie 804c/814c debido a la reflexión producida en la segunda superficie 804b/814b de la lente prismática 802/812. Las dos superficies refractivas (804a/814a, 804c/814c) pueden tener formas convexas, cóncavas o asféricas, y la superficie reflectante puede ser plana o convexa/cóncava, esférica o asférica.

El uso de lentes prismáticas permite plegar la trayectoria de la luz, logrando unas longitudes de pista totales ópticas OTTL largas (y, por lo tanto, una distancia focal efectiva, EFFL, larga) dentro de unos espesores pequeños. Asimismo, la integración de la lente prismática 802/812 junto con los otros elementos de lente del sistema óptico resulta más sencilla que usar, por ejemplo, un único espejo, en donde las tareas de alineación son, con seguridad, más difíciles. El hecho de tener una lente prismática 802/812 con sus dos superficies refractivas (804a/814a, 804c/814c) bien definidas y, por lo tanto, sus ejes ópticos bien definidos, facilita los procesos de alineación.

Varias opciones e implementaciones de lentes prismáticas se han integrado en las diferentes realizaciones de las figuras 8A-8D y se detallarán a continuación.

La figura 8A muestra una lente principal que contiene cinco elementos de lente (802, 822, 824, 826, 828), un filtro de infrarrojos 612 opcional, una matriz de microlentes 104 y un sensor de imagen 108. El primer elemento de lente es una lente prismática 802 que integra, dentro de una única entidad, una lente convexa (una primera 804a y una tercera 804c superficies) y el primer elemento reflectante 510 (una segunda superficie 804b). La primera superficie 804a tiene una forma convexa (pero esta podría ser también cóncava o plana), la segunda superficie 804b es una superficie plana (pero esta podría ser cualquier otra superficie no plana) a 45 grados (pero podrían ser otros ángulos) en relación con el eje óptico, y esta superficie plana refleja la luz hacia la tercera superficie 804c, una segunda superficie convexa (pero esta podría ser cóncava o plana). La primera superficie convexa 804a de la lente prismática 802 refracta los rayos de luz 801a capturados por la cámara plenóptica 800a, a continuación estos rayos son reflejados por el primer elemento reflectante 510 (la superficie plana 804b) de la lente prismática 802 un total de 90 grados a lo largo del eje óptico (pero esto podría ser diferente si el primer elemento reflectante 510 no está inclinado 45 grados con respecto al eje óptico). El primer eje óptico se extiende a lo largo del eje Z y, después del elemento reflectante 510, la luz sigue un segundo eje óptico (eje X), que es perpendicular al primero, llegando a la tercera superficie 804c de la lente prismática 802. La luz atraviesa entonces los otros elementos de lente (822, 824, 826, 828), llegando a la matriz de microlentes 104 y, finalmente, al sensor de imagen 108.

La realización de la figura 8A tiene una longitud de pista total óptica OTTLa (OTza¹+ OTxa¹) de 11,2 mm (pero esta podría ser más larga o más corta); sin embargo, el uso de la lente prismática 802 para plegar la trayectoria de la luz permite extender la mayoría de la OTTL de la cámara a lo largo del eje X, lo que conduce a un espesor de MTz^ade aproximadamente 5,1 mm (pero este podría ser incluso más corto, o más largo), lo que hace que esta lente con una OTTL muy grande sea apta para integrarse en un teléfono móvil gracias a su espesor reducido. En este caso, el espesor (eje Z) está limitado por el tamaño del sensor. Obsérvese que los rayos de campo extremos representados en las figuras 8A-D se refieren al campo en la diagonal del sensor (aunque estos se encuentran en el plano XZ), conduciendo a MTz^s(MTz^a, MTz^b, MTz^c, MTz^d), que se refieren a la diagonal del sensor de imagen 108. Esta es una práctica común en el diseño óptico, debido a que las lentes tienen habitualmente simetría rotacional, pero el sensor es rectangular. Esta es la razón por la que el último diámetro de lente coincide con la altura del último rayo que atraviesa esa última superficie. Este diseño plegado permite extender la distancia focal hasta 9,3 mm (en este ejemplo, pero esta podría ser superior), mejorando drásticamente el desempeño de detección de profundidad y cumpliendo aún con los requisitos de espesor muy pequeño en los teléfonos móviles (MTz^ade 5,1 mm).

