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© E.G.G. DFA III-ESI 2008/09UNIVERSIDAD 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 2008/09

UNIVERSIDAD 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 2008/09Apuntes de ÓpticaFundamentos de Fundamentos de ÓÓpticaptica


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, Microespejos 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.


Cámaras digitales: - salidas analógica y digital- límites de velocidad de lectura y almacenamiento restringen la combinación de [resolución + velocidad]

- desarrollo hacia integración de cámara + chip- avances “recientes”

- microlentes esféricas sobre pixeles del sensor (→ aumento de la sensibilidad)

- lentes telecéntricas (→ reducir distorsiones de paralaje)- reducción de vibraciones (→ permitir exposiciones rápidas con

poca luz)- lentes líquidas (→ miniaturización)

Esquema general


Tecnologías de sensores:- formato 4:3- respuesta espectral: necesitamos filtro IR

para evitar doble imagen (VIS + IR)

- CCD: más común. Cada pixel es un condensador elemental. Diversas arquitecturas de lectura de la señal de cada pixel (límite de velocidad).

- CMOS: integra procesado en el sensor. Más pequeño y rápido pero menor resolución espacial. Prestaciones ya comparables pero mayor coste.

Captura- continua = video- imagen estática = fotografía

Tipos de cámaras CCD1. single-chip single-color CCD2. single-chip three-color CCD

→ cámaras fotográficas

3. filter wheel CCD4. three-chip color CCD

Tamaño del sensor CCD- expresado frecuentemente en pulgadas (1” = 2.54 cm)- el valor de la diagonal (d) del sensor representa aprox. 2/3 del diámetro (D) del círculo en el que se inscribe.

Ej: Sensor de 1/2.7” → D = (1/2.7)” ≈ 0.37” ≈ 9.40 mm → d ≈ (2/3)·9.40 ≈ 6.3 mm


Una medida: el número de píxeles del sensor en cada dimensión (a, b) y en total: N = a·b

Es una medida insuficiente: depende del tamaño del sensor (!)

tamaño (lado) del pixel = lado sensor / número de pixeles

Teniendo en cuenta el disco de Airy, el número máximo de pixeles en el sensor es

RESOLUCIÓN (del sensor)

[20]

( )max 22 1.22 f/#a b a bNp λ⋅ ⋅

= =

Recordemos que para imagen luminosa, interesa f/# pequeño (!!) ↔ objetivo de gran abertura ↔ sistema óptico de calidad

La resolución óptica (capacidad de discernimiento) en el espacio objeto se puede expresar de forma lineal o angular (Tema 1)

Otra medida: número de pares de líneas por unidad de longitud (del lado) del sensor

el tamaño físico del pxdebe estar ajustado al disco de Airy (determinado por la lente)

la resolución del sensor no es la misma en sus 2 dimensiones: se toma la media


Función de Transferencia de Modulación(Modulation Transfer Function, MTF): describe cómocambia el contraste según la resolución (en el espacio objeto o en el espacio imagen).

max min

max min

100I ICI I

−= ⋅

+

[19]

[20]

CONTRASTE


Función de Transferencia de Modulación de un sistema completo (lente + CCD): producto de las funciones de ambos

[20]


MS

AUMENTO de un sistema (cámara + monitor)

1. Aumento de la cámara (aumento primario, PMAG):(lente + sensor de tamaño SS) PMAG = SS / FOV

2. Monitor (de tamaño = MS, diagonal) corresponde a (MS/SS)3. Aumento del Sistema Completo: SysMAG = PMAG x (MS / SS)

Óptica:- la distancia focal solo se puede analizar si la convertimos a su “equivalente 35mm” mediante el “factor de multiplicación focal” correspondiente al sensor (Tema 1)

- factor zoom: es el cociente entre las distancias focales máxima y mínima. Se expresa como “ AA x”. ¡ojo! No confundir con el aumento de una lente, expresado de la misma manera.Ej: Una cámara tiene un rango de distancias focales f = 37-185 mm ↔ zoom de (185/37) = 5 x

El zoom óptico produce aumento real de la imagen formada. El zoom digital aumenta una zona de la imagen incrementando el número de pixeles de la misma e interpolando sus valores, no siendo un aumento real.


