Pytania obowiązkowe (1 pytanie):

1. Podstawowe role technik optomechatronicznych.

1. Sterowanie oswietleniem;

2. Sensoring;

3. Aktuatoryka;

4. Skanowanie optyczne;

5. Wizyjne/optyczne sprzeenie zwrotne;

6. Magazynowanie danych;

7. Przesyłanie danych;

8. Wyswietlanie danych;

9. Zmiana własciwosci optycznych;

10. Sterowanie układami optycznymi z zastosowaniem sensorowego sprzeenia zwrotnego;

11. Optyczne rozpoznawanie obrazów;

12. Zdalne monitorowanie/sterowanie;

13. Obróbka materiału.

2. Trzysygnałowa integracja optomechatroniczna

Przenikanie się trzech dyscyplin inżynierskich: optyki (O), mechaniki (M), elektrotechniki (E)

Różne parametry (zmienne) fizyczne - w wyniku oddziaływania niektóre z nich ulegają zmianie lub

tworzonę są nowe. Poniżej parametry zmienne będą traktowane jako sygnały.

Łączenie sygnałów optycznych, mechanicznych i elektrycznych. Mamy trzy rodzaje takiej integracji:

•

połączenie optomechatroniczne – elementy optyczne i mechatroniczne są nierozłączalne –

np. inteligentny aparat fotograficzny, zwierciadło adaptacyjne, przestrajalny laser, głowica

dysku kompaktowego, aktuatory PZT i SMA, laserowy układ zapłonowy.

•

system mechatroniczny z wbudowanym układem optycznym – element optyczny można

odłączyć ale pogorszy to (lub zmieni) parametry funkcjonalne układu

•

mechatronicznie osadzony system optyczny – układy optyczne zintegrowane z elementami

mechanicznymi i elektrycznymi – np. aparaty fotograficzne, obiektywy zoom, projektory

optyczne, galwanometry, skanery liniowe, skanery równoległe, przełączniki optyczne

3. Procesy optomechatroniczne

:

1. Aktywacje optomechatroniczna

2. Sensoring optomechatroniczny

3. Autoogniskowanie obrazu przedmiotu punktowego

4. Modulacje akustooptyczna

5. Skanowanie optyczne

6. Przełaczanie optyczne

7. Sterowanie układami zmiennoogniskowymi

8. Autoogniskowanie obrazu przedmiotu rozciągłego

9. Sterowanie oświetleniem

10. Wizyjne sprzężenie zwrotne

11. Transmisje sygnału optycznego

Pytania do wyboru (3 z 4 pytań):

1. Aktuator fototermiczny.

Energia świetlna jest pośrednio zamieniana na aktywację mechaniczną. Napromieniowanie jednej

strony kantilewera powoduje niejednorodny rozkład temperatury w kierunku grubości belki, który

wywołuje moment gnący i ugięcie mikrobelki. W przypadku oświetlenia impulsowego uzyskuje się

wymuszone drgania.

Typowe rozwiązania aktuatorów fototermicznych z zastosowanie dysspacji energii (grzania):

a) ugięcie membrany, b)rozszerzenie ciała stałego (przemiana fazowa), c) podobnie do a)

Optyczna aktywacja z zastosowaniem SMA (ang. Shape Memory Alloy) w strukturze korczącej

Struktura mechaniczna składa się ze stopu zapamiętującego kształt (ang. SMA), sprężyny i stóp

wykonanych z termoczułych ferrytów, stałych magnesów oraz przekładek dystansowych. Struktura

wydłuża się i kurczy przy włączaniu i wyłączaniu światła. Stopa może znajdować się w stanie ruchu

(A) lub unieruchomionym (B). W stanie “A” bez światła, ferryt i magnes są razem połączone z

udziałem pewnej siły magnetycznej. Gdy powierzchnia ferrytu zostanie oświetlona, realizowany jest

stan unieruchomienia: siła przyciągania między ferrytem i stałym magnesem jest mniejsza, zarówno

magnes jak i przekładka opadają na podłogę (stan B). Po wyłączeniu światła noga powraca do stanu

A. Powtórzona procedura prowadzi do ruchu maszyny w wybranym kierunku chodzenia.

2. Autoogniskowanie (astygmatyzm)

Automatyczne ogniskowanie wiązki umożliwia uzyskiwanie ostrych obrazów przedmiotu.

