3. SENZORY S OPTICKÝM PRINCÍPOM Využívajú svetelný tk v rôznej pdbe na vytvrenie výstupnéh signálu. V tejt kapitle sú písané systémy, využívajúce najmä gemetrické princípy šírenia svetla. Nazývajú sa, (resp. časť z nich) tiež ftelektrické. Úvd tvrí stručné zpakvanie vlastnstí svetla a ptiky. Základné skupiny senzrv sú : ftelektrické - využívajú väčšinu gemetrickú ptiku a vplyvňvanie svetelnéh tku meranu veličinu, menšia dynamika ptelektrnické - využívajú i vlnvú pdstatu svetla, vyská dynamika, väčšie nárky na zdrje a snímače svetla statné - splupracujú s inými princípmi (akustptika) Pznámka: Presnú hranicu medzi ftelektrickými a ptelektrnickými systémami je ťažk stanviť, môžu sa prelínať. Pdľa činnsti rzznávame : spjité - spjitá zmena výstupu dvjhdntvé - len "svetl - tma" (max. a min. výst. signál) impulzné - peridicky pakvaný dvjhdntvý režim 3.. Vlastnsti svetla Pre svetl je vyjadrená : kvantita - ftmetria kvalita - spektrum, plarizácia, kherencia... 3... Základné ftmetrické veličiny Vyjadrujú merateľné " mnžstvvé" vlastnsti svetla, využiteľné sú najmä pre ftelektrické systémy. Najčastejšie je pužívaná intenzita svetlenia, leb sa dá pmerne jednduch zmerať (luxmeter). Na intenzitu svetlenia reagujú všetky snímače, pdľa nej menia elektrický parameter. Svietivsť charakterizuje zdrje svetla Svetelný tk je veličina, vplyvňvaná v ptickej ceste Jas charakterizuje "svietivsť" draznej plchy, ktrú svetlil primárny svetelný tk. Prehľad veličín je v nasledujúcej tabuľke.
Veličina Jedntka Definícia Rvnica Svietivsť I kandela [cd] svietivsť v smere zdrja, mnžiarenie 540.0 Hz žiarivsť /683 [W/sr] základná veličina Svetelný tk Φ lumen [lm] = cd.sr 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 3... Spektrálna charakteristika Charakterizuje žiarenie z hľadiska vlnvých dĺžk. Rzdelenie vlnvých dĺžk a prvnanie s ľudským km je na br. 33. Zatiaľ č ľudské k má maximum citlivsti v blasti žltzelenej (cca 570 nm), väčšina ptických systémv pracuje v blasti IR (infrared - infračervenej). Z vlnvej pdstaty vyplýva niekľk definícií : mnchrmatické žiarenie - bsahuje jednu, aleb úzku blasť vlnvých dĺžk, vzniká v LED a laservých diódach 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] 300 400 500 600 700 800 UV fialmdr zel žlt ranž červ. viditeľné svetl IR Obr. IR - Infrared (infračervené) - časté využitie pre senzry (760nm) UV - Ultravilet (ultrafialvé) - výbjky, špeciálne blasti (380nm)
Teplta chrmatičnsti (farebná teplta) Fiktívna teplta zdrja svetla v [K] a vplyvňuje správne farebné pdanie pri snímaní kameru: sviečka 900 K žiarvka (tungsten) 400-3000 K slnk 5500-6000 K zamrač. blha 6400-7000 K biele LED 6500-8000 K mdrá blha 3 000 K Pznámka: Paradxne sa "teplými farbami" nazývajú tie, ktré majú nízku farebnú tepltu. Základné časti ptických - ftelektrických systémv sú : zdrje svetla - žiarvky, LED, výbjky, blúkvky snímače svetla - ftdiódy, fttranzistry, ftdpry ptická cesta - ššvky, zrkadlá, filtre, clny, štrbiny 3.. Zdrje svetla 3... Žiarvky Sú stále veľmi častým zdrjm svetla. Majú vyskú svietivsť, č je hlavná výhda. Ak nevýhdu majú nižšiu živtnsť (spľahlivsť), zahrievanie sa v prevádzke, zmenu parametrv stárnutím. V žiarvkách sa až 80 % výknu mení na tepl. Účinnsť η je definvaná : η = svetelný výkn elektrický príkn a stúpa s tepltu vlákna S stúpajúcu tepltu vlákna však prudk klesá živtnsť vlákna, ktré sa dparuje a pary sa usadzujú na vnútrnej stene banky, čím klesá jej svetelná priepustnsť - svetelný tk žiarvky. Nrmálne žiarvky sú plnené : vákuum (3V / 0,-0,3A) dusík + argón pri zníženm tlaku (klasické 30 V) kryptón, xenón pri atmsférickm tlaku (prúdy 0,7-0,9A) Wlfrámvé (wlfrám - tungsten) vlákn má tepltu 900 K, Φ je cca 0 lm/w, úbytk pčas živtnsti asi 5 %. Striedavá zlžka svetla pre 0 V/50 Hz je asi 7 %.
