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Departamento de FDepartamento de Fíísica sica
TTÉÉCNICA DE TRIANGULACICNICA DE TRIANGULACIÓÓN LN LÁÁSER SER PARA SCANNER 3DPARA SCANNER 3D
PorPor
ALBERTO PATIALBERTO PATIÑÑO VANEGASO VANEGAS
M.ScM.Sc..--FFíísica, Universidad Industrial de Santandersica, Universidad Industrial de Santander
Grupo de Grupo de ÓÓptica Modernaptica Moderna
Universidad de PamplonaUniversidad de Pamplona
20032003
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Alberto Patiño Vanegas
CONTENIDO
Luz láserDetección de señales luminosasMétodos ópticos de reconstrucción 3DTécnica de triangulación láser
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LUZ LÁSER• Emisión espontánea tiempo medio entre la emisión y
la absorciónE2 E2
hvhv τ ~ 10-8s Transición permitidaE2 - E1 = hvE1 E1
τ ~ 10-3s Transición prohibidaAbsorción Emisión
• Emisión estimuladaE2 hv
Energía, fase y dirección de propagación del fotón producido
=al del fotón incidente
E2 hvhv hvE1
hv E2 hvE1
hvE1
Amplificación del número de fotones
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...LUZ LÁSER• Medio con amplificación láser
Más átomos en el estado fundamental que en el excitado
E2
hv Absorción
E1
Más átomos en el estado excitado que en el fundamental
hvhv Emisión
hv
Inversión de población
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...LUZ LÁSER• El láser de Helio - Neón
E3 E2
colisiones entre los átomos y electrones
(descarga en el gas)
transición permitida
transición prohibida
EF EF
colisión
Excitación
E1
hv =1.96eV
λ = 633nm
Helio Neón
Espejo parcialmente reflectante (~1%)
Espejo
Haz láser
fuente de alimentación
LASER : Light amplification by stimulated emission of radiation
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...LUZ LÁSER• El haz Gaussiano
)jkzexp()r(A)r(U −=rr
Envolvente compleja
Onda paraxial
0zAk2jA2
T =∂∂
−∇ Ecuación paraxial de Helmholtz (EPH)
Soluciones EPH
)z2
jkexp(zA)r(A
21 ρ
−=r
222 yx +=ρ
Onda paraboidal
])z(q2
jkexp[)z(q
A)r(A2
1 ρ−=
r
ojzz)z(q +=
Parámetro de Rayleigh
r
y
x
Onda gaussianaz
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...LUZ LÁSER• El haz Gaussiano
)]z(j)z(R2
jkjkzexp[])z(W
exp[)z(W
WA)r(U2
2
2o
o ξρρ+−−−=
r
Amplitud Fase
o
1o
2/1oo
o1
2
o
2/12
oo
jzAA
)z(W
zztan)z(
])zz(1[z)z(R
])zz(1[W)z(W
=
=
=
+=
+=
−
πλ
ξParámetros del Haz
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...LUZ LÁSER• Intensidad óptica del haz gaussiano
2)r(U)r(I rr= ];
)z(W2exp[]
)z(WW[I)z,(I 2
22o
oρρ −=
2oo AI =
z = zoz = 0
I/Io
2o
o2oo )z/z(1
I])z(W
W[I)z,0(I+
==
zo-zo
0.5
1I/Io
1
Función gaussiana
z ρ
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...LUZ LÁSER• Cintura del haz gaussiano
135.0e)0,z(I)W,z(I 2 ≈= −)z(W=ρ
WEn un circulo de radio W(z) esta contenido el 86% de la potencia total recogida en un plano a la distancia z.
86% de la energía
Cintura del haz (valor mínimo)
2/12
oo ])
zz(1[W)z(W +=
2Wo
oWW0z =⇒=
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...LUZ LÁSER
zz
WWzzo
oo ≈⇒>>
Diámetro de la cintura
z >> zoz = 0
θo
oo W2
2 λπ
θ = Longitud de onda
λπ o
oW2z2 =
z = zoz = 0z = -zo
• Divergencia del haz
• Profundidad de campo
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DETECCIÓN DE SEÑALES LUMINOSAS
radiación electromagnética
Señal eléctrica
Dispositivo electro-ópticoPropiedades
• Sensibilidad o respuesta espectral
S = señal de salida / flujo luminoso de entrada = I/φ
• Eficiencia o rendimiento quántico
Q = número de e que se producen / número de fotones que inciden
• Constante de tiempo
τ = tiempo necesario para que se produzca el (1-1/e) del valor máximo = 0.63Vmax
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...DETECCIÓN DE SEÑALES LUMINOSAS
cámara de estado sólido
TIPOS:
MOS - Metal Oxide semiconductor
CCD – Charge Couple Device
CID – Charge Injected Device
CPU – Charge Priming Device
line scan
o
matrix array
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...DETECCIÓN DE SEÑALES LUMINOSAS
CCDpasa carga
interline transfer
Fiel: Barrido de líneas impares
fotosensible
no fotosensibleV
videopaquete de electrones
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...DETECCIÓN DE SEÑALES LUMINOSAS
CCD
Estándares señal de video tiempo de barrido de líneas impares
USA (NTSC)
formato. RS-170
barrido: 52.59 ms
EUROPA (PAL - SECAM)
formato: CCIR
barrido: 52 ms
Pico de sincronización horizontal(hsync):
Para sincronizar un frame con otro se introducen 50 pulsos secuenciales.
