Problémové okruhy ke zkoušce A3M38VBM Videometrie a bezkontaktní měření ls 2014 Optické záření- základní vlastnosti optického záření a veličiny a

Transkript

1 Problémové okruhy ke zkoušce A3M38VBM Videometrie a bezkontaktní měření ls 2014 Optické záření- základní vlastnosti optického záření a veličiny a vztahy sloužící pro jeho popis (např. svítivost, zářivost, intenzita vyzařování, jas, zář, měrná zářivost, osvětlení, Bodový, plošný zářič, Lambertovský (kosinový) zářič, vztah mezi září a intenzitou vyzařování Lambertovského zářiče, definice veličin a příslušné výpočty. Přepočet mezi radiometrickými a fotometrickými veličinami. Intenzita záření, průchod záření částečně pohlcujícím prostředím. Zákon odrazu, zákon lomu, jejich využití, výpočty. Chování záření na optickém rozhraní, geometrické a výkonové poměry. Fresnelův odraz záření na optickém rozhraní, určení intenzity odraženého záření. Matnice, opticky difuzní materiál, optický difuzér a jeho použití. Vlastnosti povrchu objektů z hlediska odrazivosti. Povrchy materiálů, matné (difusní odraz), lesklé, využití při kontrole stavu povrchu, podstata barevnosti povrchů, absorpční filtry, densita, princip činnosti barevných absorpčních filtrů, šedý absorpční filtr. Výpočet osvětlení plochy bodovým zdrojem světla, vztah záře a plošné hustoty vyzařování povrhu kosinového (Lambertovského zářiče). Pojmy dávka a expozice. Zákon odrazu a zákon lomu. Koutový odrážeč, princip, uspořádání, jeho působení na optické záření. Bodový, plošný zářič, Lambertovský zářič (difůzní povrch zářiče), metody měření směrových charakteristik polovodičových zdrojů a detektorů záření. Potlačení vlivu rušivého okolního světla při měření pomocí fotodiody, modulace záření, vyhodnocovací obvody, řízený usměrňovač. Chování záření při průchodu více prostředími s různým indexem lomu, antireflexní vrstvy, podstata interferenčních filtrů. Absorpční filtry, šedý a barevný filtr, podstata barevnosti povrchů objektů. Densita, princip činnosti barevných absorpčních filtrů, šedý absorpční filtr. Fotodioda, PIN fotodioda, princip funkce, vlastnosti, Volta-ampérové charakteristiky fotodiod. Zapojení do obvodu + návazné elektronické obvody, režimy činnosti fotodiody. Potlačení vlivu rušivého okolního světla při měření pomocí fotodiody, modulace záření, vyhodnocovací obvody, řízený usměrňovač. Použití modulace záření a řízeného usměrňovače. Teoretická mez citlivosti fotodiody, určení velikosti proudu fotodiody vyvolaného dopadem záření. Kvantová účinnost. Pojem hloubka vniku záření, velikost hloubky vniku záření do křemíku v závislsoti na vlnové délce záření. Rozsah vlnových délek záření, pro které je teoreticky možno použít obrazové senzory na bázi křemíku. Podstat omezení detekce pro záření o velkých a malých vlnových délkách. Provoz fotodiody nakrátko, naprázdno a se záporným předpětím. Změna kapacity PN přechodu s předpětím. Snímače s procházejícím (transmisní - optické závory) a odraženým zářením - reflexní snímače, koutový odražeč odrazka a její použití ve snímačích. Potlačení rušivých vlivů. Bezdotykové měření polohy s využitím fotodiod, potlačení vlivu rušivého okolního světla při měření pomocí fotodiody. Optoelektronické reflexní snímače s difuzním odrazem a snímače s odrazkou. Použití optoelektronických reflexních snímačů.

