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Tema 7: Pantallas electrónicas DISPOSITIVOS OPTOELECTRÓNICOS Tema 8: OTROS DISPOSITIVOS Lluís Prat Viñas Escola Tècnica Superior d’Enginyers de Telecomunicació de Barcelona (ETSETB) Universitat Politècnica de Catalunya Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas 8.- Otros dispositivos 8.1.- Papel electrónico 8.2.- Visión nocturna 8.3.- Televisión 3D 8.4.- Escaneres 3D Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas 8.1.- PAPEL ELECTRÓNICO El papel electrónico (y la tinta electrónica) son tecnologías que pretenden imitar la apariencia de la tinta sobre el papel, reflejando la luz incidente. Entre las aplicaciones de esta tecnología se encuentra el libro electrónico (e-book), el periodico electrónico, etiquetas electrónicas, relojes electrónicos,... Las tecnología de e-paper y e-ink son tecnologías emergentes que empezaron a ser comerciales durante la última década. El primer e-book lo comercializó Sony en 2004. El primer ensayo de periodico electrónico fue en 2006 por el periodico belga De Tijd. El primer reloj basado en e-paper fue comercializado por Seiko en 2005. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Las principales tecnologías utilizadas en e-paper son: “gyricon”, “electroforesis”, “electrowetting” y “electrofluídica”. Muchas de estas tecnologías permiten mantener un texto o imagen estática, de forma indefinida, sin usar electricidad, que solo se usa para cambiar de imagen. Esto permite un menor consumo y una lectura más cómoda, ya que no hay refresco de imagen. También presentan un contraste y un ángulo de visión mayor que en las pantallas electrónicas de televisión , similar al que presenta la tinta sobre un papel normal. La pantalla se puede leer con luz solar sin que la imagen se desvanezca. Con frecuencia se usan pantallas de plástico para hacerlas flexibles. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas A.- TECNOLOGÍA GYRICON Esta tecnología de e-paper ha sido desarrollada por Xerox Parc. Consiste en una capa flexible de plástico, dentro de la cual hay millones de pequeñas esferas de plástico con cada hemisferio de un color y carga eléctrica distinta, por ejemplo, blanco-positivo y negro-negativo. Cada una de estas bolitas puede rotar libremente dentro de una cavidad que contiene aceite. Cuando se aplica una tensión a un electrodo situado en la parte inferior del e-paper, las bolas giran y muestran por la parte superior un determinado color, tal como se muestra en la figura. De esta forma se pueden crear imágenes y textos. La imagen así creada persistirá hasta que una nueva tensión se aplique a los electrodos. De esta forma se requiere muy poca energía para activar el epaper. Para un futuro próximo está previsto un papel electrónico multicolor mediante tres capas gyrycon de color rojo, verde y azul. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas B.- TECNOLOGÍA ELECTROFORÉTICA La electroforesis es el movimiento de partículas dispersadas en un fluido por la acción de un campo eléctrico espacialmente uniforme. Este fenómeno fue descubierto por el ruso Ferdinand Reuss en 1807 y tiene una importante aplicación como técnica para separar moléculas en el ámbito de la biología molecular (por ejemplo ADN). Recientemente, esta técnica ha encontrado también aplicación en el área del papel electrónico. En su aplicación más simple, este papel electrónico consiste en una capa de entre 10 µm y 100 µm que contiene un líquido con partículas cargadas, colocada entre dos placas conductoras, la superior transparente, formando los píxeles de la pantalla (ver figura). La capa central contiene partículas de dióxido de titanio de 1 µm de diámetro, que han sido cargadas. Estas partículas están dispersadas en un aceite de hidrocarburo al que se le ha añadido un colorante oscuro. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Cuando se aplica una diferencia de potencial entre las capas conductoras, las partículas migran hacia la placa con carga opuesta a las partículas. Cuando las partículas se sitúan en la superficie superior reflejan la luz y se ve blanco, mientras que cuando se agrupan en la superficie inferior la superficie superior se ve negra porque la luz es absorbida por la tinta del aceite. Esta realización simple presenta una vida corta debido a que las partículas tienden a formar aglomeraciones y migraciones a las paredes laterales. Para evitar este problema se utiliza el microencapsulamiento en volúmenes de diámetros entre decenas a pocas centenas de micras. En la figura superior se muestra una división del esquema anterior en microcápsulas, mientras que en la inferior las cápsulas contienen dos tipos de particulas: negras de carbón con carga negativa y partículas blancas de dióxido de titanio con carga positiva. Un tratamiento superficial de estas partículas provoca que se rechazen entre sí y no se unan. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas C.