Imagen monocroma pero, dependiendo del tamaño del CCD,tienen muy 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 monocromo 1-chip color

1. Single-Chip Single-Color CCD

Pill Camera y 0.25 USD IntestinoSensor y 0.10 USD


Capa de microlentes

Capa de filtros

Capa metálica opaca

Fotodiodo

Substrato de Si

Novedad: microlentes para incrementarel nº de fotones que llegan al semiconductor

2. Single-Chip three-color CCD- Es la tecnología más usada. Se obtiene imagen en coloragrupando pixeles individuales, cada uno de los cualesrecibe una componente espectral (R, G, B) filtrada.

- La agrupación se realiza mediante una red de Bayer- La resolución de la imagen es inferior al número de pixeles

¿por qué hay el doble de detectores verdes que azules y rojos?


3. Filter-wheel color CCD - usa un único sensor y una rueda de filtros con los 3 colores básicos (RGB) que gira a muy alta velocidad

- aprovecha al máximo la resolución espacial del sensor- tamaño y peso reducido (muy utilizada en satélites, …)- registra las imágenes en los 3 colores secuencialmente → límite en la rapidez del objeto registrado

- posibles problemas en motor y engranajes


4. Three-chip color CCD

• Máxima calidad: hay un CCD completo para cada color básico (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


• 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 (CE): imperfecciones en el CCD producen algunos px aislados con alta corriente oscura que aparecen iluminados

• Ruido fotónico (RFT): debido a la naturaleza cuántica de la radiación. Aumenta en condiciones de baja iluminación

• Rebosamiento (blooming, BL): cuando un pozo (=px) se llena de electrones, su contenido “rebosa y se desparrama” en los píxeles adyacentes

• Efectos “arco iris” (AI): 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

SO

NY

DFW

500

QU

ICK

CA

M P

RO

RFT

BL AI

CE


Lentes telecéntricas: corrigen el error de paralaje(debido a la perspectiva) en una parte del FOV

Lente normal

imagen

objeto

Lentetelecéntrica

Ventajas– Coste– Disponibilidad– Flexibilidad

Inconvenientes– Cambio del aumento con la

distancia– Error paralaje

Uso– Objetos grandes

– Aumento independiente de cambios en distancia

– Sin error paralaje

– Coste– Diámetro / Peso

– Visión industrial y procesado– Metrología, Microlitografía

Lentes Convencionales Telecéntricas

Con lente normal Con lente telecéntrica

[20]

Ej.: inspección de piezas en fabricación


Cámaras Fotográficas digitales

Componentes y sistemasObjetivo: sistema de lentes que proyecta el

(FOV del) espacio objeto en el plano del sensor (plano imagen)

Ocular / Visor / Pantalla (LCD): sistema que permite al usuario ver la imagen captada

Sistemas de medida y control de la exposición:- diafragma: delimita cono de entrada de luz- obturador: delimita el tiempo de entrada de luz- balance de blancos

Sistema de enfoque (autofoco)

Sistema de registro y almacenamiento de la exposición (imagen):- película: mecanismo de arrastre y rebobinado- sensor (CCD, CMOS, …): sistemas de lectura,

transferencia/buffer y almacenamiento (tarjeta)

Otros: flash, sistema VR, comunicaciones, …

Ocular

ObjetivoSensor

PantallaLCD

FOV

Tipos principales

Compactas:- menor tamaño, peso y coste- campos de visión del ocular y sensor se superponen solo parcialmente (recuadro en visor)- objetivo fijo, suele ser zoom: de gran angular a tele corto

Reflex (single lens reflex, SLR):- objetivos intercambiables: óptimos para cada aplicación- mayor tamaño (→mayor luminosidad), peso y coste- campos de visión del ocular y sensor coinciden (uso de prisma y espejo abatible)

Pentaprisma Ocular

Objetivo

SensorEspejo abatible

PantallaLCD

FOV


Sistemas de medida y enfoque

R. White: How digital photography works, Que, 2007.

- through-the-lens (TTL)- “independiente”de la lente

Medida exposición

Enfoque - manual- autofoco:

- activo: eco, seguimiento ocular- pasivo: sensor lineal

- foco fijo- autofoco:

- activo: eco, triangulación

ReflexCompacta


R. White: How digital photography works, Que, 2007.

Obturador- regula el tiempo de exposición- situado delante del sensor- consta de 1 o 2 cortinillas (anterior y posterior)de finas láminas metálicas