2 Snímače CCD; MOS kapacitor jako fotocitlivý prvek, posuvný registr CCD (dvou, tří a čtyřfázový), výstupní nábojový detektor. CCD řádkové snímače, druhy, funkce. Plošný snímač CCD typu interline, frame transfer, frame- interline transfer, full frame. Formáty plošných snímačů CCD. Sumační mód snímače CCD. Snímače CCD se zadním osvětlením. Fotonový šum a jeho působení na výsledný signál. Určení počtu šumových fotonů, teoretický limit hodnoty poměru odstup - signál šum, určení celkového počtu fotonů dopadlých na fotoelement za dobu expozice. Omezení dané fotonovým šumem a plnou kapacitou fotoelementu. Signál za tmy snímačů, podstata jeho vzniku u senzorů CCD a senzorů CMOS. Závislost signálu za tmy na teplotě. Fotonový šum, určení počtu šumových fotonů, teoretický limit hodnoty poměru odstup - signál šum, určení celkového počtu fotonů dopadlých na fotoelement za dobu expozice. Obrazový senzor CMOS, fotocitlivé prvky, uspořádání a funkce. Použití a omezení závěrky typu Rolling Shutter. Tvorba videosignálu dle standardu CCIR, PAL. Videosignál v jednom řádku, časové a napěťové parametry. Formát a rozlišení v obrazu z CCD kamery. Nyquistova prostorová frekvence, aliasing při snímání vznik moiré obrazu. Souvislost vlnové délky záření, jeho hloubky vniku a její působení na rozlišovací schopnost snímače (přenos detailů obrazu). Spektrální oblast citlivosti snímačů na bázi křemíku. Optika: Zjednodušený popis chování objektivu jako tenké čočky. Zobrazovací rovnice (Newtonova, Gaussova, zvětšení objektivu. Zobrazovací objektiv, vlastnosti a parametry (ohnisková vzdálenost, úhel obrazového pole, zvětšení). Ohnisko předmětové, obrazové, ohnisková rovina. Zobrazení bodu (z nekonečna) telecentrickým svazkem paprsků. Mezikroužky a předsádkové čočky- význam a použití. Objektivy s mechanickým připojením Optika: zjednodušený popis chování objektivu jako tenké čočky. Zobrazovací rovnice (Newtonova a Gaussova, zvětšení objektivu. Zobrazovací objektiv, vlastnosti a parametry (ohnisková vzdálenost, úhel obrazového pole, zvětšení). Ohnisko předmětové, obrazové, ohnisková rovina. Zobrazení bodu (z nekonečna) telecentrickým svazkem paprsků. Přenos záření objektivem z hlediska radiometrických veličin, výpočet osvětlení obrazového snímače v ose. Generace rovnoběžného svazku paprsků bodovým zdrojem záření v ohnisku optické soustavy. Mezikroužky a předsádkové čočky- význam a použití. Objektivy s mechanickým připojením C a CS, základní rozdíl mezi nimi. Poloha obrazové ohniskové roviny u těchto objektivů. Clona a clonové číslo objektivu. Výpočet parametrů potřebného objektivu při snímání scény, určení ohniskové vzdálenosti a předmětové vzdálenosti. Změna osvětlení snímače s nastavením clonového čísla objektivu, vysvětlení souvislosti hloubky ostrosti zobrazeni a použitého clonového čísla, Předsádková čočka a její použití při snímání blízkých předmětů (dle cvičení a návodu). Předsádková čočka, její použití, poloha předmětu snímaného kamerou s předsádkovou čočkou. Optická přenosová funkce objektivu OTF, difrakční limit působení ohybových jevů v ideálním objektivu. Pojem difrakční limit objektivu. Pro dosažení zobrazení detailů obrazu na obrazovém senzoru při optimálně zaostřeném objektivu je vhodné (z hlediska působení ohybových jevů) použít velké nebo menší clonové číslo? Vysvětlete volbu.

