ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE

Transkrypt

ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE
ŹRÓDŁA, PRZETWORNIKI I DETEKTORY PROMIENIOWANIA
Grupa R41 Wykład 30 godzin
Prowadzący: dr inż. Leszek Wawrzyniuk
Zaliczenie wykładu - 2 kolokwia
Elementy optoelektroniczne
Program przedmiotu
1.
Wstęp
•
•
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Wielkości i jednostki radiometryczne i fotometryczne,
podstawowe prawa fotometrii
Prawa emisji, ciało doskonale czarne
Żarówki, lampy halogenowe i wyładowcze
Diody elektroluminescencyjne
Diody laserowe
Detektory fotoelektryczne
•
•
8.
ogólne wymagania stawiane źródłom, przetwornikom i
detektorom,
kryteria podziału źródeł, przetworników i detektorów.
fotoogniwa, fotorezystory, fotodiody, fototranzystory, fototyrystory,
detekcja IR (podstawowe problemy).
Analizujące przetworniki obrazu
•
•
•
•
emulsja fotograficzna,
lampy analizujące,
wzmacniacze obrazu,
matryce CCD.
Literatura
Jóźwicki R.: Optyka instrumentalna, WNT 1970
Helbig E.: Podstawy fotometrii, WNT 1975
Pawlaczyk A.: Elementy i układy optoelektroniczne, WKŁ
1984
Rusin M.: Wizyjne przetworniki optoelektroniczne, WKŁ 1990
Booth K., Hill S.: Optoelektronika, WKŁ 2001
Bielecki Z., Rogalski A.: Detekcja sygnałów optycznych,
WNT 2001
Katalogi producentów źródeł, przetworników i detektorów
OGÓLNE WYMAGANIA STAWIANE ŹRÓDŁOM
PROMIENIOWANIA
Właściwości emitowanego promieniowania:
• energetyczne (ilość emitowanej energii),
• przestrzenne (rozkład przestrzenny emitowanego
promieniowania),
• spektralne (rozkład spektralny emisji),
• inne (np. spójność).
Cechy użytkowe:
•
•
•
•
•
stabilność właściwości w czasie,
sprawność,
trwałość,
wymagania dotyczące zasilania i sterowania,
bezpieczeństwo i ergonomiczność.
OGÓLNE WYMAGANIA STAWIANE
DETEKTOROM I PRZETWORNIKOM
Detekcja i przetwarzanie sygnału:
• energetyczne (zakres dynamiczny – wykrywalność i
nasycenie, czułość, liniowość),
• spektralne (widmowy zakres pracy),
• czasowe (szybkość reakcji – czas odpowiedzi,
bezwładność - częstotliwość graniczna),
• przestrzenne (kąt lub pole widzenia),
• rozdzielczość (przetworniki analizujące),
• postać sygnału wyjściowego.
OGÓLNE WYMAGANIA STAWIANE
DETEKTOROM I PRZETWORNIKOM
Cechy użytkowe:
• stabilność właściwości w czasie,
• podatność na zakłócenia zewnętrzne,
• trwałość,
• wymagania dotyczące zasilania i sterowania,
• bezpieczeństwo i ergonomiczność.
KRYTERIA PODZIAŁU ŹRÓDEŁ I DETEKTORÓW
Źródła
• rodzaj zjawisk powodujących emisję,
• cechy spektralne emitowanego promieniowania,
• przeznaczenie.
Detektory
• rodzaj zjawisk warunkujących detekcję,
• widmowy zakres pracy,
• zakres analizy rozkładu przestrzennego promieniowania.
PODSTAWOWE WIELKOŚCI I JEDNOSTKI
ENERGETYCZNE
Kąt bryłowy
Ω=
A
[sr ]
2
r
Ω=
A
Ω 0 gdzie Ω 0 = 1sr
2
r
A – pole powierzchni wycinka sfery,
r – promień sfery.