- activación mediante electroimanes

Motores de enfoque- controlados por el autofoco- constan de “piezo bender” (2 láminas de PZT)

+ banda flexible adherida a la lente (rotor)- 2 tensiones AC ligeramente desfasadas producen

la onda que desplaza el rotor

Generador ultrasónico de limpieza- entre el obturador y el sensor puede haber un filtro óptico transparente que impide que el polvo llegue al sensor. - para limpiarlo, un generador de ultrasonidos lo hace vibrar a unos 350 kHz durante 1.5 s- la suciedad cae sobre una superficie adherente recambiable


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/3DMecanismos correctores ↔ reductores de vibracionesi) físicos (ópticos)– Desplazamiento de elementos

• lentes ↔ redirigir los rayos refractados• sensor ↔ movimiento (plano) del sensor

– Elementos deformables• “prisma de ángulo

variable mediantefuelle”↔ refracción

controlada

ii) estabilización digital:- procesado software

de datos en sensor


Sistemas VR mediantedesplazamiento de lentes:

redirección de los rayos refractados

M. Fischetti: Estabilización de Imágenes, Investigación y Ciencia, diciembre 2006.


Sistemas VR mediantedesplazamiento del sensor:

movimiento (plano) del sensor



Sistemas VR mediante elementos deformables: prisma de ángulo variable (tipo fuelle)


Recordemos:

Prismas delgadosδ ≈ - (n-1) α

[2]


Nuevos desarrollos: Lentes líquidas

• las lentes son líquidos entre electrodos • cambian su forma (↔ distancia focal)

mediante la aplicación de campos eléctricos

• muy versátiles• tamaño muy reducido

→ teléfonos móviles• tecnología muy compleja• coste aún alto

lente divergente lente convergente


Dispositivos deCristal Líquido- pantallas (displays): LCD- ventanas, lentes, …

[De 11]


[De 12]

Ventanas electrocrómicas


Ventanas de transmisividad variable

[12]


Pantallas TFT-LCDConstan de una matriz de pixeles LCD cuya transmisividad es controlada por un transistor TFT. La luz procede de una fuente trasera (retroiluminación) de luz blanca. Sobre cada pixel hay un filtro de color R, G o B. Agrupaciones de pixeles con cada color básico forman los “pixeles efectivos” de la pantalla. Diversas geometrías de agrupación de los pixeles individuales proporcionan distintas calidades de imagen.


Pantallas de PlasmaConstan de un conjunto de celdas. En cada una hay una mezcla de gases (Ne, Xe) que se lleva al estado de plasma, emitiendo luz UV. Cuando la radiación UV incide sobre el recubrimiento (interior) fosforescente de la celda, produce la emisión de luz azul, roja o verde (según el recubrimiento). Mediante el control del plasma se modula la intensidad de la luz emitida por cada celda. Agrupaciones de 3 celdas forman cada “pixel efectivo” de la pantalla.

Al tener un gas a presión, pueden no funcionar bien a grandes alturas.


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

LCDPLASMA

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.

Electro-Luminiscencia

Coste de ensamblado en matrices grandes.

Matrices pequeñas, buenaluminosidad.

LED

LimitacionesVentajasTipo de pantalla

Características comparadas de las distintas pantallas


Modulación transmisiva Modulación reflectiva

- mediante espejos dicroicos se separan las componentes RGB de la fuente- cada componente es modulada (por reflexión o transmisión) por un LCD, en el que la orientación de las moléculas se controla en cada punto

Proyectores LCD


Tecnología de Microespejos (Digital Micro Mirror, DLP)- es una tecnología del tipo micro electro -mechanicalsystem (MEMS)- mediante un chip CMOS DDR SRAM se consigue (modula) el control electrostático de la orientación de microespejos- la orientación de los espejos redirige la luz incidente sobre ellos


Tecnología DLP (Digital Light Processing)Texas Instruments 1987

Proyección mediante Microespejos

- mediante modulación de la posición de los microespejos se controla la intensidad de la luz en cada punto- un chip de microespejos para cada componente RGB


Proyección mediante tecnología LCOS (Liquid Crystal ON Silicon)

- Tecnología híbrida mediante LCD(LCD sobre CMOS/DLP)

- se separan las componentes espectrales RGB mediante espejos dicroicos y cada una incide sobre un LCOS

- una vez moduladas, se recombinan mediante prismas

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