Pznámka: V senzrvých systémch sa ptm kvôli živtnsti pužívajú čast pdžeravené žiarvky. Kvalitnejšie sú halgénvé žiarvky, ktré majú tzv. halgénvý regeneračný prces. Banka je vyrbená z kremičitéh skla, Wlfrámvé vlákn je bklpené plynmi (najlepší Xenón) s halgénvými prímesami (J, Br, Cl, F ). Prces môžme stručne naznačiť nasledujúcim dejm : W vlákn (> 900 C) dparvanie W usadenie na vnútrnej stene banky (50-900 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. Takt je vlákn peridicky bnvvané a mžn h žeraviť až na 300 K pri živtnsti 000 hdín. Svetelný výkn je cca lm/w. V svetle je väčší pdiel UV žiarenia. Teplta vlákna nesmie klesnúť pd 900 C, narušili by h halgény. Pdžeravenie je teda mžné max. 0 % v napätí. Dlhé trubkvé žiarvky musia pracvať v vdrvnej plhe (dchýľka ± 4 ), inak plyny klesajú dle a nebnvujú vlákn. 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%. 3-.. Ktré žiarvky sú výhdnejšie a aké kritériá treba zhľadniť? a.) vysknapäťvé, aleb tzv. "nrmálne", napr. 0 V/ 50 W b.) tzv. "nízkvltvé", napr. 4 V/ 50 W 3... Svetl emitujúce diódy (LED) Vyžarujú svetl z viditeľnéh P - N prechdu. V - A charakteristika je pdbná nrmálnej dióde, prahvé napätie je pdľa typu (farby),5 3,5 V v priepustnm smere. Jas (svietivsť) je úmerný prúdu a je nižší ak u žiarviek. Živtnsť, t.j. pkles svietivsti na plvicu, je kl 0 5 0 6 hd ( 4 rkv). Spínacie časy sú krátke (< 00ns), dajú sa pužiť i v ptelektrnike. Svetl je mnchrmatické. V senzrvej technike sú častejšie pužité IR diódy (800-000 nm). Výbjky a blúkvky Patria k vyskvýknným svetelným zdrjm, v ftelektrických systémch sa nepužívajú. Biele LED : - s luminfrm (knverzia žiarenia) - multiprechdvé (multichip) MO + ŽL, RGB LED s luminfrm - základm je mdrá LED (U prah 3,0-3,6 V). Jej žiarenie vybudí luminfr, ktrý žiari na svjej vlastnej vlnvej dĺžke. Zlžením týcht dvch žiarení vzniká viac - menej biele svetl. Luminfr by mal aj účinne pticky dfiltrvať mdré svetl.
LED multiprechdvé - využívajú skladanie svetla z základných farieb (LED diód), čipy sú v tesnej blízksti. Jednduchšie je z mdrej a žltej, kvalitnejšie z červ. zelenej a mdrej (RGB), sú isté prblémy pri zmene teplty a starnutí. fsfrencencia (žltzelená) držiak (katóda) O luminiscencia (mdrá). čip mdrej LED drôtik (anóda) luminfr Obr. rel I lumin fsfr λ 300 400 500 600 700 800 [nm] U prah 3,3-3,6 V. Záverný smer - LEN jedntky V!! Účinnsť 8- lm/w. Prúdy : 0-30 ma pre tzv. malé (40mW) 350 ma pre, W (Luxen). Existujú už i 3W a 5W diódy, kde sú prúdy patrične vyššie Pznámka: Charakteristika je strmá, treba bmedzenie. Mžný je dpr v sérii, regulátr, mäkký zdrj. 3.3. Ftdetektry 3.3.. Ftdiódy - rýchle, mál citlivé Sú najrýchlejšie a najmenej citlivé prvky. V - A charakteristiky sú na br.3a, výstupy pre hradlvý režim sú na br.3b. Obvyklé sú dva režimy práce: dprvý - pasívny, vyhdncujeme R, ptrebný pmcný zdrj hradlvý režim - aktívny, dióda je zdrj energie, výstup je U, aleb I
I F U R svetl (E ) tma I k Z U 3 U F U,I U I k E [lx] a.) I R Obr. 3. b.) Na charakteristikách br.3a máme blasti: - dprvý režim v závernm smere (rastie E rastie I R ) - dprvý režim v priepustnm smere (rastie E klesá I F ) 3 - hradlvý režim (U 0 je výst. napätie naprázdn, I k je výst. prúd nakrátk) Z - pracvný bd necitlivý na svetl V blasti je max. citlivsť a minimálna ztrvačnsť. Výstupné charakteristiky U 0 sú približne lgaritmické, pre I k lineárne (br.3b.), č je výhdnejšie. Treba však zabezpečiť prácu d nulvéh (minimálneh) dpru. Pužiteľné je zapjenie s OZ, prevdník I U. Ftdiódy sú citlivé (najmä kremíkvé) skôr v IR blasti 800 900 nm, špeciálne 000 nm. 3.3.. Fttranzistry Sú citlivejšie, ale i ztrvačnejšie ak ftdiódy. Obvykle majú len dva vývdy (klektr a emitr), báza je aktivvaná svetlm, ktré vstupuje cez miniatúrnu ššvku. Niekedy je vyvedená i báza, ptm je mžné vplyvniť elektricky parametre fttranzistra. Výstupné charakteristiky sú na br. 4a. Parameter je intenzita svetlenia na báze. Výber prvkv je pdľa parametrv U CEmax, I Cmax, P Cmax. V bvdch pracujú samstatne, aleb splu s diódami, prípadne v Darlingtnvm zapjení. Hdntu P Cmax treba ddržať, kritická môže byť pri "pltvrenm" tranzistre. Spektrálne sú citlivejšie päť skôr v IR blasti (800 000 nm).
I c Pcmax I C max pracvná blasť E 3 >E E >E E >E E = 0 U CE I Rf I k svetl P c max zakázaná blasť tma a.) U CE max Obr. 4. b.) U N UR f 3.3.3. Ftdpry Najcitlivejšie, ale súčasne najztrvačnejšie prvky. Spektrálne sú ladené skôr d viditeľnej blasti (500 600 nm). V - A charakteristiky s naznačením zakázanej výknvej blasti sú na br. 4b. Veličiny U Rf a I Rf sú napätie a prúd ftdpru. Naznačená priamka reprezentuje bvd, kde v sérii s ftdprm je zapjený dpr R. Celá sústava je napájaná napätím U N, pričm I k = U N /R. Obecne sú časv a tepltne viac závislé ak ftdiódy a fttranzistry. Ich dpr sa mení v rzsahu cca 00 Ω 0 MΩ (úplná tma). Menia iba pasívny parameter, t.j. dpr, rvnak pre striedavý a jednsmerný signál. Max. dpr (pre tmu) dsahujú rádv p [minútach]. 3-.. Č treba ddržať pri vytvrení reťazca zdrj svetla - ftdetektr, resp. aké ich vlastnsti treba zhľadniť? 3.3.4. Ftónky, ftnásbiče Sú t vákuvé, aleb plynm plnené prvky - elektrónky. Pužívajú sa na špeciálne účely. Ftnásbič má zatiaľ najvyššiu známu citlivsť z všetkých prvkv. Splčná nevýhda je pmerne vyské anódvé napätie (00-300V) a ptrebenie katódy. Princíp je na br.5. Φv A A + + A + 3 A + 4 výstup - katóda K - +. anóda skl zátav Obr.5 3 3 3 ftón elektrón 3 sekundárny elektrón Φv
3.4. Optické členy bvdv 3.4.. Ššvky Využíva sa princíp lmu lúčv na rzhraní dvch prstredí. Znázrnenie je na br.6. n n α n n α β β n > n Obr.6. n < n Veličiny n a n sú abslútne indexy lmu. n = ε r μ r sin α sin β = n n = n pričm μ r D pticky hustejšieh prstredia sa lúče lámu "ku klmici" (napr. z vzduchu d vdy), d pticky redšieh prstredia sa lúče lámu "d klmice". Pri väčšm uhle α lúč vôbec neprenikne d druhéh prstredia. Napr. phľad z vdy nad hladinu je kruhv bmedzený, za ním je draz späť d vdy. 3.4.. Základné typy ššviek spjné - využiteľné i samstatne na získanie reálneh brazu (knvexné) rzptylné - (knkávne) dplnk spjných v zlžitejších sústavách (bjektív) Reálny braz - dá sa zachytiť na priemetňu, napr. papier, prevrátený Zdanlivý braz - nedá sa zachytiť na priemetňu, neprevrátený a zväčšený Pznámka: Reálny braz je taký, ktrý sa dá zachytiť na nejakú priemetňu, napr. papier. Oprti riginálu je prevrátený a bvykle zmenšený. Zdanlivý braz je taký, ktrý sa nedá zachytiť na priemetňu, hci km h vidíme. Oprti riginálu je neprevrátený a zväčšený - princíp "lupy". Základné pužívané tvary ššviek sú na br. 7, kde máme : a.) spjná ššvka - v strede je hrubšia ak na krajch b.) rzptylná ššvka - v strede je tenšia ak na krajch c.) Fresnelva ššvka - spjná ššvka s veľku plchu d.) valcvá ššvka - špeciálna spjná ššvka