CCIR : 1/50 ms tiempo entre un frame y otro
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...DETECCIÓN DE SEÑALES LUMINOSASCARACTERÍSTICAS CCDUNIDAD DE ESTADO SÓLIDO
• τ: 2 – 3 ns
• Q ~ 0.5
• S ~ 1 fotón
• Comportamiento lineal
• Bajo costo
• ~ 2W Potencia de consumo
• 12V Batería
• Resistente a choques y vibraciones
• respuesta alta en infrarrojo: puede requerir filtro
• monturas C,U, bayonet, rosca para montura-c
• corrección gamma: adaptación a la intensidad
• sincronización externa: pulso externo para capturar la imagen
TAMAÑO PARTE SENSIBLE
• ¼” 3.2x3.4mm
• 1/3” 4.8X3.6mm
• ½” 6.4X4.8mm
• 2/3” 8.8X6.6mm
• 1” 12.8X9.6mm
¼”3.4mm
3.2mm
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ADQUISICIÓN DE LA IMAGEN Y FOCALIZACIÓNADQUISICIÓN DE LA IMAGEN Y FOCALIZACIÓN
Alberto Patiño Vanegas
LENTECENSOR
OBJETO
IMAGEN
SEÑAL ELÉCTRICA
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PARÁMETROS ASOCIADOS CON LA LENTEAUMENTOLONGITUD FOCALPROFUNDIDAD DE CAMPOMONTURA DE LA LENTE
AUMENTO
Do Di
Ho Hi
m = Hi/Ho= Di/Do
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3”
100 censores
...PARÁMETROS ASOCIADOS CON LA LENTE
0.15”
0.15”
Área píxel = 0.0015”x0.0015”3”
m = 0.05”
Porción del objeto capturado por el píxel = 0.03”x0.03”
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...PARÁMETROS ASOCIADOS CON LA LENTE
Longitud focal
f = Do /(1+1/m)
Do = 30” f = 1.428”m = 0.05”
Poder de la lente D=1/f (dpt)
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...PARÁMETROS ASOCIADOS CON LA LENTE
Ø
100º Super-wideangle
65º Wide angle
35º standard Wide angle
20º Standard
12º Light telephoto
6º telephoto
Angulo de vista
Bmax
Ø=2tan-1(Bmax/2f)
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PROFUNDIDAD DE CAMPO Y ABERTURA
...PARÁMETROS ASOCIADOS CON LA LENTE
f
d
Blur spot
< 10mmPC
Circulo de menor confusion
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...PARÁMETROS ASOCIADOS CON LA LENTE
PROFUNDIDAD DE CAMPO
k=f/dAberturaDiámetro efectivo de la aberturad
k = 0.71, 1, 1.4, 2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22, 32
Profundidad de campo = 2ak(m+1)/m2
a = tamaño del píxel
200x200 censores
0.30”x0.30”
k=16,
m=0.05
PC = 20.16”
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Alberto Patiño Vanegas
MONTURAS• C-mount para vision artificial• U-mount para camaras de 35mm.• L-mount• Bayonet mount para cambio rapido de camara de 35mm.
...PARÁMETROS ASOCIADOS CON LA LENTE
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Alberto Patiño Vanegas
MÉTODOS ÓPTICOS DE RECONSTRUCCIÓN 3DACTIVOS
APLICACIONES •LUZ ESTRUCTURADA•Triangulacion laser(punto,linea,muchas lineas)•Binary-encoded light source•Gray encoded•Color encoded
•TIEMPO DE VUELO: Envío de un pulso de luz y medir retrazo (30 cm/ns)
• Robótica• Vehículos automatizados• Modelización de objetos• Diagnostico medico• Sistemas de realidad virtual
CLASIFICACIÓN SEGÚN FUENTE DE ILUMINACIÓN
•VARIACIÓN DE FASE ESPACIAL•Proyección de franjas•Moire•Talbot
•VARIACIÓN DE FASE TEMPORAL (Interferometría)
• Incidencia normal• Oblicua• A luz blanca• Speckle
• Pasivos: Iluminación del medio• Activos: Fuente artificial
PASIVOS•Vision estereo•shape from shading
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Alberto Patiño Vanegas
Proyección de franjas
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Alberto Patiño Vanegas
Interferometría
VII
I
III
VI
V
II
IV
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Alberto Patiño Vanegas
TÉCNICA DE TRIANGULACIÓN LÁSER
)(vfz =)(vfx =
),( nynfy ∆=
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...TÉCNICA DE TRIANGULACIÓN LÁSER
θ
y’
do
β
O
P
y
Plano de referencia
z
z = 0
f
O’
P’
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ′+++
′=
fyM
yz)tan()cos(
cos
θββθ
βDonde M ≅ f/do
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...TÉCNICA DE TRIANGULACIÓN LÁSER
θ =10º
β =10º
f=16 mm.
do=200 mm.
censores 8.8mm x 6.6mm
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ′+++
′=
fyM
yz)tan()cos(
cos
θββθ
βDonde M ≅ f/do
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...TÉCNICA DE TRIANGULACIÓN LÁSER
z
Profundidad de campoiluminación-proyección
θ =0º
β =45º
f=16 mm.
do=200 mm.
censores: 8.8mm x 6.6mm
⎥⎦⎤
⎢⎣⎡ ′+
′=
fyM
yz)tan(β
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Alberto Patiño Vanegas
ALGUNOS SISTEMAS DE R3D
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Alberto Patiño Vanegas
...ALGUNOS SISTEMAS DE R3D
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Alberto Patiño Vanegas
...ALGUNOS SISTEMAS DE R3D
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Alberto Patiño Vanegas
...ALGUNOS SISTEMAS DE R3D
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Alberto Patiño Vanegas
...ALGUNOS SISTEMAS DE R3D
Fin!