3. SENZORY S OPTICKÝM PRINCÍPOM

Transcript

1 3 SENZORY S OPTICKÝM PRINCÍPOM Využívajú svetelný tk v rôznej pdbe na vytvrenie výstupnéh signálu Základné skupiny sú : ftelektrické - gemetrická ptika a vplyvňvanie svetelnéh tku meranu veličinu, menšia dynamika ptelektrnické - i vlnvá pdstata svetla, vyská dynamika, väčšie nárky na zdrje a snímače svetla statné - splupracujú s inými princípmi (akustptika) Pdľa činnsti : spjité - spjitá zmena výstupu dvjhdntvé - len "svetl - tma" (max a min) impulzné - peridický dvjhdntvý režim 3 Vlastnsti svetla Môžme písať : kvantita - ftmetria kvalita - spektrum, plarizácia, kherencia 3 Základné ftmetrické veličiny Veličina Jedntka Definícia Rvnica Svietivsť I kandela [cd] svietivsť v smere zdrja, mnžiarenie 5400 Hz žiarivsť /683 [W/sr] základná veličina Svetelný tk Φ lumen [lm] = cdsr bdvý zdrj svietivsti cd d uhla steradián Φ = I Ω Ω -priest uhl Intenzita svetlenia E lux [lx] = lm/m pdiel svetelnéh tku a plchy, na ktrú dpadá E = Φ / A A - plcha Jas L [cd/m ] stará [nit] pdiel svietivsti a zdanlivej plchy (klmý priemet na primárny tk) v danm smere L = I / A Pzn "ANSI Lumen" merané na viac miestach spriemernenie (prjektry)

2 3 Spektrálna charakteristika Vlnvá pdstata niekľk definícií : mnchrmatické žiarenie - LED a laservé diódy kherentné žiarenie - všetky elementárne lúče sú navzájm v fáze, vznikajú v rvnakm čase v rvnakm mieste (lasery), nutná pdmienka je mnchrmatičnsť žiarenia plarizvané žiarenie (svetl) - bsahuje kmitanie len v jednej rvine rel citlivsť ľudskéh ka λ [nm] UV fial mdr zel žlt ranž červ viditeľné svetl IR Obr IR - Infrared - časté využitie pre senzry (760nm) UV - Ultravilet - výbjky, špeciálne blasti (380nm) Teplta chrmatičnsti (farebná teplta) Fiktívna teplta zdrja svetla v [K] : sviečka 900 K žiarvka (tungsten) K slnk K zamrač blha K biele LED K mdrá blha K Pznámka: Paradxne sa "teplými farbami" nazývajú tie, ktré majú nízku farebnú tepltu Základné časti ptických - ftelektrických systémv sú :

3 zdrje svetla - žiarvky, LED, výbjky, blúkvky snímače svetla - ftdiódy, fttranzistry, ftdpry ptická cesta - ššvky, zrkadlá, filtre, clny, štrbiny 3 Zdrje svetla 3 Žiarvky 80 % výknu sa mení na tepl Svetelná účinnsť η je definvaná : η = svetelný výkn elektrický príkn a stúpa s tepltu vlákna Pznámka: Praktické je vyjadrenie v lm/w Nrmálne žiarvky sú plnené : vákuum (3V / 0,-0,3A) dusík + argón - znížený tlak (klasické 30 V) kryptón, xenón - atmsférický tlak (0,7-0,9A) Wlfrámvé (wlfrám - tungsten) vlákn má tepltu 900 K, η je cca 5-8 lm/w, úbytk pčas živtnsti asi 5 % Striedavá zlžka svetla pre 0 V/50 Hz je asi 7 % Pznámka: pdžeravené žiarvky, dlhšia živtnsť Halgénvé žiarvky (tzv halgénvý regeneračný prces) Banka - kremičité skl, wlfrámvé vlákn + plyny J, Br, Cl, F W vlákn (> 900 C) dparvanie W usadenie na vnútrnej stene banky ( C) zlúčeniny (W + halgény) phyb zlúčenín v priestre usadenie na W vlákne ak teplta je > 900 C disciácia halgény d priestru, W zstáva na vlákne Vlákn je žeravené až na 300 K pri živtnsti 000 hdín Výkn (účinnsť) je cca 0-35 lm/w Pznámka: Xenónvé výbjky (aut) - zdrj ziarenia je výbj v plyne, vyzadujú vyské napätie - menič Pznámka: Pri AC zaradená dióda: U na 50%, sptreba na 60%, svet výkn na 30%

