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© E.G.G. DFA III-ESI 2010/11UNIVERSIDAD DE SEVILLA2º Ing. Telecom. CAMPOS ELECTROMAGNÉTICOS – ÓPTICA (TEMA 5 – Fundamentos y aplicaciones …) 1

TEMA 5TEMA 5FUNDAMENTOS Y FUNDAMENTOS Y APLICACIONES DE APLICACIONES DE TECNOLOGTECNOLOGÍÍAS AS ÓÓPTICASPTICASDE IMAGEN DE IMAGEN

© E.G.G. DFA III-ESI 2010/11

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 2010/11Fundamentos 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.


Cámara digital: esquema general de tareas y componentes

óptica

Sensor de estado sólido

Amplificador

Convertidor A/D

Tratamiento de señal

Procesador de imagen

Salida digital

Tratamiento de señal

Convertidor D/A

Salida analógica

Cámara electrónic

aTarjeta de video Ordenador principal

Cámara digital Tarjeta de video Ordenador principal

Cámara digital Módulo/tarjeta procesador de imágenesOrdenador principal

Cámara integrada en un chipOrdenador principal

Captura de imagen

Conversión A/D

Almacenamiento temporal

Tratamientoseñal

Transferencia imagen

Procesado imagen

Almacenamiento Red

Evol

ució

n

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


Tecnologías de sensores:

‐ formato 4:3‐ respuesta espectral: necesitamos filtro IRpara 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)” ≈ 0.37” ≈ 9.40 mm → d ≈ (2/3)·9.40 ≈ 6.3 mm


Medidas: • el número de píxeles del sensor en cada dimensión (a, b) y en total: N = a∙bEs 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) • si el disco de Airy tiene un diámetro p, 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 obtener imagen luminosa, interesa f/# pequeño (!!) ↔ objetivo de gran abertura ↔ sistema óptico de calidad


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.


Cámaras FotográficasComponentes 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, …

Ocular

ObjetivoSensor

PantallaLCD

FOV

Tipos principales: compactas, réflex e intermedias

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 diámetro (→mayor luminosidad), peso y coste- campos de visión del ocular y sensor coinciden (prisma y espejo abatible)

Pentaprisma Ocular

Objetivo

SensorEspejo abatible

PantallaLCD

FOV


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

Tipos principales: 1. single‐chip single‐color CCD2. single‐chip three‐color CCD →más comunes3. filter wheel color CCD4. three‐chip color CCD→máxima calidad

Cámaras de Video(basadas en CCD)


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


Sistemas de medida y enfoque

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

Compacta Reflex

Enfoque - foco fijo- autofoco:

- activo: eco, triangulación

- manual- autofoco:

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

Medida exposición - “independiente”de la lente

- through-the-lens (TTL)


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 (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]


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 ' ' ' ' '

's B B B s B dm ts B v t v s v f

= = = → Δ = =Δ

Estimación de la capacidad de resoluciónUn 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 eltiempo de exposición adecuado para obtener el máximo rendimiento del sistema.

Sol.: • Durante el periodo de exposición (∆t), el satélite se desplaza un ángulo α dado por 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.

→ Las estructuras q se pueden resolver son mucho menores que

2 tT

α π Δ=

2 RTg

π

rR Rf

α =

N.I.Goldfarb: Physics Problems and questions, MIR 1990.


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

[De 11]


[De 12]

Ventanas electrocrómicas

Ventanas de transmisividad variable


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.


PLASMA LCD

Ángulo de Visión H: ~160O

V: ~90ºH: ~160OV: < 90º

Tamaño 32” – 61” 2” – 28”

Fuente Luminosa / Visión

Interna (Tecnología “Emissive”)

Contraluz externoLCD “Transmissive”

Velocidades de conmutación

<20ms >20ms

Tecnología de color Fósforo Filtros de color

VENTAJAS Refresco rápidoContraste

CosteVersatilidad

INCONVENIENTES Más potenciaImagen estáticaFuncionamiento en altitud

ContrasteEfecto luz exterior

Aplicaciones típicas TV, pantallas públicas

PC’s, TV, displays

Tipo de pantalla Ventajas Limitaciones

LED Matrices pequeñas, buena luminosidad.

Coste de ensamblado en matrices grandes.

Electro-Luminiscencia

Buen ángulo de visión, alta calidad estética.

Coste

Plasma Diversidad de tamaños y aplicaciones, alto brillo y muy robusto.

Baja eficiencia, elevado tamaño, peso y coste.

CRT Muy bajo coste, gran resolución y posibilidad de color

Volumen, peso y profundidad elevados. Presentan problemas con alta luminosidad

Fluorescencia Muchos tamaños, matriz direccionable.

Complejidad estructural elevada.

Cristal líquido (TWIST)

Potencia mínima, poco peso, bajo coste, excitación con luz ambiente.

Pequeño ángulo de visión, bajo contraste.

Cristal líquido en matriz activa (TFT)

Permiten color Necesita iluminación posterior.

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 ‐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


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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