Obrazowanie konfokalne – punktowe źródło światła jest zawsze zogniskowane w „punkcie”

wewnątrz grubej próbki – trójwymiarowe obrazowanie 3D ze skanowaniem.

Przykłady zastosowań autoogniskowania:

•

Mikroskopia sił atomowych (ang. AFM - Atomic Force Microscopy);

•

Sterowanie głowicą dysku optycznego;

•

Drukarka laserowa.

Zespoły składowe systemu autoogniskowania:

•

optyka;

•

układ sprzężenia zwrotnego (sterowanie poosiowym położeniem optyki);

•

sensor (rejestracja obrazu i wyznaczanie przeogniskowania)

Dwa rozwiązania konstrukcyjne:

1.

Z filtrem otworkowym (ang. "pinholem") umieszczonym przed detektorem (mikroskop

konfokalny) Źródło punktowe jego obraz pod powierzchnią lub na powierzchni badanego

obiketu oraz filtr otworkowy są wzajemnie sprzężone (konfokalne)

2.

Bez filtra otworkowego

Odbita plamka świetlna jest obrazowana na detektor poprzez filtr otworkowy (blokowanie światła ze

wszystkich części przedmiotu leżących poza ogniskiem).Im większe przeogniskowanie tym słabszy

sygnał optyczny. Obraz „punktu” można zarejestrować tylko gdy obraz znajduje się w płaszczyźnie

sprzężonej z filtrem otworkowym. Położenie obiektywu względem badanego obiektu ma

podstawowe znaczenie dla wyznaczenia położenia obrazu punktu przy dużym poziomie sygnału. Stąd

wynika konieczność dokładnego sterowania poosiowym położeniem optyki w układzie. Gdy układ

skanuje pewną objętość obiektu możliwe jest zebranie trójwymiarowej informacji o obiekcie.

Natężenia światła w obrazie częściowo zależy od apertury numerycznej NA obiektywu (użyteczny

parametr gdy obiekt i detektor leżą w skończonej odległości –przypadek obrazowania konfokalnego):

NA = n sinθa

3. Rozdzielczość obrazu optycznego.

Rozdzielczość poprzeczna:

Zależy przede wszystkim od ograniczeń dyfrakcyjnych niż aberracyjnych (wpływu aberracji

chromatycznej i sferycznej) układu optycznego.

∆x = 0.61 λ / NA'

∆x oznacza minimalną rozdzielaną odległość między dyfrakcyjnymi obrazami dwóch sąsiednich

punktów przedmiotu (przed ich nałożeniem się). Im większa NA' tym mniejsza średnica obrazu

punktu, a więc tym większa uzyskiwana rozdzielczość.

Rozdzielczość poosiowa:

Minimalna rozdzielana odległość ∆z, przy której obrazy dyfrakcyjne dwóch punktów leżących wzdłuż

osi optycznej są jeszcze rozróżniane. Odległość od środka obrazu dyfrakcyjnego do pierwszego

minimum wzdłuż osi optycznej jest w przybliżeniu dwukrotnie większa od odległości do pierwszego

minimum w płaszczyźnie zogniskowania. Oznacza to, że rozdzielczość poosiowa jest około

dwukrotnie mniejsza od rozdzielczości poprzecznej.

∆z = 2λn/(ܰܣ′)

ଶ

Głębia ostrości układu autoogniskującego jest w przybliżeniu równa rozdzielczości poosiowej.

4. Etalon Fabry-Perot: budowa, zasada działania, zastosowania

Etalon Fabry-Perot umożliwia realizację szeregu operacji pomiarowych i kontrolnych. Zmienne

parametry etalonu: odległość d między powierzchniami o wysokim współczynniku odbicia,

współczynnik n załamania ośrodka i kąt padania wiązki wejściowej θ. Zbiór wzajemnie równoległych,

transmitowanych promieni jest ogniskowany w punkcie P w płaszczyźnie ogniskowej obrazowej

obiektywu, patrz rysunek poniżej.