ENERGETYCZNE
Prawo fotometryczne
d 2Φ e = Le
dA1 cos ε 1dA2 cos ε 2
Ω0
2
r
Le – luminancja energetyczna
ENERGETYCZNE
Prawo fotometryczne
dA1,2 cos ε 1,2
Ω 0 = dΩ 2,1
2
r
Ponieważ
to d 2Φ e = LedA1 cos ε 1dΩ1
lub d 2Φ e = LedA2 cos ε 2dΩ 2
a więc dla powierzchni o wymiarach skończonych:
Φe =
∫ ∫ L dA cos ε dΩ
e
A1 Ω1
1
1
1
lub Φ e =
∫ ∫ L dA cos ε dΩ
e
2
2
2
A2 Ω 2
Jednostką strumienia energetycznego (mocy promienistej) jest 1 W.
Jednostką strumienia świetlnego jest 1 ln (1 lumen).
ENERGETYCZNE I TECHNIKI ŚWIETLNEJ
Ilość światła
Ilość energii promienistej
∫
Qe = Φ e dt
[ W·s ]
∫
Q = Φdt
t
t
Egzytancja energetyczna
Me =
[ ln·s ] [ ln·h ]
dΦ e
= Le cos ε 1dΩ1 [ W·m-2 ]
dA1 Ω
∫
Egzytancja świetlna
M=
dΦ e
Ee =
= Le cos ε 2dΩ 2
dA2 Ω
2
Natężenie oświetlenia
E=
∫
∫
[ ln·m-2 ]
1
1
Natężenie napromienienia
dΦ
= L cos ε 1dΩ1
dA1 Ω
dΦ
= L cos ε 2dΩ 2
dA2 Ω
∫
2
[ W·m-2 ]
[ ln·m-2 ] (lux)
ENERGETYCZNE I TECHNIKI ŚWIETLNEJ
Światłość
Natężenie promieniowania źródła
dΦ e
Ie =
= Le cos ε 1dA1
dΩ 1 A
∫
[ W·sr -1 ]
I=
dΦ
= L cos ε 1dA1
dΩ 1 A
1
[ cd ] (kandela)
∫
1
Luminancja energetyczna
d 2Φ e
Le =
dA cos ε dΩ
[ W·m-2·sr -1 ]
Napromienienie
∫
He = Ee dt
t
Luminancja
d 2Φ
L=
dA cos ε dΩ
[ cd·m-2 ]
Naświetlenie
[ W·m-2·s ]
∫
H = Edt
t
[ lx·s ] [ ln·m-2·s ]
RÓŻNE RODZAJE SPRAWNOŚCI
Sprawność energetyczna
λ2
ηe =
∫Φ
eλ
dλ
λ1
P
Sprawność optyczna promieniowania
780 nm
∫Φ
eλ
dλ
nm
ηopt = 380
∞
Φ e λ dλ
∫
0
PRAWA I ZALEŻNOŚCI FOTOMETRYCZNE
Lambertowskie prawo cosinusa
Iε = LdA1 cos ε 1 = I0 cos ε 1
1
Fotometryczne prawo odległości
E=
I
Ω 0 cos ε 2
2
r
Twierdzenie Abbego
Lobrazu ≤ Lprzedmiotu
PRAWA PROMIENIOWANIA CIAŁA CZARNEGO
Prawo Kirchhoffa
Me (λ,T )
= Me (λ,T )cc
α (λ,T )
Me (λ,T ) - egzytancja energetyczna strumienia
wypromieniowanego w kąt półpełny,
α (λ,T ) - zdolność pochłaniania (współczynnik pochłaniania),
Me (λ,T )cc - egzytancja ciała czarnego,
Le (λ,T )
= ε (λ,T )
Le (λ,T )cc
ε (λ,T )
- emisyjność
Prawo Plancka
Le (λ,T )cc =
2c1
1
λ5 Ω 0 e c
2
/ λT
−1
c1 = c 2h = 5,953 ⋅ 10 −17 W ⋅ m2 (h – stała Plancka, c – prędkość światła)
c2 =
ch
= 1,4388 ⋅ 10 −2 m ⋅ K
k
Prawo Wiena
Le (λ,T )cc =
2c1
λ Ω0 e
5
(k – stała Boltzmana)
Prawo Rayleigha-Jeansa
1
c 2 / λT
Le (λ,T )cc =
2c1
c2λ Ω 0
4
T
Prawo Stefana-Boltzmana
Le cc =
σ 4
T
πΩ 0
σ = 5,667 ⋅ 10 −8 W ⋅ m−2 ⋅ K −4 - stała promieniowania Stefana-Boltzmana
ponieważ:
Le (λ,T )cc =
Me (λ,T )cc
πΩ 0
to dla egzytancji energetycznej:
M e cc = σT 4
Prawo przesunięć Wiena
λmaxT = 0,288 ⋅ 10 −2 m ⋅ K
DIODY ELEKTROLUMINESCENCYJNE
Parametry emisyjne elektroluminescencji:
-
strumień świetlny,
światłość,
luminancja,
egzytancja (emitancja) świetlna,
sprawność kwantowa zewnętrzna,
sprawność kwantowa wewnętrzna,
sprawność świetlna,
szczytowa długość fali,
szerokość połówkowa widma promieniowania,
kąt połówkowy promieniowania.
Sprawność kwantowa zewnętrzna:
ηqz =
Pe
hν
IF