c.) a.) b.) Obr.7. d.) Spjné i rzptylné ššvky môžu mať rôzny tvar (vypuklsť), musia byť však zachvané kritériá hrúbky stred - kraj. Fresnelva ššvka pri veľkých rzmerch nahrádza klasickú, ktrá by bla veľká a ťažká. Oblúčiky sú časťu tvriacej plchy ekvivalentnej ššvky. Valcvá ššvka zbrazí bd ak priamku (v smere pzdĺžnej si), pužiteľné pre malé ftdetektry v snímačch plhy. Parametre ššvky sú znázrnené na br. 8a. Sú t : hniskvá vzdialensť f, udáva sa v [mm]. priemer ššvky φ D, d čh závisí relatívny tvr (svetelnsť) tmelený člen F F φd f ptický tmel a.) Obr. 8. b.) Ohniskvá vzdialensť je vzdialensť hniska d rviny ššvky. Udáva sa v [mm]. Niekedy sa udáva jej prevrátená hdnta, tzv. ptická mhutnsť M : Optická mhutnsť M : M = f [D ; m; ] jedntka je diptria D, pričm: + D spjná
D rzptylná Priemer ššvky φ D vplyvňuje mnžstv prechádzajúceh svetla. V pmere k f sa nazýva relatívny tvr, pri bjektívch svetelnsť s. Je vytvrená nrmalizvaná rada svetelnstí : s = f [mm] φ D [mm] s (;, 4 ; ;, 8; 4; 5, 6; 8; ; 6; ; atd.) Hdnty s sú prakticky väčšie ak a vybrané s z tabuľky majú vlastnsť : Každý ďalší člen prepúšťa /, aleb dvjnásbk svetla prti susednému členu. Jednduchá ššvka je pužiteľná len na nenárčné aplikácie, leb má značné ptické vady. Na ich kmpenzáciu sa pužívajú zlžené sústavy v kmbinácii s rzptylnými ššvkami. Výsledk má vždy charakter spjnej ššvky. Pužitie viacerých ššviek prináša prblémy viacnásbných drazv d plôch na rzhraní skl - vzduch. Ptlačenie tht efektu je mžné : pužitím tmelených členv br.8b. kde sa zmenší pčet vľných plôch stmelením viacerých ššviek d jednéh celku nanesením antireflexných vrstiev, č sú pary kvv, na vľné plchy. Kmbináciu rôznych druhv sa dá vplyvniť spektrálna priepustnsť. Niekedy sa značia MC (multicating). Najznámejšie zlžené sústavy sú : kndenzr - sústava až 3 ššviek, pužitie má v svetelných zdrjch bjektív - dbre krigvaná ptická sústava (3 0 ššviek), pužitie na zbrazvanie (kamery) Kndenzr vytvára z zdrja (kvázibdvéh) svetla rvnbežný zväzk lúčv, pužiteľný pre meracie účely. Objektív sa pužíva na sústredenie lúčv na ftelement, aleb na zbrazenie scény na brazvý senzr (CCD). Parametre bjektívu sú : hniskvá vzdialensť [mm] svetelnsť (max. relatívny tvr), bvykle z už uvedenéh radu Údaje bývajú na brube bjektívu : úplne vypísané, napr. f = 50 mm, :,8 aleb frmu zlmku,8/50 (niekedy 50/,8) Ohniskvá vzdialensť môže byť pevná, aleb premenlivá. Objektív s premenlivu hniskvu vzdialensťu sa nazýva ZOOM (transfkátr, varibjektív). Údaje bývajú frmu zlmku, dôležitejší je údaj f, ak násbnsť zmu. Príklad: 4-90/,8-3,5 (f je d 4 d 90 mm, s pritm klesá d,8 d 3,5) Základná vlastnsť bjektívu je krekcia ptických vád. Medzi najznámejšie patria: astigmatizmus (bd sa nezbrazí ak bd, ak je 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) Kmpletné údaje na brube : výrbca, typ (Minlta Rkkr) f a s, napr. f = 50 mm, :,8 aleb frmu zlmku,8/50 (niekedy 50/,8) zm a jeh rzsah (reálny, mm), svetelnsť,8-3,3/6-7 ASPHERICAL (ASPH skrátene) - bsahuje asférické členy IS - image stabilizer (ptická stab. brazu prti rzhýbaniu) φ 68 - priemer príslušenstva (filtre) 3.4.3. Optické zbrazenie ššvku Pre ptické zbrazenie reálneh brazu, t.j. takéh, ktrý sa dá zachytiť na priemetňu, sú pužiteľné len spjné ššvky - jednduché, aleb zlžené sústavy. Princíp je na br.9. predmet F F f braz a b Obr.9. f - hniskvá vzdialensť a - predmetvá vzdialensť b - brazvá vzdialensť Zbrazením získame reálny, prevrátený, zväčšený, aleb zmenšený braz. Ostr zbrazený bude, ak platí zbrazvacia rvnica : a + b = f zväčšenie z = b a Zväčšenie z je bvykle z <, ale môže byť i z >. Pre stré zbrazenie slúži ptm zastrvací systém. Keďže a i f sú dané, zastrenie sa rbí zmenu vzdialensti b. Pre predmet v je b = f, pre všetky statné a je b väčšie, teda rvinu ššvky vzďaľujeme d priemetne.
