Optica - Tema 5 - Fundamentos y Aplicaciones de...
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© E.G.G. DFA III-ESI 2007/08UNIVERSIDAD DE SEVILLA12º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 5 – Fundamentos y aplicaciones …)
TEMA 5TEMA 5FUNDAMENTOS Y FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE APLICACIONES DE TECNOLOGTECNOLOGÍÍAS AS ÓÓPTICASPTICASDE IMAGEN DE IMAGEN
© E.G.G. DFA III-ESI 2007/08UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 5 – Fundamentos y aplicaciones …)
Prof. Dr. E. Gómez GonzálezDepartamento de Física Aplicada IIIE.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla
Curso 2007/08Apuntes de ÓpticaFundamentos de Fundamentos de ÓÓpticaptica
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Tema 5: Fundamentos y aplicaciones de tecnologías ópticas de imagen
• Captación analógica: video y televisión• Captación digital• El sensor CCD• Arquitecturas de funcionamiento• La cámara CCD• Parámetros básicos: caracterización del sensor, aumentos primario y del sistema,
resolución, profundidad de campo y contraste• Distorsiones ópticas: aberraciones y paralaje• Lentes telecéntricas• Tipos de cámara: Single-chip monocromo/color, filter-wheel CCD, 3-chip color CCD• Factores que afectan a la calidad de la imagen• Aplicaciones con CCD lineales y 2D• Otras tecnologías: CMOS y EMCCD• Cristal líquido• Pantallas: LCD, TFT y plasma• Videoproyección: LCD, DLP y LCOS
Propiedad IntelectualEstos Apuntes, así como el material contenido en ellos, están protegidos por las normas vigentes de Propiedad Intelectual y únicamente pueden destinarse al estudio personal. Para citar la información contenida en los mismos debe indicarse:
Gómez González, E.: Fundamentos de Óptica: Aplicaciones de tecnologías ópticas de imagen, Universidad de Sevilla 2006.así como los datos específicos de cada obra detallados en las Referencias indicadas entre corchetes.
Estos Fundamentos de Óptica han sido específicamente adaptados como Apuntes para el Curso de Óptica que imparte el autoren la asignatura Campos Electromagnéticos de Ingeniería de Telecomunicación de la E.S.Ingenieros de la Universidad de Sevilla.Se recomienda su utilización combinada con los demás materiales y referencias de la asignatura.
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Captación analógica: cámaras de videoSensor tipo “TUBO VIDICON”
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Visualización:monitor monocromo
Señal registrada
Señal moduladora
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Visualización en monitor de tubo de rayos catódicos (TRC)(cathodic ray tube, CRT)
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Imagen en color:mezcla aditiva: R + G + BMosaico de puntos fosforescentes en los 3 colores básicos → 3 haces de electrones modulados con las 3 señales R, G y B. La máscara perforada ayuda a focalizar los haces.
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Captación digital: cámaras CCD[1]
Formato tamaño: 4:3 (H:V)
Importancia del filtro IR:aberración cromática → doble imagen: VIS + IR
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SYSTEM MAGNIFICATION (efecto del SISTEMA COMPLETO)
SysMAG = PMAG x (MS / SS) MS
AUMENTO DEL SISTEMA (SySMAG)
PMAG = SS / FOV
(efecto de la lente)
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Una medida: el número de píxeles del sensoren cada dimensión: a, ben total: N = a·b
RESOLUCIÓN (i)
Parámetros básicos
Unidad: Megapixelnuméricamente equivalente al megabyte = 220 = 1.048.576
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RESOLUCIÓN (ii)
Parámetros básicos
35 x 24--Negativo fotográfico
36 X 2413.8CMOSKodak DSC-14n
36 X 2411.4CMOSCanon EOS-1Ds
23.7 x 15.66.1CCDNikon D70
8.6 x 6.68.02/3” CCDKonika Minolta DiMAGE A2
8.6 x 6.68.02/3” CCDSony DSC-828
8.6 x 6.68.02/3” CCDOlympus-C8080 Wide Zoom
8.6 x 6.68.02/3” CCDNikon Coolpix 8700
7.2 x 5.35.01/1.8” CCDPowerShot S500
5.3 x 4.03.31/2.7” CCDKonika Minolta DiMAGE Xg
Medida(mm x mm)
Píxeles(Mp)
Tipo Sensor
Cámara
Número máximode pixeles en un sensor:
( )max 22 1.22 f/#a b a bNp λ⋅ ⋅
= =
¡¡ interesa f/# pequeño !! ↔ objetivo de gran abertura↔ sistema óptico
de calidad ↔ coste
Orantes de la Fuente JL: Una aplicación de la difracción: las cámaras digitales.Revista Española de Física 20(3), 2006
