aberraciones en los sistemas ópticos
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DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA JOSÉ JUAN ESTEVE, DOCTOR EN FÍSICA RESPONSABLE DE PROYECTOS AIDO, INSTITUTO TECNOLOGICO DE ÓPTICA, COLOR E IMAGEN DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen CONTENIDOS • Introducción • Sistemas catadióptricos para visión artificial • Aberraciones en los sistemas ópticos • Más allá del visible: visión hiperespectral DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen CONTENIDOS • Introducción • Sistemas catadióptricos para visión artificial • Aberraciones en los sistemas ópticos • Más allá del visible: visión hiperespectral DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen INTRODUCCIÓN • SISTEMA ÓPTICO: superficies que separan medios de distintos índices de refracción. Índice de refracción: caracteriza a los medios donde la luz se propaga en función de su velocidad. c n= >1 v DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen INTRODUCCIÓN Ley de la refracción de Snell, cuando la luz pasa de un medio a otro: n sin ε = n' sin ε ' Relación entre los ángulos y los índices de refracción. Los ángulos se miden con respecto a la normal a la superficie en el punto de incidencia. DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen INTRODUCCIÓN DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen INTRODUCCIÓN LENTE: Cuerpo semitransparente limitado por dos superficies con una cierta curvatura. R2 R1 Cuando la distancia entre estas dos superficies sea mucho menor que sus correspondientes radios de curvatura, se tratará de una lente delgada. Sistema óptico: lentes + espejos DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen INTRODUCCIÓN Los sistemas ópticos pueden clasificarse en: - Dióptricos, si están formados sólo por superficies refractantes (lentes). - Catóptricos, si lo están sólo por espejos. - Catadióptricos, si están formados por lentes y espejos, con el fin de mejorar la calidad de la imagen. DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen INTRODUCCIÓN • SISTEMAS DIÓPTRICOS: formados sólo por lentes. Algunos ejemplos: Objetivo fotográfico SVH DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen INTRODUCCIÓN • SISTEMAS CATÓPTRICOS: formados sólo por espejos. Algunos ejemplos: Espejo de seguridad Periscopio DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen INTRODUCCIÓN • SISTEMAS CATADIÓPTRICOS: formados por lentes y espejos. Ejemplo: Telescopio Schmidt-Cassegrain DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen CONTENIDOS • Introducción • Sistemas catadióptricos para visión artificial • Aberraciones en los sistemas ópticos • Más allá del visible: visión hiperespectral DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen SISTEMAS CATADIÓPTRICOS PARA VISIÓN ARTIFICIAL • El diseño más elemental: espejo plano + objetivo Control de calidad por visión artificial: - Junta de sellado de relé bien depositada (visible con iluminación UV) - Pines perpendiculares a la superficie DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen SISTEMAS CATADIÓPTRICOS PARA VISIÓN ARTIFICIAL • El diseño más elemental: espejo plano + objetivo Control de calidad por visión artificial: - Junta de sellado de relé bien depositada (visible con iluminación UV) - Pines perpendiculares a la superficie Sin UV: Con UV: DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen SISTEMAS CATADIÓPTRICOS PARA VISIÓN ARTIFICIAL • El diseño más elemental: espejo plano + objetivo Opción A: - cámara cenital para control de sellado - cámara lateral para control de pines Duplicamos HW innecesariamente: - Solución más cara - Menos compacta - Requiere mayor mantenimiento DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen SISTEMAS CATADIÓPTRICOS PARA VISIÓN ARTIFICIAL • El diseño más elemental: espejo plano + objetivo Opción B: - una única cámara cenital - espejo plano + objetivo (sistema catadióptrico) Empleamos el HW necesario: - Solución mucho más barata - Más compacta - Requiere menor mantenimiento DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen SISTEMAS CATADIÓPTRICOS PARA VISIÓN ARTIFICIAL • Soluciones comerciales: ópticas polyview - Permiten múltiples vistas reduciendo al máximo el HW empleado DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen SISTEMAS CATADIÓPTRICOS PARA VISIÓN ARTIFICIAL • Soluciones comerciales: ópticas polyview - Permiten múltiples vistas laterales (90°) reduciendo al máximo el HW - Dos tipos de iluminación: directa y backlight DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen SISTEMAS CATADIÓPTRICOS PARA VISIÓN ARTIFICIAL • Soluciones comerciales: sondas boroscópicas - Sistemas catadióptricos para inspección de cavidades desde el interior DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen CONTENIDOS • Introducción • Sistemas catadióptricos para visión artificial • Aberraciones en los sistemas ópticos • Más allá del visible: visión hiperespectral DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Al tratar la teoría de los sistemas ópticos (óptica geométrica), en primera aproximación se trabaja con la solución paraxial. Se consideran sistemas ópticos perfectos que no introducen efectos asociados a su grosor, a sus radios de curvatura o a su composición: - las lentes son siempre delgadas. - los rayos de luz son paraxiales (cercanos al eje). - la luz es monocromática. En la práctica no se cumplen estas condiciones, por lo que la formación de las imágenes no se ajusta totalmente a la teoría, y es entonces cuando aparecen las aberraciones (defectos en las imágenes). Las aberraciones afectan enormemente a la metrología en visión artificial. Las aberraciones no se deben a defectos de construcción, sino que son una consecuencia directa de las leyes de la refracción-reflexión de la luz cuando las aproximaciones de la óptica geométrica no son válidas. DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Las aberraciones más importantes se pueden clasificar en: - Aberraciones de punto (la imagen de un punto se encuentra en la posición predicha por la aproximación paraxial, pero no es un punto): Aberración esférica Coma Astigmatismo - Aberraciones de forma (la imagen de un punto es un punto, pero su posición es distinta a la predicha dentro de la aproximación paraxial): Distorsión Curvatura de campo - Aberraciones cromáticas (el comportamiento depende de la longitud