3.4.4. Zrkadlá sa pužívajú na zmenu smeru lúčv využitím drazu. Rzznávame zrkadlá : rvinné, menia smer lúčv duté - majú reálne hnisk, lúče sústreďujú dňh (guľvé, parablické) vypuklé - pužiteľné len pre zdanlivý braz plpriepustné - časť lúčv drážajú, časť prepúšťajú Optické zrkadlá sú pvrchv pkvené (prti dvjitému drazu) na sklenej, aleb kvvej pdlžke (pzr pri čistení), pričm typ kvu draznej vrstvy vplyvňuje spektrálnu "priepustnsť". Lacnejšie typy sú z plastu a drazná vrstva je Al. Pdbný prblém je pri plpriepustných zrkadlách, leb tiet sú tvrené parami kvv. Tiet majú naviac prblém pri prense - draze plarizvanéh svetla. 3.4.5. Filtre Najčastejšie majú tvar kruhvej dsky s planparalelnými plchami. Pužívajú sa na selekciu vlnvých dĺžk z danéh svetla. Časté sú filtre, prepúšťajúce len IR zlžku. Treba mať na pamäti, najmä pri väčších svetelných výknch, že zvyšné zadržané spektrum sa v filtri mení na tepl a pre vyššie výkny musia byť filtre patrične dimenzvané (chladenie). Špeciálne sú plarizačné filtre, ktré majú definvanú rvinu priepustnsti. Tát závisí d bvdvéh uhla natčenia filtra, pričm filter je klm na svetelný tk. Vlastná sklenená časť býva tčne ulžená, aby sa daná rvina dala nastaviť. Pznámka: Filtre sa musia aplikvat v rvnbežnm zväzku lúčv, inak pôsbia ak pt. klin - psúvajú priesečník lúčv. 3.4.6. Ostatné prvky Hranly (trjbký, pentagnálny), clny, štrbiny, tieniace krídelká, ptické mriežky, šedý klin sú dplnkvé členy na vplyvňvanie svetelnéh tku. Príklad na štrbiny, br. 0 ω Φ Fd Obr. 0. pevná štrbina rtujúce štrbiny Príklad na ptické mriežky, br.