3 Telecentrický objektiv, jeho základní vlastnosti z hlediska uživatele a výhody při měření rozměru objektů. Zdroje osvětlení, zvlnění svítivosti osvětlovačů s přímým napájením ze sítě 230 V/ 50 Hz. Uspořádání- osvětlovač, snímaný objekt, kamera při kontrole hladkých povrchů objektů. Absorpční filtry, šedý a barevný filtr, podstata barevnosti povrchů objektů. Některé vybrané doplňkové otázky pro kontrolu pochopení látky: -Pokud je povrch ozářen intenzitou ozáření 1 W/m 2, monochromatického záření o vlnové délce 555 nm, jaké to představuje osvětlení? -Jaké bude osvětlení povrchu, pokud bude ozářen červeným monochromatickým světlem, pro nějž je hodnota Vλ = 0,25, a intenzita ozáření povrchu je 1 W/m 2? -Jaký je vztah mezi fotometrickými veličinami a radiometrickými veličinami? -Pod jakým největším úhlem může dopadat světelný paprsek na optické rozhraní sklo - vzduch, aby došlo jeho lomu a mohl pokračovat dále (pozn. paprsek má vystupovat ze skla s indexem lomu n= 1,52 do vzduchu). Znázorněte situaci, jaká by nastala, pokud by paprsek dopadal na rozhraní pod větším úhlem. - Vysvětlete a graficky znázorněte princip koutového odražeče a popište jeho použití v optoelektronických senzorech. -Co je to Lambertovský (kosinový) zářič? - Malá rovinná plocha bílého papíru (s matným povrchem) je ozářena dopadajícím světlem. Jak se mění jas povrchu z hlediska pozorovatele při různém úhlu pohledu? Jak se mění svítivost tohoto sekundárního zářiče úhlem odklonu od osy kolmé k povrchu? -Co je to matnice a jak se chová při dopadu rovnoběžného svazku paprsků z jedné strany na její plochu? -Co je to čirý a (opticky) difuzní materiál? -Čím je způsobena barevnost povrchů objektů (kterou vlastností materiálu)? -Proč se bílý papír s nanesenou žlutou (např. vodovou) barvou jeví žlutý, proč to neplatí v případě stejné žluté barvy nanesené na černém papíře? -Jak souvisí barva povrchu viděná pozorovatelem s použitým zdrojem světla (jeho spektrálním složením)? Vysvětlete aspekty volby monochromatického (např. červeného, zeleného,..) světla pro osvětlení scény snímané kamerou. Proč je nutné i při použití monochromatické kamery pro osvětlení scény používat bílé světlo? -Co se děje se zářením, které neprojde absorpčním filtrem a jak je tomu u interferenčního filtru? -Jak klesá intenzita záření v absorbujícím prostředí (jaké funkci to odpovídá)? -Jak se chová záření, které dopadá v rovnoběžném svazku na povrchy: hladký lesklý, částečně lesklý a povrch matný, po svém odrazu? K čemu se daného jevu může využít při snímání objektu? -Jak velká část záření se odrazí působením Fresnelova odrazu při kolmém dopadu na povrch skla s indexem lomu n = 1,5? -Jaké napětí naprázdno je přibližně u osvětlené fotodiody? Na které elektrodě bude kladné napětí? Jakým směrem bude protékat proud při zkratování vývodů osvětlené fotodiody?

4 Závisí ( teoreticky) velikost napětí naprázdno ozářené fotodiody na velikosti její plochy? -Jak závisí velikost proudu nakrátko ozářené fotodiody na velikosti její plochy? -Jak se mění velikost proudu nakrátko fotodiody v závislosti na intenzitě ozáření? - Jaké napětí naprázdno je přibližně u osvětlené fotodiody? Na které elektrodě bude kladné napětí? Jakým směrem bude protékat proud při zkratování vývodů osvětlené fotodiody? - Může se křemíková fotodioda využít pro detekci záření o vlnové délce 1,5 mikrometru? Odpověď zdůvodněte a vysvětlete. Čím je omezena oblast vlnových délek záření pro jeho detekci křemíkovou fotodiodou? Čím je způsobeno omezení použitelnosti křemíkové fotodiody pro detekci ultrafialového záření. Odpověď vysvětlete v souvislosti s hloubkou vniku záření. - Nakreslete volt-ampérové charakteristiky fotodiody a vysvětlete. Určete oblasti ( přímky) pracovního bodu fotodiody při provozu nakrátko, naprázdno a se závěrným předpětím. Proč se používá při snímání rychle proměnných dějů fotodioda se závěrným předpětím? -Proč se vyrábějí snímače CCD typu Full Frame Sensor pro zadní osvětlení? Jak to souvisí s ůsobením polykrystalických elektrod na procházející záření u standardních snímačů? -Kde se nachází obraz velmi vzdáleného předmětu, jak má být umístěn snímač vůči optické soustavě. -V čem spočívá ostření objektivu, v čem se odlišuje telecentrický objektiv od normálního objektivu, lze použít objektiv s danou ohniskovou vzdáleností (např. f = 16 mm pro všechny velikosti snímačů CCD, např. pro plošné i řádkové snímače, v čem spočívá omezení. -Jak se změní osvětlení snímače, pokud se clonové číslo objektivu změní z čísla 4 na 5,6, případně na 2,8? - Jak souvisí nastavené clonové číslo objektivu s hloubkou ostrosti zobrazení? -Při jakém uspořádání mají předmět i jeho obraz vytvořený objektivem stejnou velikost? Jaké budou vzdálenosti z a z? -Co je to telecentrický svazek paprsků? Jak se pomocí čočky a laserové diody vytvoří telecentrický svazek paprsků? -Jakou frekvencí bliká žárovkový, případně zářivkový osvětlovač napájený ze sítě 230V/ 50 Hz? Jakou dobu integrace je vhodné volit, aby se neprojevily rušivé jevy způsobené blikáním osvětlovače? -Co se děje se zářením, které neprojde absorpčním filtrem? -Čím (jak) je určena doba expozice us snímače CMOS typu Rolling shutter? Je možné, aby doba expozice byle menší, než je perioda čtení obrazové informace? - Jak je možno měnit režimy čtení informace z pole obrazového snímače CMOS? Musí být u standardních snímačů čtené obrazové pole souvislé, nebo je možné, aby bylo rozděleno na více libovolných částí. -Jakým způsobem se programuje (jakým rozhraním se zadává informace) do snímače CMOS? - Je možné, aby se u plošného snímače CCD programově měnila velikost čteného pole - podobně jako o snímače CMOS? Pokud ne, tak proč a odpověď vysvětlete.