Wynikowy rozkład intensywności otrzymuje się sumując zespolone amplitudy wiązek, a następnie

obliczając kwadrat uśrednionej wartości pola elektrycznego. Należy uwzględnić przesunięcia fazowe

między promieniami (wiązkami). Różnica dróg optycznych (OPD) między sąsiednimi promieniami

wynosi:

OPD = 2ndcos(θt)

gdzie n oznacza współczynnik załamania ośrodka między zwierciadłami, d – odległość między

zwierciadłami, θt– kąt załamania w ośrodku. Przesunięcie fazowe jest równe

∆ϕ = (2π /λ)OPD = (4π/λ)ndcos(θt)

Zastosowanie:

•

wizualizacja modów podłżnych lasera He-Ne

•

jako skanujący analizator spektralny (obserwacja oscyloskopowa)

•

przestrajalny optyczny filtr wąskopasmowy

5. Rozdzielczość ogniskowania obrazu

6. Autoogniskowanie obrazu punktu rozciągłego

Otrzymywanie ostrego obrazu ma podstawowe znaczenie w takich zastosowaniach jak:

•

metrologia geometryczna wyrobów przemysłowych

•

kontrola

•

śledzenie obiektów

•

wizyjne sprzężenie zwrotne

•

obrazowanie w mikroskipii, głowicach dysków optycznych itp;

Przykłady zastosowań:

•

elektroniczne kamery z automatycznych ogniskowaniem

•

obrazowanie mikroskopowe z odpowiednim óswietleniem w celu uzyskiwania ostrego,

odpornego na szum i szybkiego obrazowania

Wszystkie zastosowania związane są z dokładnym pozycjonowaniem obiektywu obrazującego lub

detektora, albo obydwu zespołów. Sterowanie położeniem jest realizowane za pomocą

serwoaktuatorów (serwomotorów, silników ultradźwiękowych, piezoaktuatorów).

Można wyróżnić dwa podejścia, których celem jest poszukiwanie położenia układu optycznego

(obiektywu) zapewniającego najlepsze zogniskowanie:

•

Sterowanie wzajemnym położeniem obiektywu względem detektora (obrazowanie

zmiennogoniskowe)

•

Sterowanie położeniem kamery przy stałej odległości między obiektywem i detektorem

matrycowym (autoogniskowanie)

Do realizacji autoogniskowanie wymagane są dwie operacje:

1. Wyznaczenie miary zogniskowania dającej odpowiednią jakość (stopień) zogniskowania.

Miara zogniskowania powinna być wyznaczana w czasie rzeczywistym. Zależy ona, jednakże,

od szumu szaroodcieniowego i przedmiotu. Operacja znajdowania płaszczyzny najlepszego

zogniskowania zależy od szumu kwantyzacji poziomów szarości i rozkładu intensywności

(natężenia) w detekowanym obrazie (obiekcie) .

2. Znajdowanie najlepszego położenia kamery w czasie rzeczywistym.

7. Napędy elektrostatyczne

8. Krzemowy aktuator pojemnosciowy

Jeden z aktuatorów fotoelektrycznych wykorzystujących elektrony generowane przez fotony. Zmiany

zmagazynowanego ładunku w kondensatorze powodują zmiany ciśnienia elektrostatycznego

oddziaływującego na krzemową belkę (cantilever). Nie wykorzystywane są efekty piezoelektryczne i

termiczne.

Pokazany na rysunku aktuator w postaci kondensatora płaskiego składa się z krzemowego (Si)

cantilevera i płytki (warstwy) miedzi (Cu) na płytce szklanej (izolator). Pojemność między dwiema

płytkami można wyrazić w postaci gdzie A - powierzchnia cantilevera od strony płytki Cu, ε0

przenikalność elektryczna próżni, εr – przenikalność elektryczna przerwy powietrznej cantilever

płytka.