Φ λ 3 A Φ A Φ B + x λ/4 4 B 90 + x + - Obr. Optické mriežky umžňujú zmenšiť krk pd hdntu šírky ftdetektra. Na br. sú tzv. dvjité (fázv psunuté) mriežky, ktré umžňujú zistiť i smer phybu. Bližšie v kapitle... 4. OPTOELEKTRONIKA V tejt kapitle sú písané základné ptelektrnické princípy, vlastnsti systémv a ich mžné využitia v praxi. Optelektrnika je rzsiahla a veľmi rýchl sa vyvíjajúca disciplína, pret i tát časť nemôže pstihnúť celú prblematiku v plnej šírke. Optelektrnika využíva skôr vlnvú pdstatu žiarenia. Vlnvé dĺžky sú v IR blasti 850 00 nm. Pre vláknvú ptiku je t 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 ptčleny - ddelenie bvdv zbrazvacia technika - PSD, CCD prvky splupráca s inými dbrmi - akustptika 4.. Zdrje žiarenia V pdstate sa pužívajú tri typy zdrjv : LED - diódy na menej nárčné účely laservá dióda - nárčnejšie úlhy, čiastčne mnchrmatické lasery (plynvé) - mnchrmatické a kherentné svetl 4... LED - diódy Vlastnsti sú písané pri ftelektrických systémch. Spínacie časy sú krátke < 50 ns. Spektrálne sú ladené d viditeľnéh d IR žiarenia ( až d 00 nm). Sú t rýchle prvky s menším svetelným výknm. V senzrvej technike sa pužívajú takmer výlučne v IR
blasti. Rzsah pracvných teplôt je 50 +00 C. Oblasti pužitia sú v ptčlench, senzrvých systémch, menej nárčných ptvláknvých systémch a pdbne. 4-.. Preč sa využíva najmä IR blasť žiarenia?. Môže sa vyskytnúť prblém pri prense signálu v reťazci LED - ftdióda, ak intenzita E na ftdióde dstačuje? 4... Laservé diódy Sú t akby silne vybudené LED. Tu ptm vyššia ddaná energia vyvláva stimulvanú emisiu, výsledk je mnchrmatické, čiastčne kherentné žiarenie, nevhdné ale na interferenčné merania. V knštrukcii je rzdiel prti LED v dknalejšm chladení kryštálu. Knštrukcia je na br.a. Kryštál plvdiča musí mať rzmery úmerné vlnvej dĺžke emitvanéh žiarenia. Materiál kryštálu s jeh rzmermi tvrí tzv. Fabry - Piertv reznátr. Od tht závisí vlnvá dĺžka (farba) žiarenia. Steny, neprepúšťajúce svetl, sú matné. Výknvá charakteristika P = f (I bud ) je strmá, (br.b), je nutná regulácia. Prúd I prah je cca 80 50 ma. Za tut hdntu nastáva stimulvaná emisia, č sú rganizvané preskky medzi energetickými hladinami. Napájací prúd diódy musí teda vystúpiť nad tút hdntu. Účinnsť je niekľk % pri nrmálnej teplte, diódy sú vhdné na meracie účely. Pri nízkych tepltách (0 K) je účinnsť cca 30 50 %. Mnchrmatičnsť žiarenia je veľa vyššia ak u byčajnej LED, č umžňuje lepší návrh ptiky na získanie úzkeh, nerzbiehavéh lúča. Samtný zdrj (kryštál) má max svietivsť v ptickej si. Využitie diód je na získanie intenzívneh úzkeh lúča pre väčšie vzdialensti, napájenie ptvláknvých systémv, špeciálne účely. P P max stimulvaná emisia prac. blasť 0,6 mm 4 3 P N 5 6 4 P min spntánna emisia I p I max I = 80 50mA p I b.) φ mm a.) Obr.. 4..3. Lasery Pdľa emitujúcej látky ich delíme na : lasery v pevnej fáze - žiarenie prdukuje tuhá látka kvapalinvé - mžnsť preladenia plynvé - menšia účinnsť, vyská kherentnsť Lasery pracujú s čerpaním pmcnej energie, najčastejšie svetelnej, zdrje:
výbjky laservé diódy (čast IR) Približná zstava lasera v pevnej fáze je na br.3 mechanicky rzdelené ŽIARENIE 3 4 5 6 Obr. 3. - výbjka (zdrj svetelnej energie) 4 - plpriepustné zrkadl - aktívna (svetl emitujúca) látka 5 - ššvka (klimačná) 3 - drazné, nepriepustné zrkadl 6 - delené eliptické zrkadl Časti (-3-4) tvria "ptický reznátr" Výbjka a aktívna látka sú v hniskách eliptickéh zrkadla. Energia výbjky sa drazmi sústreďuje v druhm hnisku elipsy a vybudí aktívnu látku - elektróny prejdú na vyššie nestabilné energetické hladiny. Pri preskku naspäť (z nestabilných hladín) sa vygeneruje žiarenie. Aktívna látka tuhá býva rubín, nedymvé skl, aleb trubica, plnená plynm. Obvykle má tvar písmena H, kde sú vlastne dve prepjené trubice s tým istým plynm (CO, He, Ne, Ar, He - Ne zmes). Časti,3,4 tvria tzv. ptický reznátr s rzmermi prispôsbenými genervanému žiareniu. Najviac sa zsilňujú lúče v si reznátra, pret výstupný lúč je úzky a nerzbiehavý. Žiarenie sa zadrží v reznátre pticku uzávierku (efekt Kerrv, Pckelsv), kým nenarastie jeh intenzita na pžadvanú hdntu. Ptm sa vygeneruje výknný impulz. Účinnsť premeny energie je d 0 %. Na meracie účely sa pužívajú väčšinu plynvé lasery s vysku kherentnsťu, napr. He-Ne, Ar, CO. Nevýknvé využitie laserv je pre : prens infrmácií (ptvlákna) hlgrafia meranie vzdialenstí (gemetrické, interferenčné) Pznámka: Kherentnsť, t.j. lúče v fáze, nie je zaručená pre ľubvľnú vzdialensť d zdrja. Zavádza sa pjem "kherenčná dĺžka". Na tejt vzdialensti (rádv m), je ptm s určitu presnsťu fáza zaručená.
