TEMA 5 FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE TECNOLOGÍAS ÓPTICAS DE IMAGEN

Transcripción

1 Fundamentos de Óptica Curso 2010/11 TEMA 5 FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE TECNOLOGÍAS ÓPTICAS DE IMAGEN Prof. Dr. E. Gómez González Departamento de Física Aplicada III E.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 1

2 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 Estos Fundamentos de Óptica han sido específicamente adaptados como Apuntes para el Curso de Óptica que imparte el autor en 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. Propiedad Intelectual Estos 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 así como los datos específicos de cada obra detallados en las Referencias indicadas entre corchetes. 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 2

3 Cámara digital: esquema general de tareas y componentes Captura de imagen Cámara electrónic a Conversión A/D Almacenamiento temporal Tratamiento señal Tarjeta de video Transferencia imagen Procesado imagen Almacenamiento Red Ordenador principal Evolución Cámara digital Tarjeta de video Ordenador principal Cámara digital Módulo/tarjeta procesador de imágenes Ordenador principal óptica Sensor de estado sólido Cámara integrada en un chip Ordenador principal Amplificador Convertidor A/D Características salidas: analógica (video) y digital (ficheros de imagen/video) límites de velocidad de lectura y almacenamiento restringen la combinación de [resolución + velocidad] 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 Tratamiento de señal Procesador de imagen Salida digital Tratamiento de señal Convertidor D/A Salida analógica 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 3

4 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 (pero límite de velocidad). CMOS: integra procesado en el sensor. Más pequeño y rápido pero menor resolución espacial. Prestaciones ya comparables con CCD pero mayor coste. Captura continua = video imagen estática = fotografía 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) mm d (2/3) mm 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 4

5 RESOLUCIÓN (del sensor) [20] Medidas: 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 (!) el tamaño (lado) del pixel. Se obtiene como lado sensor / número de pixeles el número de pares de líneas por unidad de longitud (del lado) del sensor Consideraciones: la resolución óptica (capacidad de discernimiento) en el espacio objeto se expresa de forma lineal o angular (Tema 1) la resolución del sensor no es la misma en sus 2 dimensiones: se toma la media el tamaño físico del px debe estar ajustado al disco de Airy (determinado por la lente) ab ab N = = si el disco de Airy tiene un diámetro p, el número máximo de pixeles en el sensor es max 2 p 1.22λ f/# 2 Recordemos que para obtener imagen luminosa, interesa f/# pequeño (!!) objetivo de gran abertura sistema óptico de calidad ( ) 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 5

6 CONTRASTE I I = 100 max min C I max + I min [20] [19] Función de Transferencia de Modulación (Modulation Transfer Function, MTF): describe cómo cambia el contraste según la resolución (en el espacio objeto o en el espacio imagen). 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 6

7 Función de Transferencia de Modulación de un sistema completo (lente + CCD): producto de las funciones de ambos [20] 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 7

8 AUMENTO de un sistema (cámara + monitor) MS 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 = 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. 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 8

9 Cámaras Fotográficas Tipos principales: compactas, réflex e intermedias Componentes y sistemas Objetivo: 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, FOV Objetivo 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 9 Ocular Sensor Pantalla LCD 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 Pentaprisma Objetivo FOV Reflex (single lens reflex, SLR): Espejo abatible - objetivos intercambiables: óptimos para cada aplicación - mayor diámetro ( mayor luminosidad), peso y coste - campos de visión del ocular y sensor coinciden (prisma y espejo abatible) Ocular Sensor Pantalla LCD

10 Cámaras de Video (basadas en CCD) 1. Single-Chip Single-Color CCD 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/ s Tamaños muy variables: posible miniaturización Tipos principales: 1. single chip single color CCD 2. single chip three color CCD más comunes 3. filter wheel color CCD 4. three chip color CCD máxima calidad Sensor y 0.10 USD Pill Camera y 0.25 USD Intestino 1-chip monocromo 1-chip color 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 10

11 - Es la tecnología más usada. Se obtiene imagen en color agrupando pixeles individuales, cada uno de los cuales recibe 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 2. Single-Chip three-color CCD por qué hay el doble de detectores verdes que azules y rojos? Novedad: microlentes para incrementar el nº de fotones que llegan al semiconductor Capa de microlentes Capa de filtros Capa metálica opaca Fotodiodo Substrato de Si 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 11

12 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 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 12

13 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 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 13

14 Factores (electrónicos) que afectan a la calidad de la imagen 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 CE SONY DFW500 QUICKCAM PRO RFT BL AI 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 14

15 Sistemas de medida y enfoque Compacta Reflex Enfoque - foco fijo - autofoco: - activo: eco, triangulación - manual - autofoco: - activo: eco, seguimiento ocular - pasivo: sensor lineal R. White: How digital photography works, Que, Medida exposición - independiente de la lente - through-the-lens (TTL) 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 15