C

0

= ε0 εr(A/d);

9. Interferometry

Interferometr jednoczęstotliwościowy:

Interferometr jednoczęstotliwościowy w przedstawionej formie stosowany jest do pomiaru

przemieszczenia pryzmatu narożnego. Po modyfikacjach możliwy jest także pomiar prędkości

przesuwu pryzmatu. Interferometry jednoczęstotliwościowe z homodynową detekcją dopplerowskiej

zmiany częstotliwości zwane są także systemami typu „A quad B” ze względu na wykorzystywaną

metodę pomiaru. Różnica faz między sygnałami wyjściowymi wynosi zawsze π/2. Interferometry tego

typu można bardzo łatwo dostosować do współpracy z numerycznymi systemami sterowania

maszyn. Podstawowa rozdzielczość pomiaru interferometrów jednoczęstotliwościowych wynosi λ/8.

Inteferometr dwuczęstotliwościowy

Heterodynowa wersja interferometru zapewniająca wyższa rozdzielczość pomiaru. Różnica

częstotliwości sygnału z gałęzi pomiarowej interferometru stanowi wynik pomiaru.

Do podstawowych zalet heterodynowej detekcji dopplerowskiej zmiany częstotliwości należy zaliczyć

prostotę rozwiązań układów fotodetekcyjnych i wzmacniaczy sygnałów realizujących selektywny

odbiór i wzmocnienie sygnału różnicowego. Selektywne wzmocnienie znacznie zwiększa czułość

interferometru. Podstawowa rozdzielczość pomiarowa interferometru dwuczęstotliwościowego jest

równa λ/4. Interferometr w wersji podstawowej służy do pomiaru prędkości przesuwu pryzmatu

narożnego. Wyznacza się ją na podstawie różnicy impulsów w kanale odniesienia i kanale

pomiarowym podczas okresu t sygnału wyjściowego. Odległość można wyznaczyć sumując

elementarne prędkości i mnożąc tę sumę przez okres t.

Interferometr (etalon) Fabry-Perot: pytanie nr. 4

10. Metody skanowania optycznego

Można wyróżnić trzy metody skanowania optycznego:

•

za pomocą przemieszczenia układu optycznego

Aby zrealizować przemieszczanie wiązki po trajektorii pokazanej na rysunku należy obracać

obiektyw wokół osi wiązki. Figurze geometrycznej wyznaczanej przez układ skanowania

odpowiada droga skanującej plamki świetlnej.

•

za pomoća elementu przemiatającego umieszczonego przed układem optycznym

Wymagana jest duża średnica układu optycznego z odpowiednią korekcją krzywizny pola.

Położenie plamki nie jest liniową funkcją kąta skanowania φ (błąd funkcji tg). Za

zwierciadłami skanującymi stosuje się obiektyw z płaskim polem, tzw. obiektyw f-θ (korekcja

błędu funkcji tg między kątem skanowania a położeniem plamki. Proporcjonalność między

kątem θ i współrzędną y w obrazie odpowiada proporcjonalności między prędkością kątową

deflektora i prędkością skanowania w płaszczyźnie obrazu).

•

za pomocą elementu przemiatającego umieszczonego za układem optycznym

Długość skanowania L jest liniowa w funkcji φ (L = R, R – promień skanowania). Powierzchnia

skanowania jest bardziej zakrzywiona niż w poprzednim przypadku. Do korekcji stosuje się

układ dynamicznego ogniskowania (z translatorem optycznym przemieszczającym się wzdłuż

jego osi optycznej). Obiektyw umieszczony przed zwierciadłami składa się z dodatniej

soczewki toroidalnej (dającej ujemną krzywiznę pola) i ujemnej soczewki cylindrycznej

(dającej dodatnią krzywiznę pola). Na wyjściu uzyskuje się płaską powierzchnię skanowania.

Metody realizacji:

o

skanowanie za pomocą galwanometru;

o

skanowanie za pomocą modulatora akustooptycznego;

o

skanowanie za pomocą zwierciadlanego wieloboku.

11. Sterowanie oświetleniem

Układ oświetlający powinien być odpowiednio zaprojektowany dla monitorowanego obiektu.

Powinien być adaptowalny i sterowalny z uwzględnieniem warunków pomiaru. Sterowanie

oświetleniem przyczynia się do podwyższenia dokładności i niezawodności oraz optymalizacji czasu

pracy. Należy implementować zasady optomechatroniki.