- TECNOLOGÍA ELECTROWETTING El efecto “electrowetting” se define como el cambio en el ángulo de contacto entre un electrolito y un sólido cuando se aplica una diferencia de potencial entre ambos. Los píxeles basados en esta tecnología estan compuestos por dos fluidos, normalmente uno de ellos agua y el otro una substancia hidrofóbica, como el aceite, que contiene un pigmento. Los dos fluidos se encuentran encima de un aislante hidrofóbico y de un electrodo, ambos transparentes. Debajo de ellos hay un material reflectante. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Cuando no se aplica tensión el aceite coloreado forma una película entre el agua y el aislante hidrofóbico creando un pixel coloreado. Cuando se aplica tensión el aceite se contrae en forma de gota y deja al descubierto la superficie blanca reflectante, con lo que el pixel se verá blanco. Debido al pequeño tamaño del pixel, el observador solo nota la reflexión media del pixel, lo cual asegura un alto brillo y un alto contraste. Esta tecnología permite velocidades de conmutación dos órdenes de magnitud superiores a las anteriores. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas D.- TECNOLOGÍA ELECTROFLUÍDICA Esta nueva tecnología es una variante de la electrowetting. Consiste en colocar dentro de un depósito muy pequeño contenido en cada pixel una dispersión acuosa de un pigmento. El área de este depósito de del orden del 5-10% del área del pixel. Cuando el pigmento está dentro del depósito no se nota su existencia, pero cuando se aplica tensión el pigmento es empujado fuera del depósito y cubre el pixel. Cuando la tensión se elimina la tensión superficial del pigmento provoca que éste vuelva a recogerse en el depósito. Esta tecnología fue propuesta en 2009 por la universidad de Cincinnati y está en fase de investigación. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas VENTAJAS E INCONVENIENTES DEL PAPEL ELECTRÓNICO Ventajas Ecologia: ahorro de papel. Algunas aplicaciones de uso de papel, como los periódicos, significan un coste ecológico muy importante para una aplicación que tiene una vida máxima de 24 horas. El papel electrónico podría reducir este malgasto. Reducción de consumo: El papel electrónico se basa en la reflexión de la luz como el papel normal. Esto significa una reducción importante de energía comparada con las tecnologías optoelectrónicas usadas en las pantallas electrónicas habituales Comodidad de manejo: son pantallas muy ligeras y que pueden ser flexibles Inconvenientes Velocidad de transición baja: la transición entre imágenes es lenta, lo que impide aplicaciones sofisticadas de las pantallas habituales como el “zoom”. Efecto de pantalla quemada: cuando se cambia de imagen se tarda un tiempo apreciable en que desaparezca del todo la imagen anterior, como ocurria antes con las pantallas de plasma. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas 8.2.- VISION NOCTURNA Visión nocturna es la capacidad de ver en condiciones de bajo nivel de iluminación. Estas técnicas se suelen basar en dos aproximaciones: amplificación de la tenue luz recibida (intensificadores de imagen) y ampliación del espectro de luz visible (iluminación activa por infrarrojos y visión térmica). Estos equipos se suelen denominar “dispositivos de visión nocturna” (NVD, Night Vision Devices), y uno de ellos son las gafas de visión nocturna (NVG, Night Vision Googles) que disponen de un visor para cada ojo. La visión nocturna se inició durante la segunda guerra mundial para aplicaciones militares y se ha ido desarrollando con nuevas tecnologías y aplicaciones en el ámbito civil en los últimos 60 años. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas A.- VISIÓN NOCTURNA BIOLÓGICA El ojo humano posee dos células fotosensibles: los conos y los bastones. Los conos permiten la visión diurna (visión fotópica), proporcionan información de color y de espacio. Hay unos 6 millones de conos que se concentran en la zona central de la retina, que se denomina fovea. Los bastones permiten la visión nocturna (visión escotópica) y proporcionan información de brillo pero no de color. Hay unos 120 millones y se encuentran en la periferia de la fovea, a unos 20º del centro de la retina. Los bastones contienen un pigmento fotosensible denominado rodopsina. Cuando la rodopsina absorbe un fotón genera un impulso eléctrico, pero queda “blanqueada” y deber regenerarse para que continúe la visión. Se requieren unos 35 minutos para que la rodopsina se regenere completamente. Este es el tiempo que tardamos los humanos en ver en la oscuridad cuando procedemos de un ambiente diurno. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Las longitudes de onda largas (luz roja) no afectan a la rodopsina y suele usarse esta luz para preservar la visión nocturna. Los piratas llevaban un ojo tapado con un parche para tener la rodopsina “activada” y poder ver de forma inmediata en lugares oscuros al quitarse el parche. Otro mecanismo para ver en la oscuridad es la dilatación de la pupila que permite multiplicar por 16 el número de fotones que entran al ojo. Algunos animales (gatos, perros,…) tienen una visión nocturna muy superior a la humana gracias al “tapetum lucidum”, una membrana en la parte posterior del ojo que refleja la luz en la retina. La sensibilidad de visión nocturna es más de 100 veces superior a la diurna. El ojo humano tiene la capacidad de discriminar 109 niveles de iluminación considerando la visión diurna y la nocturna, pero en un momento dado solo discrimina 1 entre 1000, una vez fijado el nivel del “negro”. Se ha encontrado que una persona puede detectar un destello de luz de sólo 100 fotones. Posiblemente esta capacidad de visión nocturna fue muy importante para la supervivencia de la humanidad en épocas prehistóricas. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas B.- ILUMINACIÓN ACTIVA Fue la primera tecnología utilizada para la visión nocturna. Consiste en una fuente de iluminación invisible al ojo humano y un sensor capaz de detectarla. Para iluminar se suele usar el infrarrojo próximo al espectro visible (NIR, Near InfraRed) de 0,75 µm a 1,4 µm, y el infrarrojo de onda corta SWIR (Short Wave InfraRed) de entre 1,4 a 3 µm. Como sensor se utiliza una cámara CCD o CMOS, que son sensibles a estas longitudes de onda y proporcionan una imagen monocromática. Esta técnica suele proporcionar una resolución superior a las otras tecnologías si se usa un iluminador de infrarrojos de alta intensidad. Sin embargo, tiene el inconveniente de que la iluminación infrarroja puede ser fácilmente detectada por quien disponga de otro sensor de infrarrojos. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Una aplicación muy frecuente de esta tecnología son las cámaras de vigilancia nocturna consistentes en un conjunto de LEDs infrarrojos para iluminar y un sensor de esta iluminación IR. Una variante son los sistemas portátiles alimentados por baterias, aunque tienen el inconveniente del consumo constante de los LEDs. Una variante de esta tecnología es el sistema de laser IR pulsado de alta potencia (laser range-gated imaging). Este sistema consiste en una especie de radar de luz infrarroja: el laser emite una serie de impulsos de alta potencia, y la cámara dispone de un obturador que solo se abre con un impulso de puerta (gate) sincronizado con el impulso del laser. Este sistema permite seleccionar la visión de un determinado intervalo de distancia (range). Cuando el pulso IR emitido por el laser empieza su propagación, es reflejado por diversos elementos (niebla, polvo, arboles,...), pero como la cámara está cerrada estos “ecos” no son captados. Solo lo son los que se reciben cuando la cámara está abierta, lo que ocurre en un determiando intervalo de distancias y permite ver con nitidez los objetos en este este “rango” de distancias. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas C.- INTENSIFICADOR DE IMAGEN Un intensificador de imagen es un dispositivo basado en un tubo de vacío que “amplifica” la luz visible e infrarroja incidente, proporcionando en su salida una imagen monocromática más intensa que la de la entrada. La imagen de entrada (visible e infrarroja) se enfoca sobre un fotocátodo que convierte los fotones incidentes en electrones. Estos electrones son acelerados hacia una placa con microcanales (MCP). Cada electrón que entra en un canal genera miles de electrones, de forma que a su salida la imagen “electrónica” se ha amplificado por un factor muy elevado. Estos electrones que salen de la MCP se envian a una pantalla de fósforo, similar a las que se utilizan en los tubos de rayos catódicos, que generan una imagen monocromática. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas El corazón de este dispositivo es la placa de microcanales (MCP). Está formada por millones de canales microscópicos, cada uno de los cuales tiene una longitud unas 45 veces superior a su anchura. Tiene un electrodo en cada una de las caras entre los que se aplica una tensión muy elevada (unos 5000 V). Esta tensión acelera al electrón que entra en el canal, el cual al golpear en las paredes del canal genera miles de electrones por el fenómeno de emisión secundaria en cascada, un fenómeno similar al mecanismo de ruptura por avalancha de la unión PN. Para facilitar el choque del electrón, el canal tiene una pequeña inclinación respecto al eje del tubo. De esta forma, la imagen electrónica incidente sale por la otra cara amplificada miles de veces. Para evitar que la pantalla se sature debido a una luz de entrada elevada se controla la ganancia del sistema. El intensificador de imagen está montado en el vacio y debe disponer de un sistema de alimentación propio. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas El desarrollo de los sistemas de visión nocturna se suele clasificar en “generaciones”: Generación 0 (1950): Fue la tecnología inicial usada por el ejercito de EEUU en la II Guerra Mundial. Usaba iluminación IR y solo aceleraba los electrones del fotocátodo para generar una imagen en la pantalla de fósforo. Generación 1(1960): Eliminan la iluminación IR y utilizan solo la luz procedente de la luna y las estrellas. Usan tres primitivos intensificadores de imagen en serie. Generación 2 (1970): Introducen la placa de microcanales (MCP) que proporciona una gran ganancia. Las imágenes son de una calidad muy superior. Generación 3 (1980): El fotocátodo se realiza con GaAs que es muy eficiente para convertir fotones en electrones y se introduce una película protectora de iones en el MCP que aumentaba la vida del dispositivo. Generación 4: Se elimina la película protectora de iones y se realiza un control automático de potencia según la intensidad de la luz incidente. Alta resolución y imagenes sin halo. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas D.- VISION NOCTURNA TÉRMICA La visión nocturna térmica se basa en captar la radiación electromagnética que emiten los cuerpos que están por encima de 0ºK. El espectro que emite cada cuerpo varia con su temperatura, y se puede detectar diferencias de temperaturas tan pequeñas como 0,1 ºC. En la figura inferior se muestran los espectros emitidos por un cuerpo negro ideal a diferentes temperaturas. En la figura A se presentan temperaturas superiores a 1000 K, por ejemplo la del sol (unos 5500 K). Sus máximos de emisión caen dentro del espectro visible. En la figura B se muestran los espectros para temperaturas entre -50ºC y 100ºC. Para este rango de temperaturas el máximo ocurre entre unas 7 a 10 µm, que corresponde al infrarrojo. Así pues, para captar estas ondas electromagnéticas se deben usar sensores de infrarrojo. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Los dispositivos que permiten ver imágenes producidas por diferencias de temperatura se denominan cámaras termográficas o cámaras de infrarrojo. En estas cámaras la imagen recibida de radiación infrarroja se proyecta sobre un chip constituido por una matriz de sensores de infrarrojo. Cada elemento de esta matriz corresponde a un píxel y mide la radiación infrarroja que incide sobre él. Está compuesto por un elemento sensor denominado microbolómetro más un circuito integrado de lectura que se llama ROIC (ReadOut Circuit Integrated). El microbolómetro se basa en una capa de material que se calienta al absorber la radiación infrarroja (IR), haciendo que varíe su resistencia eléctrica. Para que pueda realizar una lectura correcta de IR debe estar aislado del substrato que contiene el ROIC. Esto se consigue utilizando una técnica propia de los MEMS que permite realizar capas “flotantes”. El material de la capa absorbente de IR del bolómetro suele ser de óxido de vanadio o de silicio amorfo. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas En el circuito de la figura se muestra el circuito ROIC utilizado. Se usa una fuente de tensión constante Vdet que carga el condensador Cdet a través de la resistencia de microbolómetro durante un tiempo determinado por la apertura del transistor M1. La carga recibida es función del valor de Rdet y por tanto de la radiación IR recibida. La tensión que adquiere Cdet se transmite a la salida a través de unos transistores de paso, y Cdet puede descargarse a través del transistor de reset Srst. En la figura de la derecha se muestra un ejemplo de cámara termográfica. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas F.- APLICACIONES DE LA VISIÓN NOCTURNA Los sistemas de visión nocturna han encontrado amplio uso en las siguientes áreas: Militar Vigilancia del cumplimiento de la ley Seguridad Caza Observación de la vida salvaje Navegación Ocio De singular interés es la aplicación de Visión nocturna para automóviles, que se ofrece de forma opcional para los vehículos de alta gama Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas 8.3.- TELEVISIÓN 3D La televisión 3D es un sistema de televisión que permite lograr la ilusión de profundidad (o 3D) utilizando técnicas estereoscópicas a partir de imágenes bidimensionales. Estas técnicas se basan en proyectar dos imágenes ligeramente distintas, una para cada ojo, que al ser procesadas por el cerebro proporcionan la sensación de profundidad. Hay que distinguir la televisión 3D y el cine 3D de los generadores de imágenes en tres dimensiones reales, basados en la holografia o en pantallas “volumétricas” que crean puntos de luz en un espacio tridemensional. El primer estereoscopio fue inventado por Wheatstone en 1838 y en 1922 se proyecto la primera película 3D. En 1928 J. L. Baird hizo la primera demostración de TV 3D. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas A.