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¿cómo determinar la cámara / sensor necesario parauna aplicación específica?RESOLUCIÓN (iv)
Parámetros básicos
Límites de procesado:Número mínimo de px necesarios (Nf)
Algoritmos Precisión (px)• edgedetection 1/3
• blob 3• pattern matching 1
Objeto a registrar
Variable Unidad• Campo de visión FOV mm • Tamaño del mínimo
elemento Sf mm
→ resolución espacial fs
f
SR
N= → resolución de la cámara f
Cs f
NFOVR FOVR S
= =
Pixel Rate (PR): C hor C ver rPR R R f M− −= ⋅ ⋅ +
(en horizontal y vertical)
fr = frame rate (Hz)M = margen (bus transfer)
~ 10%-20%
BUS MB/sPCI 96IEEE 1394 32CameraLink max: 680
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CONTRASTE (ii)
Parámetros básicos
Función de Transferenciade Modulación(Modulation Transfer Function, MTF)
max min
max min
100I ICI I
−= ⋅
+
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CONTRASTE (iii)
Parámetros básicosFunción de Transferenciade Modulación del sistema completo (lente + CCD)
es el producto de las funciones
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Lente (→ uso de lentes telecéntricas)
Errores de perspectiva (paralaje)
Lente (→ lentes compuestas para compensación)
Distorsión (aberraciones)
Apertura de la lente (número-f f / #)
Profundidad de campo (DOF)
Cámara TarjetaIluminación capturadora
Contraste
Lente MonitorCámara Tarjeta
capturadora
Resolución (R)
Factores que influyen en el sistema completo
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Ópticas: uso de lentes telecéntricas para corregir el error de paralaje (debido a la perspectiva)
Lente normal:
imagen
objeto
[20] Lentetelecéntrica
Ventajas– Coste– Disponibilidad– Flexibilidad
Inconvenientes– Cambio del aumento con la
distancia– Error paralaje
Uso– Objetos grandes
Ventajas– Aumento indep. de cambios
en distancia– Sin error paralaje
Inconvenientes– Coste– Diámetro / Peso
Uso– Visión industrial y procesado– Metrología– Microlitografía
Lentes Convencionales - Telecéntricas
Con lente normal Con lente telecéntrica
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Ej.: inspección de piezas en fabricación
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Dependiendo del tamaño del CCD, buenas prestaciones:– Resolución– SNR– Sensibilidad– Contraste– Velocidad de obturación desde 1/30 s hasta 1/100.000 s– Tamaños muy variables: posible miniaturización
1-chip mocromo 1-chip color
Tipos de Cámaras CCD: 1. Single-Chip Single-color CCD
Pill Camera y 0.25 USD IntestinoSensor y 0.10 USD
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Capa de microlentes
Capa de filtros
Capa metálica opaca
Fotodiodo
Substrato de Si
Novedad: microlentes para incrementarel nº de fotones que llegan al semiconductor
Tipos de Cámaras CCD: 2. Single-Chip three-color CCD
Red (patrón) de Bayer: 4 px individuales = 1 px “efectivo”→ menor resolución espacial pero mejor “visión” por el color
¿por qué hay el doble de detectores verdes que azules y rojos?
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Tipos de Cámaras CCD: 3. Filter-wheel color CCD
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Tipos de Cámaras CCD: 4. Three-chip color CCD
Luz blanca
• Máxima calidad: hay un CCD completo para cada color (R,G,B)
• Electrónica más compleja: hay que leer y almacenar 3 imágenes y sumar las 3 imágenes para obtener la imagen completa
• Óptica más compleja: prismas/espejos dicroicos para descomponer el haz procedente del objeto
→ máximas prestaciones pero coste elevado
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• Balance de blancos: debe estar bien realizado
• Corriente oscura (dark current): electrones generados por la incidencia de luz IR producen señal en el CCD
• Campo de estrellas: imperfecciones en el CCD producen algunos px aislados con alta corriente oscura que aparecen iluminados
• Ruido fotónico: debido a la naturaleza cuántica de la radiación. Aumenta en condiciones de baja iluminación
• Rebosamiento (blooming): cuando un pozo (=px) se llena de electrones, su contenido “rebosa y se desparrama” en los píxeles adyacentes
• Efectos “arco iris”: porque (en los CCD mosaico) el color de cada pixel depende de las señales de los píxeles adyacentes
Factores (electrónicos) que afectan a la calidad de la imagen
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Campo de estrellas: MENOR en cámaras de alta calidad.