1.

Oświetlacze pierścieniowe ze sterowaniem kierunkowością oświetlenia przez włączanie

odpowiednich „warstw” diod elektroluminescencyjnych (LEDów). Przed każdą diodą można

stosować specjalne szkła o zmiennej transmisji (sterowanie natężeniem prądu) i rozproszeniu

lambertowskim do sterowania stopniem rozproszenia promieniowania. Kąty padania i

detekcji wiązek oświetlających mają krytyczne znaczenie dla akwizycji obrazów dobrej

jakości.

2.

3.

Sterowanie kątem oświetlenia za pomocą pionowego przemieszczenia układu zwierciadeł.

Promienie biegnące od zwierciadła toroidalnego do zwierciadła parabolicznego realizują

zróżnicowany kąt padania

4.

Przykład sterowania oświetleniem w przypadku wymagania wysokiej rozdzielczości w

obrazie. Rozwiązanie pokazane schematycznie na rys. b) jest stosowane w fotolitografii. Gdy

α ≠ 0, albo rząd m = +1 lub m = -1 jest przepuszczany razem z rzędem zerowym m = 0

5.

Elastyczne obrazowanie z układami zmiany ogniskowej i autoogniskowania umożliwiające

uzyskanie pożądanego powiększenia i ostrości obrazu (do badania jakości oświetlenia)

Obrazowanie zmiennoogniskowe jest realizowane przez sterowanie położeniem obiektywu w

kamerze, autoogniskowanie uzyskuje się przemieszczając kamerę względem przedmiotu

(najpierw pozycjonuje się kamerę wzdłuż osi optycznej w celu otrzymania wybranej wartości

powiększenia obrazu w głębi ostrości obiektywu). Druga operacja to projektowanie testu

(wzorca) na powierzchnię przedmiotu. Projektowany wzorzec zależy od badanego

przedmiotu (obiektu).

12. Sposoby pomiaru przesunięć liniowych i kątowych

Liniowe:

interferometry (chyba)

Kątowe:

nie wiem, chuj mnie to obchodzi.

13. Sterowanie ukladami zmiennoogrniskowymi

Optyka zmiennogniskowa zapewnia zmienne powiększenie przy stałym położeniu płaszczyzny obrazu.

Zmianę ogniskowej realizuje się przez dodanie do „klasycznego” układu obrazującego dodatkowej

soczewki (zespołu soczewek). Im większa ogniskowa, tym większe uzyskiwane powiększenie.

Wymagane są dwie „soczewki” przesuwane wzajemnie poosiowo według pewnej zależności.

Przemieszczanie soczewek można sterować z zastosowaniem:

a)

mechanizmu krzywkowego przemieszczającego wszystkie soczewki (napędzanego jednym

silnikiem skokowym lub serwomotorem)

W tego typu rozwiązaniu mogą występować trudności związane z uzyskaniem wymaganej

dokładności wykonania i justowaniem układu optycznego.

b)

niezależnego napędu każdej soczewki.

Obrazowanie zmiennoogniskowe z przemieszczaniem dwóch soczewek za pomocą silników

ultra dźwiękowych i układu sterowania mikroprocesorowego (ang. MPU). Brak układów

krzywkowych. Każdy silnik napędza oddzielną grupę soczewek. Sensor matrycowy CCD

dostarcza informację o ostrości zogniskowania, która jest przesyłana do jednostki

przetwarzania danych i mikroprocesora. Ostrość zogniskowania reprezentuje miara

zogniskowania.

Silnik soniczny (ultrasoniczny - ang. sonic (ultrasonic) motor) rodzaj silnika elektrycznego

zamieniającego energię fal lub drgań akustycznych (mechanicznych) w ciele stałym na

makroskopową pracę mechaniczną. Do konstrukcji silników sonicznych wykorzystuje się

najczęściej akustyczne fale powierzchniowe oraz drgania elementów piezoelektrycznych (np.

bimorfów).

14. Pomiary interferencyjne (homodynowe i heterodynowe)

Interferometr jednocześtotliwościowy (homodynowy)

Interferometr dwuczęstotliwościowy (heterodynowy)