4 3 Svetl emitujúce diódy (LED) Viditeľný P - N prechd V - A charakteristika je ak dióda, U prah je pdľa typu,5 3,5 V Jas (svietivsť) je úmerný prúdu Živtnsť, (pkles svietivsti na plvicu), je hd ( 4 rkv) Spínacie časy < 00ns, Svetl je mnchrmatické V senzrvej technike - IR diódy ( nm) Biele LED : - s luminfrm (knverzia žiarenia) - multiprechdvé (multichip) MO + ŽL, RGB fsfrencencia (žltzelená) držiak (katóda) O luminiscencia (mdrá) čip mdrej LED drôtik (anóda) luminfr Obr rel I lumin fsfr λ [nm] U prah 3,3-3,6 V Záverný smer - LEN jedntky V!! Účinnsť: malé (0mW) 5-0 lm/w, W 5-5 lm/w, 3W a viac až 80 lm/w Prúdy : 0-30 ma pre tzv malé (40mW) 350 ma pre, W (Luxen) Existujú už i 3W a viac diódy, kde sú prúdy patrične vyššie a treba chladenie Pznámka: Charakteristika je strmá, treba bmedzenie: - R - regulátr - mäkký zdrj

5 33 Ftdetektry 33 Ftdiódy - rýchle, mál citlivé I F U R svetl (E ) tma Z U I k 3 U F U,I U I k E [lx] a) I R Obr 3 b) - dprvý režim v priepustnm smere (rastie E klesá I R ) 3 - hradlvý režim (U 0 je výst napätie naprázdn, I k je výst prúd nakrátk) Z - pracvný bd necitlivý na svetl 33 Fttranzistry Sú citlivejšie, ale i ztrvačnejšie ak ftdiódy V bvdch samstatne, aleb s diódami, prípadne Darlingtn Hdntu P Cmax treba ddržať, kritická pri "pltvrenm" tranzistre Spektrálne skôr v IR blati ( nm) I c P c max E 3 > E I Rf svetl I C max pracvná E > E E >E I k P c max zakázaná blasť blasť E = 0 U CE tma a) U CE max Obr4 b) U N UR f

6 333 Ftdpry Najcitlivejšie, ale súčasne najztrvačnejšie prvky Spektrálne skôr d viditeľnej blasti ( nm) V - A charakteristiky sú na br 35b U Rf a I Rf sú napätie a prúd ftdpru Priamka - bvd, v sérii je R s ftdprm Napájanie sústavy U N, I k = U N /R Časv a tepltne závislé Odpr sa mení cca 00 Ω 0 MΩ (úplná tma) Ftónky, ftnásbiče Φv A A + + A + 3 A + 4 výstup - katóda K - + anóda skl zátav Obr ftón elektrón 3 sekundárny elektrón Φv 34 Optické členy bvdv 34 Ššvky n α n α n n β β n > n Obr6 n < n

7 34 Základné typy ššviek spjné - i samstatne (knvexné) rzptylné - dplnk spjných (knkávne) Reálny braz - dá sa zachytiť na priemetňu, napr papier, prevrátený Zdanlivý braz - nedá sa zachytiť na priemetňu, neprevrátený a zväčšený Základné pužívané tvary ššviek sú na br 7, kde máme : a) spjná ššvka b) rzptylná ššvka c) Fresnelva ššvka d) valcvá ššvka c) a) b) Obr7 d) Parametre ššvky sú znázrnené na br 8a tmelený člen F F φd f ptický tmel a) Obr 8 Sú t : hniskvá vzdialensť f, udáva sa v [mm] priemer ššvky φ D, (svetelnsť) b)