16 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 R. White: How digital photography works, Que, 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 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 16

17 Sistemas de estabilización de imagen (reducción de vibraciones) (vibration reduction, VR) en cámaras y dispositivos de registro de imágenes Detección de movimientos: mediante acelerómetros 2D/3D Mecanismos correctores reductores de vibraciones 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 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 17

18 Sistemas VR mediante desplazamiento de lentes: redirección de los rayos refractados M. Fischetti: Estabilización de Imágenes, Investigación y Ciencia, diciembre º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 18

19 Sistemas VR mediante desplazamiento del sensor: movimiento (plano) del sensor M. Fischetti: Estabilización de Imágenes, Investigación y Ciencia, diciembre º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 19

20 Sistemas VR mediante elementos deformables: prisma de ángulo variable (tipo fuelle) Recordemos: [2] Prismas delgados δ - (n-1) α M. Fischetti: Estabilización de Imágenes, Investigación y Ciencia, diciembre º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 20

21 Cálculo del tiempo de exposición para registrar un objeto en movimiento Un patinador se desliza delante de una cámara fotográfica con una velocidad v = 10 m/s. Estimar el tiempo máximo posible de exposición si la borrosidad máxima admisible en la imagen es B = 0.2 mm. La distancia focal del objetivo es f = 100 mm. El patinador pasa en dirección perpendicular al eje óptico de la cámara, a una distancia d = 5 m. Sol.: el tamaño máximo del punto borroso (B ) es la imagen de la distancia (B) recorrida por un punto objeto durante el periodo de exposición ( t). la distancia objeto es s = d, y la distancia imagen s = f (distancia de la lente al plano del sensor) como el aumento (m) de la lente está dado por ' ' ' ' ' m= s = B = B Δ t = B s = B d s B vδt v s' v f Estimación de la capacidad de resolución Un satélite tiene una cámara con un sensor de resolución r = 0.01 mm y un objetivo de distancia focal f = 100 mm. Cuál es el límite de estructuras que puede resolver (tamaño mínimo que distingue) sobre la superficie de la tierra? Estimar el tiempo de exposición adecuado para obtener el máximo rendimiento del sistema. Sol.: t Durante el periodo de exposición ( t), el satélite se desplaza un ángulo α dado por α = 2π Δ T siendo T el período de revolución del satélite alrededor de la tierra y R el radio de la tierra. Como consecuencia de ese movimiento, la imagen de un punto tendrá una borrosidad B = L = α f. Así, el máximo rendimiento se obtiene si este L no llega a superar el límite r. r Las estructuras q se pueden resolver son mucho menores que α R = R f N.I.Goldfarb: Physics Problems and questions, MIR º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 21 T 2π R g

22 Dispositivos de Cristal Líquido - pantallas (displays): LCD - ventanas, lentes, [De 11] 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 22

23 Ventanas electrocrómicas Ventanas de transmisividad variable [De 12] 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 23

24 Pantallas TFT-LCD Constan 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. 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 24

25 Pantallas de Plasma Constan 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. 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 25

26 Ángulo de Visión PLASMA H: ~160 O H: ~160O V: ~90 º V: < 90º Tamaño Fuente Luminosa / Visión Velocidades de conmutación Interna (Tecnología Emissive ) <20ms LCD Contraluz externo LCD Transmissive >20ms Tecnología de color Fósforo Filtros de color VENTAJAS INCONVENIENTES Aplicaciones típicas Refresco rápido Contraste Más potencia Imagen estática Funcionamiento en altitud TV, pantallas públicas Coste Versatilidad Contraste Efecto luz exterior PC s, TV, displays Tipo de pantalla Ventajas Limitaciones LED Electro- Luminiscencia Plasma CRT Características comparadas de las distintas pantallas Fluorescencia Cristal líquido (TWIST) Cristal líquido en matriz activa (TFT) Matrices pequeñas, buena luminosidad. Buen ángulo de visión, alta calidad estética. Diversidad de tamaños y aplicaciones, alto brillo y muy robusto. Muy bajo coste, gran resolución y posibilidad de color Muchos tamaños, matriz direccionable. Potencia mínima, poco peso, bajo coste, excitación con luz ambiente. Permiten color Coste de ensamblado en matrices grandes. Coste Baja eficiencia, elevado tamaño, peso y coste. Volumen, peso y profundidad elevados. Presentan problemas con alta luminosidad Complejidad estructural elevada. Pequeño ángulo de visión, bajo contraste. Necesita iluminación posterior. 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 26

27 Proyectores LCD 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 Modulación transmisiva Modulación reflectiva 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 27

28 Tecnología de Microespejos (Digital Micro Mirror, DLP) es una tecnología del tipo micro electro mechanical system (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 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 28

29 Tecnología DLP (Digital Light Processing) Texas Instruments 1987 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 Microespejos 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 29

30 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 2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS ÓPTICA (TEMA 5 Fundamentos y aplicaciones ) 30