El ejemplo de la lente de la figura 8A no se debería interpretar como una opción limitativa, sino solo como un ejemplo ilustrativo de cómo un diseño plegado puede lograr una distancia focal grande y un desempeño de profundidad excelente con un espesor pequeño. La lente principal 102 de la cámara puede tener más o menos elementos de lente con el fin de mejorar el desempeño óptico (en este ejemplo, cinco elementos de lente, pero podrían ser menos o más lentes), las superficies no reflectantes de la lente prismática 802 pueden estar formadas por superficies convexas, superficies planas, superficies cóncavas o cualquier superficie asférica que el diseñador pudiera considerar apropiada. Asimismo, el elemento reflectante 510 (que es, en este caso, una superficie plana inclinada 45 grados con respecto al eje óptico) podría ser una superficie reflectante convexa o una cóncava (o una superficie plana inclinada cualquier otro ángulo frente al eje óptico). La lente prismática 802 se puede ubicar como un primer elemento de lente, o como un elemento de lente posterior, después de uno o más elementos de lente (por ejemplo, como un segundo elemento de lente).

La figura 8B muestra una realización en la que se han usado dos lentes prismáticas (una primera lente prismática 802 y una segunda lente prismática 812) para plegar la trayectoria de la luz dos veces. En este caso, el tamaño del sensor de imagen 108 no estará limitando el espesor de la lente debido a que el sensor de imagen 108 se extiende a lo largo de las dimensiones X e Y (ya no es un factor limitativo en la dimensión Z: el rectángulo de sensor se extiende a lo largo de las dimensiones X-Y de la figura 7 y ya no se impone que la pastilla rectangular de sensor haya de ser más pequeña que Tz en la figura 7, como es impuesto por la realización en la figura 8A). La lente principal 102 también está formada por cinco elementos (802, 832, 834, 836, 812), un filtro de infrarrojos 612 opcional, la matriz de microlentes 104 y el sensor de imagen 108. Los primeros cuatro elementos de lente (802, 832, 834, 836) son similares a la realización descrita en la figura 8A. El quinto elemento de lente es una segunda lente prismática 812 con dos superficies refractivas (primera 814a y tercera 814c superficies) que tienen formas asféricas, y una segunda superficie reflectante (en el ejemplo, una superficie plana a 45 grados) que actúa como un segundo elemento reflectante 512. En este caso, la longitud de pista total óptica OTTL de la lente (OTzb1 OTxb1 OTzb2) es de aproximadamente 12,9 mm (pero esta podría ser más larga o más corta). El uso de una óptica plegada permite tener un espesor MTzb de solo unos pocos milímetros (aproximadamente 5,0 mm en la realización). Además, el uso de un segundo elemento reflectante 512 permite aumentar adicionalmente la distancia focal efectiva EFFL (hasta 13,2 mm en el ejemplo frente a 9,3 mm en la realización de la figura 8A), mejorando drásticamente el desempeño de detección de profundidad de la cámara plenóptica.

De nuevo, la realización de la figura 8B no se debería interpretar como limitativa, sino solo como un ejemplo. La lente puede estar formada por menos o más elementos que los cinco elementos en el ejemplo, y por menos o más de dos elementos reflectantes (510, 512), que pueden ser o bien prismas o bien espejos, o una combinación de prismas y espejos. El elemento reflectante (510) y cualquier otro elemento reflectante adicional (512) pueden reflejar los rayos de luz entrantes con un ángulo de 90 grados o con cualquier otro ángulo arbitrario. Los elementos reflectantes se pueden disponer (es decir, inclinarse) de tal modo que el ángulo de incidencia (y, por lo tanto, el ángulo de reflexión correspondiente) de los rayos de luz incidentes puede ser cualquier ángulo comprendido dentro del intervalo (0-90), y preferentemente dentro del intervalo [22,5-67,5]. En algunas realizaciones, el ángulo de reflexión es preferentemente de 45°, obteniendo de ese modo una trayectoria óptica que se pliega 90 grados.

La figura 8C muestra una realización en la que se han integrado dos lentes prismáticas (802, 812) en una lente de cuatro elementos, de tal modo que dos elementos de lente de todos los elementos de lente (802, 842, 812, 844) de la lente principal 102 son lentes prismáticas (802, 812). Asimismo, la cámara 800c comprende un filtro de infrarrojos 612 opcional, una matriz de microlentes 104 y un sensor de imagen 108. La primera lente prismática 802 es similar a la de la figura 8A. Sin embargo, la segunda lente prismática 812 está formada por una lente cóncava-plana como la primera 814a y la tercera 814c superficies, y la segunda superficie reflectante 814b es una superficie plana a 45 grados frente al eje óptico. La segunda lente prismática 812 está ubicada entre dos lentes asféricas regulares (842, 844). En este caso, la lente principal tiene una longitud de pista total óptica OTTL (OTzc¹+ OTxc¹+ OTzc²) de 12,0 mm con una distancia focal efectiva EFFL de 10,4 mm, y el espesor MTz^ces de 5,7 mm. En este caso, el espesor MTz está limitado por el tamaño de las lentes prismáticas (802, 812) y el espesor del último elemento de lente regular 844. Si la prioridad es reducir tanto como sea posible el espesor MTz, la mejor solución es, claramente, el uso de lentes prismáticas como primer y/o último elemento de lente.