8 Optická mhutnsť M : M = f [D ; m; ] jedntka je diptria D, pričm: + D spjná D rzptylná Relatívny tvr, pri bjektívch svetelnsť "s" s = f [mm] φ D [mm] s (;, 4 ; ;, 8; 4; 5, 6; 8; ; 6; ; atd) Každý ďalší člen prepúšťa /, aleb dvjnásbk svetla prti susednému členu Najznámejšie sústavy sú : kndenzr : až 3 ššvky (jednduchšie len ) bjektív : 3 0 ššviek, zbrazvanie Objektív Krigvané pti vady astigmatizmus (bd nie je bd mim si) kma (bd je "kméta" mim s) aberácia: chrmatická - iné λ, iný lm (farebné lemvanie hrán) sférická - na guľ plche sa lámu lúče na kraji inak ak v strede (nestrsť), spjky a rzptylky majú iné znamienk skreslenia - súdkvité, pduškvité Krekcie : kmbinácia spjky - rzptylky rôzne typy skla (index lmu) asférické ššvky (neguľvé plchy) Premenlivá f - ZOOM (4-90/,8-3,5) Údaje na brube : výrbca, typ f a s, napr f = 50 mm, :,8 aleb frmu zlmku,8/50 (niekedy 50/,8) zm a jeh rzsah (reálny),8-3,3/6-7 (rzumie sa v mm) ASPHERICAL - bsahuje asf členy IS - image stabilizer (ptická stab brazu prti rzhýbaniu) φ 68 - priemer príslušenstva (filtre)

9 343 Optické zbrazenie ššvku reálny braz, len spjné ššvky Princíp je na br9 predmet F F f braz a b Obr9 f - hniskvá vzdialensť a - predmetvá vzdialensť b - brazvá vzdialensť Ostrý braz - platí zbrazvacia rvnica : a + b = f (3 - ) zväčšenie z = b (3 - ) a Zastrvanie a i f sú dané, zastrenie zmenu b Pre predmet v je b = f, pre všetky statné a je b väčšie 344 Zrkadlá rvinné duté - majú hnisk vypuklé - zdanlivý braz plpriepustné - prblémy s plarizvaným svetlm 345 Filtre Selekcia vlnvých dĺžk Plarizačné filtre - lineárna, kruhvá plarizácia Pznámka: Filtre sa musia aplikvat v rvnbežnm zväzku lúčv, inak pôsbia ak pt klin - psúvajú priesečník lúčv

10 346Ostatné prvky Hranly (trjbký, pentagnálny), clny, štrbiny, tieniace krídelká, ptické mriežky, šedý klin Príklad na štrbiny ω Φ Φ d Obr 0 pevná štrbina rtujúce štrbiny Príklad na ptické mriežky Φ λ 3 A Φ A Φ B + x λ/4 4 B 90 + x + Obr 4 OPTOELEKTRONIKA Skôr vlnvá pdstata žiarenia λ v IR blasti nm Vláknvá ptika až 400 nm (ideálne) Využitie princípv je približne v blastiach : displeje vláknvá ptika : prens infrmácií, senzrvá technika laservá technika - interferenčné merania, hlgrafia, prens a záznam infrmácií

11 ptčleny - ddelenie bvdv zbrazvacia technika - PSD, CCD prvky splupráca s inými dbrmi - akustptika 4 Zdrje žiarenia LED - menej nárčné účely laservá dióda - čiastčne mnchrmatické, nárčnejšie úlhy, lasery (plynvé) - mnchrmatické a kherentné svetl 4 LED - diódy v senzrvej technike takmer výlučne v IR blasti rýchle prvky, 0 ns impulzy splupráca s svetlvdmi 4 Laservé diódy Stimulvaná emisia - zsilnenie ptickým reznátrm (Fabry - Piertv) P P max stimulvaná emisia prac blasť 0,6 mm 4 3 P N P min spntánna emisia I p I max I I = 80 50mA p φ mm Obr strmá charakteristika,veľké prúdy - regulácia (spätná väzba d ftdiódy) farba červená (nvé zelená, mdrá) 43 Lasery lasery v pevnej fáze - žiarenie prdukuje tuhá látka kvapalinvé - mžnsť preladenia plynvé - menšia účinnsť, vyská kherentnsť

