Mini-cámaras plenópticas para dispositivos portátiles

Resumen

En la presente tesis doctoral estudiamos la miniaturización de la tecnología plenóptica en configuración 1.0, algo hasta ahora no abordado en la bibliografía. El objetivo final es fabricar mini-cámaras plenópticas que tengan la suficiente calidad y precisión como para ser utilizadas en la industria de consumo como cámaras de profundidad que además ofrecen imagen. En primer lugar, hacemos una revisión teórica de la tecnología plenóptica y su capacidad para registrar el light field. Seguidamente, evidenciamos las posibilidades de miniaturización describiendo las características básicas de los sensores CMOS para telefonía móvil, de las mini-lentes plásticas fabricadas mediante procesos de inyección y de las matrices de microlentes. Demostramos que maximizar la distancia focal y el diámetro de la pupila de la lente objetivo se traduce en una mejor precisión a la hora de calcular mapas de profundidad. A raíz de esto, analizamos en detalle las características de los diseños de lentes objetivo con espejos y de los diseños tipo telefoto, que permiten maximizar la distancia focal de la lente principal respetando los tamaños reducidos de la industria de las mini-cámaras. Asimismo, presentamos un diseño de tipo telefoto con alta compactabilidad diseñado para funcionar como lente principal de una mini-cámara plenóptica. Seguidamente, analizamos los problemas de deslocalización de las microimágenes que aparecen cuando utilizamos matrices de microlentes con periodo constante y lentes principales con CRAs altamente no lineales. Proponemos una solución en la que la distribución espacial de los centros de las microlentes se altera convenientemente con objeto de conseguir una localización ordenada y periódica de las microimágenes en el sensor. Asimismo, analizamos el problema de la incidencia de luz oblicua en las microlentes periféricas, y resolvemos inclinarlas de manera conveniente consiguiendo reducir las aberraciones de campo significativamente. Por último, estudiamos algunos problemas de fabricación que hemos identificado como relevantes. En el caso de la lente principal, realizamos un exhaustivo análisis de tolerancias y conseguimos desensibilizar el diseño telefoto descrito ante descentramientos e inclinaciones que puedan producirse en el ensamblaje de los diferentes elementos que componen la lente objetivo. Utilizamos técnicas de optimización de configuraciones múltiples minimizando el error de la configuración nominal y de la perturbada al mismo tiempo. Por otra parte, analizamos el problema de la expansión térmica de la matriz de microlentes y el ensamblaje de los diferentes componentes que conforman la cámara plenóptica, llegando a la conclusión de que un pegado directo de la MLA al sensor es la mejor opción. El resultado final de este trabajo es el diseño y fabricación de la apiCAM.