La figura 8D muestra otra realización de cámara plenóptica con configuración de óptica plegada, en donde se han usado dos lentes prismáticas (802, 812) en una lente principal 102 compuesta por cinco elementos de lente (802, 852, 854, 856, 812). En este caso, la primera lente prismática 802 es similar a la de la figura 8A; sin embargo, se ha introducido una concavidad pequeña en el elemento reflectante 510 (tan pequeña que no se puede apreciar en el diagrama esquemático de la figura 8D). La segunda lente prismática 812 integra una lente asférica y una superficie reflectante cóncava 814b (en lugar de plana como en las realizaciones 8A a 8C). La inclusión de las superficies reflectantes no planas (804b, 814b) complica el diseño pero tiene ventajas de fabricación. La lente principal tiene una longitud de pista total óptica OTTL (OTZd¹+ OTXd¹+ OTZd²) de 14 mm, con una distancia focal efectiva EFFL de 12,4 mm. En esta realización, el espesor MTz^dde la lente es de 6,2 mm.

El uso de una o más lentes prismáticas (802, 812) permite tener una longitud de pista total óptica OTTL grande con unos espesores MTz^spequeños. En todos los casos, el espesor MTz es inferior a 6,5 mm y, por lo tanto, este se puede integrar en un teléfono móvil moderno, en donde el espesor nunca supera, como práctica habitual, 7,5 mm para las cámaras traseras y 5 mm para las cámaras frontales.

Además de la técnica de lente prismática o cualquier otra técnica de óptica plegada como se ha descrito anteriormente para reducir el espesor MTz del dispositivo, también se podrían usar otras estrategias para reducir el espesor del dispositivo. Como se ha explicado anteriormente, las lentes tienen comúnmente simetría rotacional, mientras que los sensores de imagen 108 no son circulares (son rectangulares). Esto significa que la lente se ha de optimizar para exhibir un buen desempeño óptico a lo largo de toda la diagonal del sensor de imagen 108 para asegurar un buen desempeño a lo largo de todo el sensor, pero parte del campo optimizado se desperdicia debido a la forma del sensor de imagen 108 (los fotones de luz que colisionan dentro del círculo de puntos en la figura 9 pero no dentro del rectángulo del área activa del sensor no se usan, los fotones no se convierten en electrones). La figura 9 muestra un sensor de imagen 108 con tamaños laterales ISz x ISx y su círculo de imagen correspondiente. El diámetro del círculo de imagen es fijado por la diagonal del área activa del sensor; sin embargo, debido a que el sensor es rectangular, se desperdicia una parte no despreciable del campo optimizado y, por lo tanto, una parte no despreciable del área de las lentes no se está usando para la luz útil que colisiona con el área activa del sensor.

La figura 10A muestra una cámara plenóptica 1000a en donde, como en cualquier cámara normal, la simetría rotacional de las lentes produce un círculo de imagen que colisiona con la matriz de microlentes (104) y que finalmente colisiona con el sensor de imagen (108) que, en la figura 10A, es como el círculo en la figura 9 pero, de hecho, el sensor de imagen 108 y la matriz de microlentes 104 son rectángulos como en las figuras 9 y 10B, y la luz que colisiona dentro del círculo pero fuera del rectángulo del sensor de imagen 108 no desempeña papel útil alguno. La figura 10A muestra una cámara plenóptica plegada con cinco elementos de lente (1002, 1004, 1006, 1008, 1010), en la que se representan cuatro rayos diferentes que alcanzan las cuatro esquinas del sensor de imagen 108, limitando el campo de visión (FOV) de la cámara plenóptica 1000a (la luz en el centro mismo del FOV que alcanza el centro del sensor de imagen 108 también se representa en la figura 10 A).

La luz que alcanza la superficie de la matriz de microlentes 104 en la figura 10A fuera del rectángulo formado por los cuatro puntos que limitan el FOV no ofrece uso alguno. En la figura 10B solo se representa el área activa del sensor de imagen 108 (en donde los fotones se convierten en electrones) y la matriz de microlentes 104. Las lentes 1008 y 1010 en la figura 10A también se han truncado en la figura 10B (lentes truncadas 1018 y 1020), eliminando la parte de esas lentes que transmitirían luz al círculo pero fuera del rectángulo en la figura 9 (es decir, fuera del área activa del sensor).