SO
NY
DFW
500
QU
ICK
CA
M P
RO
Factores (electrónicos) que afectan a la calidad de la imagen (i)
Ruido fotónico Rebosamiento (blooming)
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Tecnología CMOS“Imaging System on a Chip”
CMOS Active Pixel Color Imaging ArrayDigital Logic for• User Interface• Sensor Setup• Timing Generator• Digital Signal
Processing–Color Processing–White Balance–Image Enhancement
• Data Output Formatting
Analog Signal Processing• Data Sampling• Noise Reduction• Gain Analog-To-Digital Conversion
CMOS (i)Otras Tecnologías
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CMOS (ii)Otras Tecnologías
Luz
CCD CMOSDetección luz diodo “buried” fotodiodoTecnología no estándar estándarConversión de carga a la salida en el pixelLectura transferencia de carga multiplexión en voltajeAlimentación y biasing múltiples única
ventajas:- menor tamaño, mayor - rapidez
inconvenientes: - menor resolución
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Sistemas de estabilización de imagen (o reducción de vibraciones)(vibration reduction, VR) en cámaras y dispositivos de registro de imágenes
Detección de movimientos: mediante acelerómetros 2D/3D
Mecanismos correctores:
i) Físicos (ópticos)– Desplazamiento de elementos
• lentes ↔ redirigir los rayos refractados• sensor ↔ movimiento (plano) del sensor
– Elementos deformables• “prisma de ángulo variable mediante fuelle”↔ refracción controlada
ii) Estabilización digital:- procesado software de datos en sensor
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Sistemas VR mediantedesplazamiento de lentes:
redirección de los rayos refractados
M. Fischetti: Estabilización de Imágenes, Investigación y Ciencia, diciembre 2006.
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Sistemas VR mediantedesplazamiento del sensor:
movimiento (plano) del sensor
M. Fischetti: Estabilización de Imágenes, Investigación y Ciencia, diciembre 2006.
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Sistemas VR mediante elementos deformables: prisma de ángulo variable (tipo fuelle)
M. Fischetti: Estabilización de Imágenes, Investigación y Ciencia, diciembre 2006.
Recordemos:
Prismas delgadosδ ≈ - (n-1) α
[2]
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Sistemas VR – Estabilización digital
M. Fischetti: Estabilización de Imágenes, Investigación y Ciencia, diciembre 2006.
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Nuevos desarrollos en Óptica: Lentes líquidas
Las lentes son líquidos entre electrodos → cambian su forma (↔ distancia focal) mediante la aplicación de campos eléctricos
Muy versátilesTamaño muy reducido
→ teléfonos móvilesAunque tecnología muy compleja → coste
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Cristal Líquido
Aplicaciones:• visores (displays) de relojes,
calculadoras,pantallas de ordenador / TV
• materiales “inteligentes”:• vidrios electrocrómicos: privacidad, …• vidrios termocrómicos: reducción refrigeración, …• lentes fotocrómicos
Aplicaciones
[De 11]
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Cristal Líquido
Aplicaciones
[De 12]
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Cristal Líquido
Aplicaciones
[12]
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Tecnología TFT LCD (i)
Pixel = 3 subpixeles:R + G + B cada uno con(controlado por un transistor TFT)
“interruptor” polarizador(modulador)
filtro de color
LCD
TFT LCD
Pantallas (i)
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Tecnología TFT LCD (ii)
Pantallas (i)
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Tecnología de Plasma
Ne + Xe → PLASMA → UVA → P → [R, G, B](gas) Pantallas (ii)
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ContrasteEfecto luz exterior
Más potenciaImagen estáticaFuncionamiento en altitud
INCONVENIENTES
CosteVersatilidad
Refresco rápidoContraste
VENTAJAS
PC’s, TV, displaysTV, pantallas públicas
Aplicaciones típicas
Filtros de colorFósforoTecnología de color
>20ms<20msVelocidades de conmutación
Contraluz externoLCD “Transmissive”
Interna (Tecnología “Emissive”)
Fuente Luminosa / Visión
2” – 28”32” – 61”Tamaño
H: ~160OV: < 90º
H: ~160O
V: ~90ºÁngulo de Visión
LCDPLASMAPantallas (iii)
Necesita iluminaciónposterior.
Permiten colorCristal líquido en matriz activa(TFT)
Pequeño ángulo de visión, bajo contraste.
Potencia mínima, pocopeso, bajo coste, excitación con luzambiente.
Cristal líquido(TWIST)
Complejidad estructuralelevada.
Muchos tamaños, matrizdireccionable.
Fluorescencia
Volumen, peso y profundidadelevados. Presentanproblemas con altaluminosidad
Muy bajo coste, granresolución y posibilidad de color
CRT
Baja eficiencia, elevadotamaño, peso y coste.
Diversidad de tamañosy aplicaciones, alto brillo y muyrobusto.
Plasma
CosteBuen ángulo de visión, alta calidadestética.
Electroluminiscencia
Coste de ensamblado en matrices grandes.
Matrices pequeñas, buenaluminosidad.
LED
LimitacionesVentajasTipo de display
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Videoproyección(i)
TecnologíaLCD
Transmisiva Reflectiva
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Videoproyección(ii)
Tecnología DLP (Digital Light Processing)Texas Instruments 1987
DMP + Filtros / Rueda decolores
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Videoproyección(iii)DMP
(Digital Micro Mirror)CMOS DDR SRAM chip:control electrostáticode la orientación de los microespejos
micro electro -mechanical system (MEMS)
© E.G.G. DFA III-ESI 2007/08UNIVERSIDAD DE SEVILLA382º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 5 – Fundamentos y aplicaciones …)
Videoproyección(iv)
Tecnología LCOS (Liquid Crystal ON Silicon)
Tecnología híbrida LCD – DLPLCD sobre DLP