5 -Kamerou dle standardu CCIR ( černobílá) se snímá obraz, kdy je v zorném poli vertikálně orientovaných 5 černých a 5 bílých pruhů. Nakreslete videosignál v jednom TV řádku a určete časy. Jakou doba bude odpovídat jednomu černému, případně bílému pruhu? -Kolik aktivních (nesoucích informaci o obrazu) TV řádek je v jednom snímku videosignálu dle standardu CCIR? - Popište, čím se odlišuje videosugnál barevné kamery se standardem PAL od signálu dle standardu CCIR? Nakreslete schematicky videosignál dle standardu PAL v jedno řádku při snímání šedivé ( nebarevné) předlohy a při snímání barevné předlohy. Některé příklady pro procvičení znalostí ke zkoušce 1) Bodový zdroj záření je vzdálen od stěny 2 m. Odrazivost povrchu stěny je 0,5 a je možno ji považovat za difúzní povrch (Lambertovský zářič). Jasoměrem byl zjištěn jas osvětlené stěny v místě nejbližším zdroji v hodnotě 85 nt. Jaká je svítivost zdroje, kterým byla stěna osvětlena? 2) Bodový (všesměrový) zdroj záření je umístěn 3m nad podložkou. Měřič osvětlení, který byl položen na podložce ve vzdálenosti 2 m od normály k rovině podložky procházející zdrojem záření, určil osvětlení podložky v tomto místě v hodnotě 10 Luxů. Jaká je svítivost zdroje a jaký světelný tok vyzařuje? 3) Příklad pro výpočty při volbě objektivu CCD kamera se snímačem 1/2 palce (6,4 mm x 4,8 mm) má objektiv o ohniskové délce f = 70 mm, jehož mechanický posun v závitu umožňuje změnu zaostření v rozsahu od nekonečna do vzdálenosti 500 mm od prvního optického členu objektivu (,,čelní čočky''). (Předpokládejte, že ohnisko v předmětovém prostoru je umístěno 20 mm před touto čočkou.) Kamerou je potřeba ve výrobě měřit rozměr kontaktu konektoru tak, aby rozsah měření rozměru byl 40 mm. - Navrhněte uspořádání měření a určete vzdálenost a polohu jednotlivých dílů. [ Měřený předmět - Objektiv - Mezikroužek délky dm' - Snímač ] - Jak velký mezikroužek by bylo teoreticky potřeba použít? [ dm' = 11,2 mm pro objektiv zaostřený na nekonečno a dm' = 1 mm pro objektiv zaostřený naminimum ] - Jaká bude vzdálenost objektu od čelní čočky? [ xm = 457,3 mm ] - Jaký bude úhel obrazového pole CCD kamery ve vodorovném směru (ve směru řádků). [ 2 = 4,52 ] - Jestliže jsou k dispozici mezikroužky o délce 40, 20, 10, 5 mm, jak zvolíte mezikroužky? (Je možné je v libovolném počtu vzájemně kombinovat.) [ 10 mm nebo 2 x 5 mm ] - Jak se bude řešit situace nastavením stupnice ostření objektivu při použití Vámi zvoleného mezikroužku, jestliže je nutno zachovat požadované zvětšení? Na jakou vzdálenost by v tomto případě ukazovala značka ostření na objektivu na stupnici vzdálenosti (pokud by byly vyneseny v hodnotách vzdálenosti objektu od čelní čočky)?

6 [ x = 4103 mm ; vo = 1,2 mm] -Jaký je maximální výtah tohoto objektivu (posun objektivu při ostření)? [ vo = 10,2 mm ]