El resultado neto es que las cámaras plenópticas 1000a y 1000b son funcionalmente idénticas pero, en la cámara 1000a, la MTTL (el espesor MTz^a) es fijada por el círculo exterior de las lentes 1008 y 1010 (o por el círculo exterior de la figura 9) mientras que, en la cámara 1000b, la MTTL (el espesor MTz^b) es fijada por la lente 1012 (exactamente igual que la lente 1002 en la cámara 1000a, más grande en la dimensión z que las lentes truncadas 1018 y 1020).

En resumen, y como se muestra en las realizaciones de las figuras 8A-8D, existe una gran cantidad de grados de libertad para el diseño de la lente principal. Las superficies refractivas (804a, 804c; 814a, 814c) de la lente prismática pueden ser cóncavas, convexas, planas, asféricas o cualquier combinación de las mismas. La superficie reflectante (804b; 814b) puede ser plana o convexa/cóncava, y estas pueden tener cualquier grado de inclinación (no necesariamente 45 grados frente al eje óptico como se muestra en la mayoría de las figuras). Las lentes prismáticas se pueden ubicar como el primer elemento de lente de la lente principal, como el último elemento de lente de la lente principal o entre lentes de elemento regulares de la lente principal, dependiendo de las necesidades particulares del diseño. El número de lentes prismáticas también puede ser variable (se pueden usar una, dos o más lentes prismáticas). Y, además, las lentes se pueden cortar para reducir el espesor.

Las realizaciones mostradas en las figuras de este documento son solo ejemplos que no se deberían interpretar como una característica limitativa, el alcance de la invención solo se debería extraer de las reivindicaciones, debido a que existe un número ilimitado de realizaciones posibles que no se pueden cubrir con ejemplos pero se vuelven evidentes para un experto en la materia después de haber tenido acceso a la presente invención. Por ejemplo, en todos los cambios de dirección de propagación de la luz en las superficies reflectantes en las figuras 5B, 5C, 6A, 6B, 6C, 6D, 7, 8A, 8B, 8C, 8D, 10A y 10B, los rayos incidentes y los reflejados son perpendiculares; sin embargo, el diseño práctico con diferentes ángulos incidentes y reflejados podría ser conveniente para algunas aplicaciones. Por ejemplo, en algunos sensores de silicio, el área fotosensible activa no está perfectamente centrada dentro del área de pastilla de silicio y, por ejemplo en la cámara plenóptica 1000b, podría ser conveniente mover el sensor de silicio 108 un poco hacia la derecha o hacia la izquierda, eso se podría hacer construyendo la superficie reflectante en la lente 1012 a unos ángulos ligeramente superiores o inferiores a 45 grados frente al eje óptico de la primera superficie de la lente 1012 (obviamente, en este caso, el sensor no sería perfectamente paralelo o perpendicular a la estructura exterior del teléfono móvil, pero se solucionaría un problema de miniaturización).

Claims

REIVINDICACIONES

1. - Una cámara plenóptica que comprende una lente principal (102), una matriz de microlentes (104) y un sensor de imagen (108), caracterizada por que la cámara plenóptica comprende además un primer elemento reflectante (510) configurado para reflejar los rayos de luz (601a) capturados por la cámara plenóptica antes de llegar al sensor de imagen (108).

2. - La cámara plenóptica de la reivindicación 1, que comprende un elemento óptico de tres lados (802) que tiene dos superficies refractivas (804a, 804c) que forman un elemento de lente de la lente principal (102) y una superficie reflectante (804b) que forma el primer elemento reflectante (510).

3. - La cámara plenóptica de la reivindicación 2, caracterizada por que el elemento óptico de tres lados (802) está hecho de vidrio o plástico.

4. - La cámara plenóptica de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 3, caracterizada por que las superficies refractivas (804a, 804c) del elemento óptico de tres lados (802) son superficies planas, superficies convexas, superficies cóncavas, superficies asféricas o una combinación de las mismas.

5. - La cámara plenóptica de cualquiera de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizada por que la superficie reflectante (804b) del elemento óptico de tres lados (802) es una superficie plana, una superficie convexa o una superficie cóncava.

6. - La cámara plenóptica de la reivindicación 1, caracterizada por que el primer elemento reflectante (510) es un prisma.

7. - La cámara plenóptica de la reivindicación 1, caracterizada por que el primer elemento reflectante (510) es un espejo.