4-.. Ak by sa dala pre laservú diódu regulvať hdnta prúdu d žiadanej blasti a č môže byť žiadaná hdnta?. Aká môže byť presnsť merania laservu interferenčnu metódu, ak ju pkladáme za inkrementálnu a krk je psun vlnvú dĺžku λ? 4.. Vláknvá ptika Je t relatívne nvý, dynamicky sa rzvíjajúci br. Zahŕňa bvykle 4 blasti využitia : prens brazv - zväzkm elementárnych svetlvdv prens analógvých signálv - nárčný, mál pužívaný prens číslicvých signálv - najčastejšia aplikácia ptvláknvé senzry 4... Elementárny svetlvd Je základm vláknvej ptiky, princíp je na br.4. Je tu využitý princíp abslútneh drazu d rzhrania dvch prstredí. Predpkladáme rzhranie dvch materiálv s rôznymi indexami lmu n,n. Pri dpade lúča na rzhranie, kde nie je využitý princíp drazu d reflexnej plchy, sú mžné tri situácie. Predpkladáme, že uhl dpadu je medzi lúčm a klmicu na rzhranie a lúč pstupuje z prstredia n. Ak tent uhl je malý, lúč prechádza d druhéh prstredia n. Ak je uhl väčší ak kritický, nastáva ttálny draz. Pri kritickm uhle lúč prechádza p rzhraní. n n > n plášť n 0 n ϕ 0 draz nižšieh rádu ϕ k jadr ttálny draz draz vyššieh rádu Obr. 4 Na br.4 je kritický uhl dpadu pretransfrmvaný na kritický vstupný uhl (medzi su a lúčm) ϕ k. Tiet typy lúčv teda prechádzajú priam rzhraním, resp. paralelne s ním. Ak ϕ lúča > ϕ k, ptm nenastáva draz a lúč púšťa svetlvd. Ttálny draz platí iba pre uhly vstupu ϕ lúča < ϕ k. Uprednstňujeme drazy nižšieh rádu, (lúč ) leb majú kratšiu cestu cez svetlvd. Znamená t menší uhl vstupu d svetlvdu, ideálne sú lúče v ptickej si, ale sú tu technlgické prblémy s nasmervaním lúča. Hdnta ϕ k je kl 0 pre multimódne vlákna. Pri šírení svetelnéh impulzu cez vlákn drazia najskôr své lúče, s neskrením prichádzajú jedntlivé (drazené) rády. Dchádza k rzšíreniu výstupnéh
impulzu s menlivu amplitúdu. Ďalší impulz sa dá preniesť až p dznení predšléh. Mžnsti sú nasledvné : väčší pmer n : n znamená viac vidv (rádv) - mnhvidvé vlákna, resp. multimódvé vlákna menší pmer n : n - jednvidvé vlákna Multimódvé (mnhvidvé) vlákna môžu mať skkvú zmenu n : n, aleb plynulú zmenu indexu lmu, tzv. gradientné (selfck - samzastrvacie). Priemer jadra je > 0 µm a majú menšiu kapacitu prensu kvôli rzširvaniu výstupných impulzv. Jednvidvé (mnmódvé) vlákna majú menší priemer jadra ( 5 µm), prenášajú drazy nižšieh rádu, ale sú prblémy s presným navedením svetla d svetlvdu - straty. Zatiaľ sú menej pužívané. Ak je využitý ttálny draz, lúč nemôže pustiť svetlvd a z bklpujúceh prstredia nemôže d svetlvdu lúč vstúpiť tak, aby ním prešiel na kniec. Pri zakrivení svetlvdu, ak platí R > 0r (R je plmer zakrivenia, r je plmer vlákna) nenastáva zmena prechdu lúčv prti priamemu svetlvdu. V praxi, ak je r = 0 µm, R je 0,4 mm, č je nedsiahnuteľné kvôli mechanickým vlastnstiam. Straty pzstávajú z viacerých zlžiek a udávajú sa súhrnne v db/km. V súčasnsti sú pd db/km (0,3 db/km). Pracvné vlnvé dĺžky sú zatiaľ kl µm, perspektívne blasti (min. straty) kl, µm a,5,6 µm. 4... Príslušenstv a vlastnsti prensu Pužitie ptvláken je zlžitejšie ak "drôtených vdičv". Už i taká jednduchá perácia, ak je spjenie dvch kvvých