q
-
Nfot . Pe / hν Pe q
=
=
N noś.
IF / q
I F hν
moc promieniowania,
energia emitowanych fotonów,
prąd przewodzenia,
ładunek elektronu
Parametry katalogowe typowych diod elektroluminescencyjnych:
IF max
UF
Iv
Pe
Ie
λ max
-
maksymalny prąd przewodzenia [ mA ]
napięcie na złączu w kierunku przewodzenia [ V ],
światłość [ cd ] [ mcd ],
moc emitowana [ mW ],
natężenie promieniowania [ mW/sr ],
szczytowa długość fali (lub tylko określenie barwy),
LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE
Podział laserów półprzewodnikowych:
ze względu na użyte półprzewodniki:
- homostrukturalne (złącze p-n wykonane z jednego kryształu
materiału półprzewodnikowego),
- heterostrukturalne (złącze dwóch różnych kryształów o innych
przerwach energetycznych),
Podział laserów półprzewodnikowych:
ze względu na budowę i sposób działania:
- o właściwościach wyznaczonych przez wzmocnienie optyczne
(ang. gain-guided lasers),
- o świetle prowadzonym przez odpowiednie ukształtowanie
współczynnika załamania (ang. index-guided lasers),
- z wieloma studniami kwantowymi (ang. MQW – multi quantum
well),
- wielosekcyjne lasery DFB i DBR.
- z rozłożonym sprzężeniem zwrotnym
- z rozproszonym sprzężeniem zwrotnym (ang. DFB –
distributed feedback),
- z rozproszonym odbiciem Bragga (ang. DBR – distributed
Bragg reflector),
Szumy wprowadzane przez lasery półprzewodnikowe do linii
światłowodowej:
- szum fazowy i szum natężenia,
- zakłócenia wywołane odbiciami wstecznymi,
- wpływ migotania (chirpu) na transmisję,
- szum partycji modowej.
Zagadnienia do kolokwium
• Podstawowe wielkości i jednostki fotometryczne i radiometryczne, podstawowe
prawa fotometrii
• Spektralne właściwości źródeł i detektorów oraz wielkości je charakteryzujące
• Systematyczny podział źródeł i detektorów ze względu na sposób pracy
• Ciało doskonale czarne, prawa emisji, charakterystyki emisyjne źródeł wzbudzonych
termicznie
• Typy żarówek
• Żarówki halogenowe – specyfika działania, zalety, zastosowania
• Wielkości charakteryzujące parametry eksploatacyjne żarowych źródeł
promieniowania
• Wielkości charakteryzujące diody elektroluminescencyjne: elektryczne, optyczne i
użytkowe ( np. sprawność kwantowa, charakterystyki częstotliwościowe, własności
termiczne, charakterystyka spektralna i przestrzenna)
• Lasery półprzewodnikowe – własności eksploatacyjne; charakterystyki elektryczne,
optyczne i użytkowe
• Szumy i zakłócenia wprowadzane przez lasery półprzewodnikowe do linii
światłowodowej

ELEMENTY OPTOELEKTRONICZNE

Transkrypt

Podobne dokumenty

XVI Festiwal Nauki, Techniki i Sztuki w Łodzi.

Elementy i podzespo³y optoelektroniczne

spis treści - Przemysław Tabaka

Karta katalogowa

deTec2 Core C2C-EA21010A10000, Karta

C4000 Standard ATEX II 3G/3D C40S

program - Wydział Elektrotechniki i Automatyki

1 OPISY KURSÓW • Kod kursu: ETD9371 • Nazwa kursu