8. - La cámara plenóptica de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que el primer elemento reflectante (510) se dispone para recibir los rayos de luz capturados (601a) antes de llegar a la lente principal (102).

a cámara plenóptica de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, caracterizada por que el primer elemento reflectante (510) se dispone para recibir los rayos de luz (601a) después de ser refractados por al menos un elemento de lente de la lente principal (102).

10.

cámara plenóptica de cualquier reivindicación anterior, caracterizada por que el eje óptico (502) del primer elemento de lente de la lente principal (102) es paralelo al sensor de imagen (108).

11.

cámara plenóptica de cualquier reivindicación anterior, que comprende al menos un elemento reflectante adicional (512) configurado para reflejar los rayos de luz (601b) reflejados por el primer elemento reflectante (510) antes de llegar al sensor de imagen (108).

12.

cámara plenóptica de la reivindicación 11, que comprende al menos un elemento óptico de tres lados adicional (812) que tiene dos superficies refractivas (814a, 814c) que forman un elemento de lente de la lente principal (102) y una superficie reflectante (814b) que forma el al menos un elemento reflectante adicional (512).

13.

cámara plenóptica de la reivindicación 12, caracterizada por que el al menos un elemento óptico de tres lados adicional (812) está hecho de vidrio o plástico.

14. La cámara plenóptica de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 13, caracterizada por que las superficies refractivas (814a, 814c) del elemento óptico (812) son superficies planas, superficies convexas, superficies cóncavas, superficies asféricas o una combinación de las mismas.

15.

cámara plenóptica de cualquiera de las reivindicaciones 12 a 14, caracterizada por que la superficie reflectante (814b) del elemento óptico (812) es una superficie plana, una superficie convexa o una superficie cóncava.

16.

cámara plenóptica de la reivindicación 11, caracterizada por que el al menos un elemento reflectante adicional (512) es un prisma o un espejo.

17.

- La cámara plenóptica de cualquier reivindicación anterior, caracterizada por que la lente principal (102) comprende una pluralidad de elementos de lente no cementados.

18.

- La cámara plenóptica de la reivindicación 17, caracterizada por que al menos uno de los elementos de lente de la lente principal (102) es no rotacionalmente simétrico, de tal modo que el campo de dicho al menos un elemento de lente está adaptado a las dimensiones (ISz, ISx) del sensor de imagen (108).

19.

- La cámara plenóptica de la reivindicación 17, caracterizada por que la lente principal (102) comprende un primer conjunto y un segundo conjunto de elementos de lente, comprendiendo cada conjunto uno o más elementos de lente concéntricos; y caracterizada por que el eje óptico del primer conjunto de elementos de lente es perpendicular al eje óptico del segundo conjunto de elementos de lente y paralelo al sensor de imagen (108).

20.

- La cámara plenóptica de la reivindicación 19, caracterizada por que el primer elemento reflectante (510) se dispone entre el primer y el segundo conjunto de elementos de lente.

21.

- La cámara plenóptica de la reivindicación 19, caracterizada por que el primer elemento reflectante (510) se dispone para recibir los rayos de luz capturados (601a) antes de llegar a la lente principal (102);

caracterizada por que la cámara plenóptica comprende un segundo elemento reflectante (512) dispuesto entre el primer conjunto (650, 652) y el segundo conjunto (654, 656) de elementos de lente, estando configurado el segundo elemento reflectante (512) para reflejar los rayos de luz (601b) reflejados por el primer elemento reflectante (510) y ya refractados por el primer conjunto (650, 652) de elementos de lente, antes de llegar al sensor de imagen (108).

22.

módulo de cámara (400) para dispositivos móviles, que comprende la cámara plenóptica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 20.

23.

módulo de cámara (400) de la reivindicación 22, caracterizado por que los componentes de la cámara plenóptica se disponen de tal modo que el espesor (Sz) del módulo de cámara (400) es inferior a 10 mm.

24.

- Un dispositivo móvil, que comprende la cámara plenóptica de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 21 o el módulo de cámara (400) de cualquiera de las reivindicaciones 22 a 23.

25.

- El dispositivo móvil de la reivindicación 24, caracterizado por que el sensor de imagen (108) de la cámara plenóptica se dispone en el dispositivo móvil de tal modo que la línea normal (504) del sensor de imagen (108) es paralela al lado trasero (710) del dispositivo móvil.

26.

- El dispositivo móvil de cualquiera de las reivindicaciones 24 a 25, caracterizado por que los componentes de la cámara plenóptica se disponen de tal modo que el espesor (Tz) del dispositivo móvil es inferior a 10 mm.

27.

- El dispositivo móvil de cualquiera de las reivindicaciones 24 a 26, caracterizado por que el dispositivo móvil es un teléfono inteligente (700).