de onda de la luz) DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Aberración esférica: Corrección: objetivos asféricos. Se reduce cerrando el diafragma DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Coma: afecta con puntos fuera de eje, objetos extensos, sistemas descentrados y aperturas grandes Corrección: objetivos aplanáticos (sólo para determinados puntos; también corrigen aberración esférica) DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Astigmatismo: La consecuencia del astigmatismo NO es que veamos las imágenes alargadas o ensanchadas, sino que no podemos enfocar simultáneamente líneas verticales y horizontales. Corrección: objetivos anastigmáticos DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Astigmatismo: DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Distorsión: La distorsión de barril es muy importante en objetivos gran angular y objetivos de ojo de pez que se utilizan en visión artificial. Corrección: objetivos ortoscópicos. También es posible la corrección de la imagen por SW DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Distorsión: DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Distorsión: DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Curvatura de campo: Corrección: objetivos aplanáticos (coma + esférica) Para proyección: pantallas curvadas DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Principio de Scheimpflug: Regla geométrica que relaciona la orientación del plano de enfoque de un sistema óptico cuando la lente no es paralela al plano imagen. DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Principio de Scheimpflug: Corrección: objetivos tilt-shift DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Principio de Scheimpflug: Corrección: objetivos tilt-shift DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Aberraciones cromáticas: Los dos tipos de aberración cromática producen “bordes coloreados”: AXIAL: se da en toda la imagen y mejora al disminuir la apertura LATERAL: aparece en los bordes de la imagen y no disminuye al reducir la apertura DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Aberraciones cromáticas: Corrección: - objetivos acromáticos (azul-verde) - apocromáticos (azul-verde-rojo) - superacromáticos (azul-verde-rojo) DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Efectos de perspectiva: Aumentos distintos para puntos distintos DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Efectos de perspectiva: Corrección: objetivos telecéntricos Proporcionan aumentos iguales para puntos distintos. Lentes indispensables para eliminar el error producido por el ángulo de visión en aplicaciones de metrología. DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Efectos de perspectiva: DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen ABERRACIONES EN LOS SISTEMAS ÓPTICOS Efectos de perspectiva: Óptica estándar Óptica telecéntrica DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen CONTENIDOS • Introducción • Sistemas catadióptricos para visión artificial • Aberraciones en los sistemas ópticos • Más allá del visible: visión hiperespectral DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Espectro electromagnético: Espectrometría puntual: - medición (cuantificación) de la radiación que interacciona con la materia. - métodos de medida: reflectancia/transmitancia - se obtienen curvas espectrales, que resultan ser firmas espectrales (pueden identificar biunívocamente a una sustancia). DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL “Visión hiperespectral RGB”: DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Visión hiperespectral: Se puede ver como: -Una imagen I(x,y) para cada longitud de onda λ. - Un espectro I(λ) en cada píxel (x,y). DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Ventajas: - Gran cantidad de información. - Información físico-química. - Distinción de sustancias en rangos diferentes al visible. Desventajas: - Componentes caros. - Manejo de mucha información (filtrado, tiempos de ciclo lentos). Rangos espectrales de interés: - VIS: 380 – 780 nm - NIR: 750 – 1700 nm - SWIR: 1000 – 2500 nm - MIR: 2500 – 5000 nm DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Sectores de aplicación: - ARTE: composiciones, pigmentos, envejecimiento, … - AGROALIMENTARIO: control de calidad, clasificación, … DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Sectores de aplicación: - BIOMÉDICO: dermatología, fondo de ojo, … - QUÍMICO-FARMACÉUTICO: distribución del principio activo, … DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Sectores de aplicación: - SEGURIDAD: para evitar falsificaciones, … (750-1050 nm) - MEDIO AMBIENTE: prospección de minerales, deforestación, … DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Equipamiento necesario: - Sensores adecuados Silicio (CCD,CMOS), 380 – 1000 nm InGaAs, 900 – 1700 nm MCT, 1000 – 2500 nm (5000 nm) InSb (indiuro de antimonio), 1000 – 5000 nm DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Equipamiento necesario: - Ópticas especiales Ópticas borosilicato, 380 – 1000 nm Ópticas de germanio, 1000 – 15000 nm Recubrimientos específicos, 200 – 1600 nm DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Equipamiento necesario: - Filtros sintonizables (ajustables electrónicamente): Filtros sintonizables de cristal líquido. Filtros sintonizables de efecto acustó-optico. - Diseño óptico para adaptación de los filtros sintonizables: Adaptación mediante pupilas conjugadas. Reducción del viñeteo. DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Equipamiento necesario: - Sistemas de iluminación (adecuada al rango espectral): Neón, VIS LED, VIS-NIR Tugsteno-Halógeno, VIS-NIR-SWIR Iluminación solar, todos los rangos espectrales de interés DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen MÁS ALLÁ DEL VISIBLE: VISIÓN HIPERESPECTRAL Puntos clave para el éxito: - Elección del rango espectral de trabajo (en función del objetivo). - Elección de la metodología de filtrado (pasabanda, sintonizables, etc.). - Electrónica de control de filtros sintonizables. - Elección de los sensores y las ópticas adecuados. - Adaptación óptica filtro-cámara. - Iluminación adecuada al rango espectral. DESARROLLOS DE VISIÓN ARTIFICIAL BASADOS EN ÓPTICA AVANZADA AIDO, Instituto Tecnológico de Óptica, Color e Imagen Tel: 96 131 80 51 Departamento de Visión Artificial José Juan Esteve, [email protected]