12 Lasery pracujú s čerpaním pmcnej energie, najčastejšie svetelnej, zdrje: výbjky laservé diódy (čast IR) mechanicky rzdelené ŽIARENIE Obr 3 - výbjka (zdrj svetelnej energie) 4 - plpriepustné zrkadl - aktívna (svetl emitujúca) látka 5 - ššvka (klimačná) 3 - drazné, nepriepustné zrkadl 6 - delené eliptické zrkadl Optický reznátr (-3-4) Nevýknvé využitie laserv je pre : prens infrmácií (ptvlákna) hlgrafia meranie vzdialenstí (gemetrické, interferenčné) Pznámka: Kherentnsť charakterizuje tzv "kherenčná dĺžka" Na tejt vzdialensti (rádv m), je s určitu presnsťu fáza zaručená 4 Vláknvá ptika bvykle 4 blasti využitia : prens brazv - zväzkm elementárnych svetlvdv, prens analógvých signálv - nárčný, mál pužívaný prens číslicvých signálv - najčastejšia aplikácia ptvláknvé senzry

13 4 Elementárny svetlvd Princíp abslútneh drazu d rzhrania dvch prstredí n > n n n 0 n plášť ϕ 0 draz nižšieh rádu ϕ k jadr ttálny draz draz vyššieh rádu Obr 4 Multimódvé (mnhvidvé) vlákna Priemer jadra je > 0 µm Jednvidvé (mnmódvé) vlákna majú menší priemer jadra ( 5 µm), Ak R > 0r (R je plmer zakrivenia, r je plmer vlákna) nenastáva zmena Straty - viac zlžiek, súhrnne v db/km Pracvné λ zatiaľ kl µm, perspektívne (min straty) kl, µm a,5,6 µm 4 Knštrukcia ptvláken a káblv Nevyhnutné sú dve základné časti, jadr a plášť PCS (Plymer Clad Silica) Jadr z kremičitéh skla (n ) bal plymér (n ) 43 Snímače žiarenia V ptelektrnike : fttranzistry ftdiódy Fttranzistry menej nárčné účely (ptčleny) Ftdiódy sú menej citlivé, ale rýchlejšie prvky nrmálna (názv len ftdióda) lavínvá ftdióda - závernm smere, kde sa tvára svetlm PIN ftdióda, medzi P a N má dprvú vrstvu I

14 Lavínvá ftdióda - zapjenie a charakteristika + výst 4 3 I D [ma] E > 0 (svetl) E = 0 (tma) Δ I Dmax U KA 6V 6V [V] Obr 5 PIN ftdióda - štruktúra a zapjenie Φv P + I N + vyst Obr 6 splčné znaky: rýchle deje [ps] malý vst tvr pre svetl (svetlvd) dprvý režim - pmcný zdrj 43 Snímače pre špeciálne účely PSD prvky (Psitin Sensitive Device) lineárne - pre jednu súradnicu plšné - pre dve súradnice

15 zberné elektródy 3 svetelný lúč y Lx x 4 I 4 I I I 3 I 0 splčná elektróda (plarizačné predpätie) Obr 7 Pznámka: PSD vyhdncujú plhu lúča, nie infrmáciu intenzite lúča, čím sa líšia d CCD Z miesta dpadu lúča tečú 4 prúdy k zberným elektródam Vyhdntenie súradníc je pdľa vzťahv : x = I I I + I L x y = I 4 I 3 I 3 + I 4 L x Príklad parametrv : rzmery akt plchy 30 x 30 mm celkvý prúd I 0 = µa!! (cez splčnú elektródu) rzlíšenie µm, chyba ± 0,9 % CCD prvky (Charge Cupled Device) Pri kamervých systémch