- PRINCIPIOS BIOLÓGICOS DE LA VISIÓN 3D Al observar una escena con un solo ojo se obtiene una visión monocular o visión 2D: se dispone de información de la intensidad de la iluminación en cada punto, pero no se tiene información de profundidad. Sin embargo, existen una serie de factores que aportan información sobre aspectos tridimensionales de la escena de una forma intuitiva: Mecanismos geométricos: a) Distribución de luces y sombras: dan sensación de volumen b) Superposición de objetos: el más cercano “tapa” al más lejano c) Perspectica: un objeto más cercano al “punto de fuga” será interpretado como más lejano d) Tamaño de los objetos: cuanto más lejos más pequeño e) Resolución del objeto: cuanto más lejos menos detalles. Paralaje por movimiento: cuando nos desplazamos mirando un objeto vemos moverse en direcciones contrarias otros objetos de la escena según estén más próximos o lejanos que el de referencia. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas La visión binocular o esteroscópica permite la percepción de profundidad. La señales procedentes de cada ojo son ligeramente distintas (“disparidad binocular”) debido a que los ojos están separados unos 6,5 cm. Mediante la fusión binocular el cerebro obtiene una imagen única con profundidad. Este mecanismo se denomina estereopsis. Un mecanismo similar nos permite percibir la procedencia del sonido a través de las diferencias de las señales de los dos oidos. Para la sensación de profundidad solo intervienen las diferencias en la dimensión horizontal, siendo irrelevantes las diferencias verticales. Existen otras fuentes de información, como son el enfoque y la convergencia de los ojos sobre el objeto (acomodación de los ojos) para obtener una imagen nítida, que también son utilizadas por el cerebro para calcular la profundidad: Dispositivos optoelectrónicos izquierdo derecho Tema 7: Pantallas electrónicas B.- LA ESTEREOSCOPIA La estereoscopia es cualquier técnica utilizada para crear la ilusión de profundidad tridimensional a partir de dos imágenes 2D. Cada una de estas imágenes debe presentarse en uno de los ojos del observador. Existen muchas técnicas para conseguir presentar una imagen distinta en cada ojo: a) Visualización 3D sin aparatos b) Esteroscopios c) Gafas anaglifos, d) Gafas polarizadas, e) Gafas activas, f) Pantallas montadas en cascos g) Técnicas autoesteroscópicas sin gafas basadas en barreras de paralaje o en hojas lenticulares. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas C.- VISUALIZACIÓN 3D DIRECTA Estas técnicas consisten en conseguir que cada ojo vea una sola de las imágenes 2D que se presentan conjuntamente. Una es la técnica de ojos paralelos y la otra la de ojos cruzados. En la técnica de ojo paralelos las imágenes deben estar separadas una distancia de unos 6,5 cm. El observador debe conseguir que los ojos miren en paralelo, hacia el infinito. En la técnica de ojos cruzados se debe conseguir que el ojo derecho mire la imagen izquierda y viceversa. Ambas técnicas requieren un cierto entrenamiento por parte del observador. Y produce un cierto cansancio. Cuando se consigue la visión 3D es un cambio espectacular y las imágenes son visualizadas con el espectro entero de colores y alta resolución. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas D.- ESTEREOSCOPIOS Las dificultades de la visión estereoscópica sin instrumentos, debido a que hay que controlar separadamente el enfoque y la convergencia de la visión, pueden ser superadas con la ayuda de estereoscopios. Los estereoscopios son instrumentos simples que facilitan la visión 3D. Permiten que cada ojo reciba la imagen que le corresponde, bien a través de espejos o de lentes. El primer estereoscopio fue inventado por Wheatstone en 1838 y estaba basado en espejos. Brewster introdujo como mejora el uso de lentes. En 2010 Hasbro ha producido el estereoscopio My3D para el iPhone y el iPod Touch. Una aplicación importante es la cartografia aérea. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas E.- SISTEMA DE GAFAS ANAGLIFO Las imágenes de anáglifo son imágenes de dos dimensiones capaces de provocar un efecto tridimensional cuando son vistas con unas gafas especiales, con lentes de color diferente para cada ojo. Este sistema proporciona una imagen distinta para cada ojo, que se fusionan en el cerebro para dar la sensación de profundidad (estereoscopia). Los colores para cada ojo deben ser colores complementarios, como el rojo-cian (el mas habitual), o azul-amarillo. Este sistema fue patentado por Louis Ducos du Hauron en 1891. Recientemente ha adquirido un interés renovado debido a que es el sistema más barato para ver en 3D en internet, DVD, imágenes impresas en papel, y otros medios. Además de su utilización en el campo del entretenimiento su usan en ciencia y diseño y en aquellas aplicaciones en que la visión en profundidad en importante. Recientemente han sido utilizadas por la NASA en vehiculos orbitales alrededor del sol. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas http://es.scribd.com/doc/97305139/Vision-en-3D Para las gafas rojo-cian normalmente se coloca el filtro rojo en el ojo izquiero y el cian en el derecho. Considerando los tres colores primarios, el filtro rojo solo deja pasar las componentes rojas de la imagen, mientras que el cian deja pasar las componentes azul y verde (ver las imágenes abajo). La fusión de estas dos imágenes en el cerebro permite reconstruir los colores y si las imágenes de cada ojo son ligeramente distintas da la percepción de profundidad. Para producir la imagen se usan dos cámaras separadas unos 6,5 a 7 cm, que es la distancia entre las pupilas. Cada cámara toma la fotografía con su filtro de color específico. Las dos imágenes se proyectan o imprimen juntas, procurando que la parte central coincida. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Recientemente se ha desarrollado un nuevo sistema basado en el par de colores complementarios amarillo-azul, patentado con el nombre ColorCode 3D. También se ha utilizado el magenta-verde. La visión 3D con gafas anáglifos presenta el problema de alteración de los colores, la pérdida de luminosidad, y el cansancio visual después de un uso prolongado. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas F.- SISTEMA DE GAFAS PASIVAS POLARIZADAS Las dos imágenes correspondientes a cada ojo se separan por la polarización de la luz. La lente del ojo derecho solo permite el paso de la luz con polarización horizontal, mientras que la otra lente solo permite el paso de la luz de polarización vertical. Se proyectan en la pantalla dos imágenes superpuestas correspondientes a los dos ojos con un polarizador distinto en cada proyector. Para mantener la visión 3D el observador debe mantener la cabeza en posición vertical, ya que de lo contrario los polarizadores de las gafas no podrán separar las imágenes. Es el principal inconveniente de este método. Para evitar este problema a veces se usa un sistema de polarización circular en lugar de lineal. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Ventajas e inconvenientes Respecto de las gafas anaglifo se obtiene una imagen de color de mayor calidad y de mayor luminosidad. El sistema suele ser más caro, tanto por las gafas, como por el uso de dos proyectores (uno para cada ojo) con su sincronización necesaria. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas G.- SISTEMA DE GAFAS ACTIVAS DE CRISTAL LÍQUIDO En este sistema se proyectan alternativamente en la pantalla la imagen del ojo derecho y la imagen del ojo izquierdo. El observador ve la pantalla a través de unas gafas LCD que obturan alternativamente la visión de un ojo y del otro de forma sincronizada con las imágenes proyectadas. Actualmente cada ojo recibe 60 imágenes por segundo. La sincronicazión se consigue a través de un emisor de infrarrojos situado en la pantalla. Las gafas disponen de la circuitería eléctrica y de la alimentación requerida (una pila) para poder ver las imágenes. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Ventajas e inconvenientes A diferencia del sistema de gafas anáglifos, este sistema permite ver las imágenes en todo el espectro de colores. Hasta hace poco este sistema no era aplicable a muchos tipos de pantallas planas, ya que no disponían de la frecuencia de refresco de imágenes necesarias. Este problema está actualmente superado. Estas gafas son más caras y pesadas que las usadas en los otros tipos, y frecuentemente no son compatibles ya que no hay un estandar del un sistema de sincronización. Las imágenes suelen ser menos luminosas que en las gafas polarizadas ya que el LCD no es del todo transparente cuando no está bloqueado. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas H.- PANTALLAS MONTADAS EN CASCOS Las pantallas montadas en cascos (HMD Head-Mounted Display) es un dispositivo de visualización similar a un casco que permite reproducir imágenes creadas por un ordenador muy cerca de los ojos, o directamente sobre la retina. En este último caso de denomina monitor virtual de retina. Los HDM pueden ser monoculares, en cuyo caso las imágenes solo se reproducen sobre un ojo, o binoculares, sobre los dos ojos, obteniéndose una imagen 3D. Algunos HDM se usan en sistemas de realidad virtual en los que el usuario ve unicamente las imágenes creadas por ordenador, sin contacto visual con el mundo exterior. Otra aplicación es en los sistemas de realidad aumentada en los que el usuario ve el entorno en el que se mueve junto a objetos virtuales creados por ordenador. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas I.- PANTALLA AUTOESTEREOSCÓPICA El observador puede ver imágenes en 3D sin gafas. Pero debe estar en una posición determinada. Hay dos sistemas: con barrera de paralelaje y con una hoja de lentes delante de la pantalla. En estos sistemas, la imagen de la pantalla se forma interpolando columnas de dos imágenes, la correspondiente al ojo derecho (R) y la correspondiente al ojo izquierdo (L). La barrera de paralelaje consiste en colocar una pantalla delante de la imagen en la que se interpolan columnas transparente y opacas, que fuerzan que cada ojo solo vea su imagen. Se suele usar una pantalla de LCD para realizar la barrera de paralelaje, lo que permite hacerla transparente para ver la imagen en 2D. En el sistema de hoja lenticular, se utiliza la dirección del rayo refractado sobre la superficie curva de la lente para conseguir que cada ojo vea solo su imagen. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas J.- SISTEMA DE TELEVISIÓN 3D En la figura se muestra el esquema de producir, transmitir y visionar en televisión 3D. También se muestra una cámara típica para captar la imagen estereoscópica. Actualmente muchos fabricantes (Philips, Samsung, Sony,…) optan por el sistema de gafas activas. Otros como LG usan un sistema con gafas polarizadas pero en la pantalla se muestran simultáneamente las dos imágenes, una en las líneas pares y la otra en las impares con polarización contraria. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas J.- TEMAS EN DESARROLLO Punto de vista libre (Free Viewpoint) y Multivisión (Multi-view) 3D Las más recientes tendencias en televisión 3D consisten en una nueva aproximación a la visión real. Un observador ve una imagen diferente en cada ojo en una escena real, y también ve un punto de vista distinto de la escena cuando mueve su cabeza alrededor de la escena. En la televisión 3D se pretende que se pueda simular el mismo efecto utilizando un gran número de cámaras alrededor de la escena y mostrandolas simultaneamente al usuario, el cual puede selecccionar su punto de vista. Es un tema que está aún en fase de investigación. Dispositivos optoelectrónicos MULTI–VIEW AUTOSTEREOSCOPIC 3D DISPLAY. N. A. Dodgson1, J. R. Moore2, S. R. Lang3. 1University of Cambrige Computer Laboratory, UK; 2JMEC Ltd, ... Tema 7: Pantallas electrónicas El estandar de transmisión DVB-3D-TV El DVB-3D-TV (Digital Video Broadcasting – 3D – TV) es la denominación del nuevo estandar que incluye técnicas y procedimientos para enviar una señal de video 3D a través de los estandares de transmisión DVB. Está en fase de implementación. Para enviar una señal descodificada a la pantalla los sistemas estereoscópicos actuales utilizan una señal 3D de cuadros secuenciales: se envian alternativamente los cuadros del ojo derecho y del izquierdo. También estan en estudio las técnicas para empaquetar los cuadros derecho (R) y izquierdo (L) en un “frame” de alta definición (HD) para luego descomponerlo en los cuadros L y R. En la figura se muestra las composiciones “Side by Side, SbS” y “Top and Bottom TaB”. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Formato 2D + Z (o 2D + Depth) Se trata de un formato utilizado por Philips (en su modelo WOWvx) para codificar el video estereoscópico. En esta codificación, cada imagen 2D es suplementada por una imagen en escala de grises que aporta la profundidad de cada pixel. De esta forma se puede obtener una visión de la escena en 3 dimensiones que puede permitir visualizar la escena desde distintos ángulos o puntos de vista, realizando la computación pertinente. Tiene la ventaja que implica un incremente pequeño del ancho de banda (del 5% al 20%) con relación a 2D, pero aporta una cantidad de profundidad limitada ya que la escala de grises es de 8 bits. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas OTRAS APLICACIONES DE LA VISIÓN ESTEREOSCÓPICA Además de su uso en la televisión 3D, la visión estereoscópica se utiliza en aplicaciones como las siguientes: Telepresencia: robots teledirigidos dotados de cámaras estereoscópica para operar en ambientes peligrosos. La imágenes de las cámaras del robot se envian a un operario que puede dirigir al robot. Algunas aplicaciones son: desactivación de explosivos, exploración espacial, exploración submarina, intervenciones quirúrgicas mediante robots. Ojo de Halcón: usada en las grandes competiciones de tenis para determinar la trayectoria exacta de la pelota. Se utilizan varias cámaras alrededor de la pista para poder determinar temporal y espacialmente el recorrido de la pelota. Astronomia: aprovechando el movimiento orbital de la tierra y del sol se pueden obtener imágenes estereoscópicas del firmamento y medir distancias entre astros. También se puede obtener información sobre la superficie de planetas u satélites. Física nuclear: obtención de trayectorias de partículas subatómicas después de colisiones en aceleradores de partículas. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas 8.4.- ESCÁNERES 3D Un escaner 3D es un dispositivo que analiza un objeto o una escena del mundo real para obtener datos de su forma y ocasionalmente de su apariencia (color) que pueden ser usados para construir un modelo digital tridimensional. Los escáners 3D se utilizan para la tecnología de reconstrucción, que consiste en realizar un modelado tridimensional del objeto en un ordenador. Este modelado conecta una nube de puntos representativos del objeto con elementos geométricos, como triángulos, cuadrados u otras formas geométricas. Aunque se utilizan muchas técnicas en escaners 3D, las tecnologías más significativas utilizadas sin contacto físico son las siguientes: Tiempo de vuelo Triangulación Luz estructurada Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas ESCÁNER LASER DE TIEMPO DE VUELO Mide la distancia a un objeto enviando un impulso de luz laser y midiendo el tiempo que tarda en llegar al receptor el eco reflejado. Notar que el tiempo que tarda la luz en viajar 1 m es 3,3 ns. La electrónica asociada debe ser capaz de medir tiempos de este orden. Esta es una aplicación del LIDAR (Light Detection and Ranging) que es una variante del RADAR (Radio Detecting and Ranging) pero cambiando la frecuencia del impulso electromagnético enviado. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas ESCÁNER LASER POR TRIANGULACIÓN Este tipo de escáner mide la distancia del sensor a un punto de un objeto usando una técnica de triangulación. El laser emite un haz estrecho que al colisionar con el objeto refleja la luz. La luz reflejada llega a la lente del detector que la enfoca en un punto de un sensor CCD como se muestra en la figura. Si cambia la posición del objeto cambiará el punto de incidencia del punto de luz reflejado sobre el CCD. La posición del punto de luz reflejado en el CCD permite calcular por triangulación la distancia del sensor al objeto. En la figura superior puede verse que el triángulo “grande” formado por el laser, el objeto y la lente (punto en la figura), es semejante al triángulo “menor” formado por la lente el CCD y el rayo capturado. Esto permite calcular la distancia q a partir de la posición del punto en el CCD. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas ESCÁNER DE LUZ ESTRUCTURADA Un escaner 3D de luz estructurada es un dispositivo para medir la forma tridimensional de la superficie de un objeto mediante patrones de luz proyectados sobre él. Al proyectar una linea de luz sobre un objeto de superficie no plana, aparece una línea de iluminación que presenta deformaciones cuando es observada desde una posición distinta del proyector. Esta línea puede ser usada para reconstruir de forma exacta la geometría de la superficie. La forma más habitual de operar con luz estructurada es proyectar sobre el objeto un patrón de lineas blancas y negras paralelas. El análisis de las lineas distorsionadas, observadas con una cámara CCD desde un ángulo diferente, permiten obtener con una sola iluminación la forma tridimensional de la superficie del objeto. En realidad se trata de un escaner 2,5D, ya que para obtener la forma 3D del objeto completo habria que escanearlo desde diferentes posiciones. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Para generar el patron de iluminación no se requiere luz laser. Puede usarse un proyector con una pantalla LCD o LCoS o DLP, aunque se pueden usar otros métodos basados en interferencia de dos haces de laser. A veces se usa luz infrarroja para no interferir con la luz ambiente. Para analizar las lineas deformadas sobre el objeto se suelen utilizar diversos métodos, como los basados en la transformada de Fourier, en la transformada wavelet, o en fotogrametria y triangulación. Un ejemplo de aplicación de esta tecnología es la cámara Kinect de Microsoft, que usa un patrón de puntos infrarrojos. Para información más detallada se puede consultar la siguiente página web: http://www.sci.utah.edu/~gerig/CS6320-S2012/Materials/CS6320-CV-S2012-StructuredLight.pdf Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas Ventajas e inconvenientes de las distintas tecnologías El sistema de tiempo de vuelo tiene la ventaja de que puede operar a grandes distancia, del orden de kilómetros, lo que lo hace adecuado para escanear grandes edificios y accidentes geográficos. Su inconveniente es su precisión, del orden de milímetros, debido a la dificultad de medir los pequeñísimos tiempos de vuelo originados por la alta velocidad de la luz. La triangulación tiene las características contrarias al tiempo de vuelo. Está limitado a unos metros, pero tiene precisiones del orden de las decenas de micra. La ventaja de la luz estructurada es la velocidad y precisión. Pueden escanear de una vez en una fracción de segundo una escena entera, en lugar de punto a punto como en los dos anteriores. Se prevee que sean capaces de escanear en tiempo real objetos en movimiento. Sin embargo está aun en fase de investigación. Dispositivos optoelectrónicos Tema 7: Pantallas electrónicas APLICACIONES DE ESCÁNERS 3D Industria: control de mecanizados de alta precisión con tolerancias muy estrictas, escalado de diseños. Arquitectura: para obtener modelos precisos de la situación real de un edificio, detectar sus movimientos y deformaciones. Entretenimiento: los artistas suelen realizar modelos físicos que son luego escaneados para crear modelos digitales en un ordenador. Documentación del patrimonio cultural mediante escaneo de sitios y objetos de valor histórico. Aplicaciones médicas: creación de ortopedias, protesis e implantes dentales Sistemas de información geográfica y geomática. Realización de prototipos en combinación con impresoras 3D. Una impresora 3D es un tipo de impresora que permite realizar objetos tridimensionales mediante la adición sucesiva de capas de material a partir de un modelo digital 3D del objeto. Dispositivos optoelectrónicos