tema 5 fundamentos y aplicaciones de tecnologías ópticas de imagen

32 Pages·2009·2.85 MB·Spanish

FFuunnddaammeennttooss ddee ÓÓppttiiccaa Apuntes de Óptica
Curso 2008/09
TTEEMMAA 55
FFUUNNDDAAMMEENNTTOOSS YY
AAPPLLIICCAACCIIOONNEESS DDEE
TTEECCNNOOLLOOGGÍÍAASS ÓÓPPTTIICCAASS
DDEE IIMMAAGGEENN
Prof. Dr. E. Gómez González
Departamento de Física Aplicada III
E.S.Ingenieros - Universidad de Sevilla
©©EE..GG..GG.. DDFFAA IIIIII--EESSII 22000088//0099
22ººIInngg.. TTeelleeccoomm.. CCAAMMPPOOSS EELLEECCTTRROOMMAAGGNNÉÉTTIICCOOSS ––ÓÓPPTTIICCAA ((TTEEMMAA 55 ––FFuunnddaammeennttooss yy aapplliiccaacciioonneess ……)) 1
UUNNIIVVEERRSSIIDDAADD DDEE SSEEVVIILLLLAA
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, asícomo 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.
asícomo los datos específicos de cada obra detallados en las Referencias indicadas entrecorchetes.
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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
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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).
Captura
- continua = video
- imagen estática = fotografía
Tipos de cámaras CCD
1. single-chip single-color CCD
2. single-chip three-color CCD
- CMOS: integra procesado en el sensor.
→ cámaras fotográficas
Más pequeño y rápido pero menor
resolución espacial. Prestaciones ya
3. filter wheel CCD
comparables pero mayor coste.
4. 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
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RESOLUCIÓN (del sensor)
[20]
(cid:190) Una medida: el número de píxeles del sensor en cada
dimensión (a, b) y en total: N = a·b (cid:190) Otra medida: número
de pares de líneas por
Es una medida insuficiente: depende del tamaño del sensor (!)
unidad de longitud (del
(cid:190) tamaño (lado) del pixel = lado sensor / número de pixeles lado) del sensor
(cid:190) el tamaño físico del px
(cid:190) Teniendo en cuenta el disco de Airy, el número máximo de
debe estar ajustado al
pixeles en el sensor es a⋅b a⋅b
disco de Airy (determinado
N = =
max p2 (1.22λ f/#)2 por la lente)
(cid:190) la resolución del
(cid:190) La resolución óptica (capacidad de discernimiento) en el espacio
sensor no es la misma en
objeto se puede expresar de forma lineal o angular (Tema 1)
sus 2 dimensiones: se
Recordemos que para imagen luminosa, interesa f/# pequeño (!!)
toma la media
↔ objetivo de gran abertura ↔ sistema óptico de calidad
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CONTRASTE I − I
C = max min ⋅100
I + I
max 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).
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Función de Transferencia de Modulación de un sistema
completo (lente + CCD): producto de las funciones de ambos
[20]
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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 = 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.
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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 1/100.000 s
– Tamaños muy variables: posible miniaturización
Intestino
Sensor y 0.10 USD Pill Cameray 0.25 USD
1-chip monocromo 1-chip color
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2. Single-Chip three-color CCD
- 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
¿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
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