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

Alberto Patiño Vanegas

CONTENIDO

Luz láserDetección de señales luminosasMétodos ópticos de reconstrucción 3DTécnica de triangulación láser

Alberto Patiño Vanegas

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

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

...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 =⇒=

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

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

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

...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

ADQUISICIÓN DE LA IMAGEN Y FOCALIZACIÓNADQUISICIÓN DE LA IMAGEN Y FOCALIZACIÓN

Alberto Patiño Vanegas

LENTECENSOR

OBJETO

IMAGEN

SEÑAL ELÉCTRICA

Alberto Patiño Vanegas

PARÁMETROS ASOCIADOS CON LA LENTEAUMENTOLONGITUD FOCALPROFUNDIDAD DE CAMPOMONTURA DE LA LENTE

AUMENTO

Do Di

Ho Hi

m = Hi/Ho= Di/Do

Alberto Patiño Vanegas

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”

Alberto Patiño Vanegas

...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)

Alberto Patiño Vanegas

...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”

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

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

Alberto Patiño Vanegas

Proyección de franjas

Alberto Patiño Vanegas

Interferometría

VII

I

III

VI

V

II

IV

Alberto Patiño Vanegas

TÉCNICA DE TRIANGULACIÓN LÁSER

)(vfz =)(vfx =

),( nynfy ∆=

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

...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

Alberto Patiño Vanegas

...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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ALGUNOS SISTEMAS DE R3D

Alberto Patiño Vanegas

...ALGUNOS SISTEMAS DE R3D

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...ALGUNOS SISTEMAS DE R3D

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...ALGUNOS SISTEMAS DE R3D

Alberto Patiño Vanegas

...ALGUNOS SISTEMAS DE R3D

Fin!