vdičv (skrútením, spájkvaním), je tu kmplikvaná. Treba pužiť špeciálne knektry, aleb špeciálne technlógie pre nerzberateľné spjenie. Kmplikvané sú tiež prepínače, viacpólvé knektry, dbčenie signálu, atď.. Existuje špeciálne príslušenstv pre rôzne aplikácie. Sú t výrbky jemnej mechaniky s vysku presnsťu a teda i vyššu cenu ak klasické drôtvé spje. Nutné je samzrejme dbrné zašklenie a určitá prax - zručnsť pri pužívaní týcht pmôck. Prens cez ptvlákna je charakterizvaný: svetlvd nevyžaruje, ani neprijíma signály d/z klia prens nie je náchylný na rušenia z klia prens je striktne jednsmerný, t.j. len d vysielača k prijímaču nastáva úplné galvanické ddelenie vysielača a prijímača nastáva ddelenie ptenciálv (i ak bezpečnstné) 4.3. Snímače svetelnéh žiarenia V ptelektrnike sa musia pužívať rýchlejšie ftdetektry, a t : fttranzistry ftdiódy Fttranzistry sú pužiteľné skôr pre nenárčné účely, napr. v ptčlench. Ftdiódy sú menej citlivé, ale rýchlejšie prvky. Pdľa technlógie a pužitia pznáme ftdiódy :
nrmálna (názv len ftdióda): pis v ftelektr. systémch, sú vhdné pre rýchlstne nenárčné aplikácie lavínvá ftdióda sa pužíva v závernm smere, kde sa tvára svetlm. Dej nazývaný lavínvý prieraz je veľmi rýchly [ps], vratný a dsahuje sa vyská citlivsť. Dióda pracuje spjite a pracvný bd sa nastavuje (napätím) d blasti max. citlivsti (br.5) PIN ftdióda, má medzi P a N zónami vrstvu dprvú I. Svetelný tk Φ v v I vrstve vytvrí nsiče nábja, ktré spôsbia vdivsť medzi P a N, pričm dej je rýchly, rýchlsť závisí d technlógie - šírky vrstvy I. Medzná f je cca GHz, dióda je schpná snímať i krátke [ns] laservé impulzy. Princíp je na br.6 Psledné dve diódy sa hlavne pužívajú pre rýchle ptelektrnické aplikácie a ich splčný znak je malá vstupná plcha pre svetelný tk (kienk φ 40 µm), svetl treba presne nasmervať... + výst. 4 3 I D [ma] E > 0 (svetl) E = 0 (tma) Δ I Dmax 6V 6V U KA [V] Obr. 5 PIN ftdióda - štruktúra a zapjenie P + I N - Φ v.. + vyst. Obr. 6 4.3.. Snímače pre špeciálne účely
PSD prvky (Psitin Sensitive Device) Sú t prvky využívajúce tzv laterálny ftjav. (laterálny - priečny, bčný) Pdľa typu a mžnstí snímania môžu byť: lineárne - pre jednu súradnicu plšné - pre dve súradnice. zberné elektródy. 3 svetelný lúč y. Lx.. I. 4 I I x I 3 I 0 4 splčná elektróda (plarizačné predpätie) Obr. 7 Pznámka: PSD prvky vyhdncujú plhu dpadu lúča na plchu elementu. Nepskytujú infrmáciu intenzite danéh lúča. Tým sa líšia d CCD prvkv. Princíp plšnéh prvku je na br. 7. Lineárny prvk by mal len dve zberné elektródy. Plšný prvk má 4 zberné elektródy a jednu splčnú elektródu na vytvrenie predpätia.v pravej časti brázku je príklad skutčnej gemetrie elektród kvôli lepšej linearite systému. Vyhdncvané prúdy sú pmerne malé, č kladie nárky na vyhdncvací bvd. 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 aktívnej plchy 30 x 30 mm výstupný prúd I 0 = µa!! (cez splčnú elektródu) rzlíšenie µm, chyba ± 0,9 % 4-3.. Ak sa dá výhdne nasmervať žiarenie d malej vstupnej plchy lavínvej a PIN ftdiódy?. Ak sa prejaví zmena intenzity E dpadajúceh lúča na PSD prvk? CCD prvky (Charge Cupled Device)