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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


Prof. Dr. E. Gómez GonzálezDepartamento de Física Aplicada IIIE.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla

Curso 2007/08Apuntes 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, 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.


Captación analógica: cámaras de videoSensor tipo “TUBO VIDICON”

[17]

[8]

Visualización:monitor monocromo

Señal registrada

Señal moduladora


Visualización en monitor de tubo de rayos catódicos (TRC)(cathodic ray tube, CRT)

[8]

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.


Captación digital: cámaras CCD[1]

Formato tamaño: 4:3 (H:V)

Importancia del filtro IR:aberración cromática → doble imagen: VIS + IR


SYSTEM MAGNIFICATION (efecto del SISTEMA COMPLETO)

SysMAG = PMAG x (MS / SS) MS

AUMENTO DEL SISTEMA (SySMAG)

PMAG = SS / FOV

(efecto de la lente)


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

[20]

[20]

[20]


RESOLUCIÓN (ii)


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


¿cómo determinar la cámara / sensor necesario parauna aplicación específica?RESOLUCIÓN (iv)


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


CONTRASTE (ii)


Función de Transferenciade Modulación(Modulation Transfer Function, MTF)

max min

max min

100I ICI I

−= ⋅

+

[19]

[19]

[20]


CONTRASTE (iii)

Parámetros básicosFunción de Transferenciade Modulación del sistema completo (lente + CCD)

es el producto de las funciones

[20]


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

[20]


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

[20]

Ej.: inspección de piezas en fabricación


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


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?


Tipos de Cámaras CCD: 3. Filter-wheel color CCD


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


• 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


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)


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


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


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


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]


Sistemas VR – Estabilización digital



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


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]


Cristal Líquido

Aplicaciones

[De 12]


Cristal Líquido

Aplicaciones

[12]


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)


Tecnología TFT LCD (ii)

Pantallas (i)


Tecnología de Plasma

Ne + Xe → PLASMA → UVA → P → [R, G, B](gas) Pantallas (ii)


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


Videoproyección(i)

TecnologíaLCD

Transmisiva Reflectiva


Videoproyección(ii)

Tecnología DLP (Digital Light Processing)Texas Instruments 1987

DMP + Filtros / Rueda decolores


Videoproyección(iii)DMP

(Digital Micro Mirror)CMOS DDR SRAM chip:control electrostáticode la orientación de los microespejos

micro electro -mechanical system (MEMS)


Videoproyección(iv)

Tecnología LCOS (Liquid Crystal ON Silicon)

Tecnología híbrida LCD – DLPLCD sobre DLP

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