PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

1

OPTOELEKTRONIKA

Katedra Optoelektroniki

POLITECHNIKA GDA

ÑSKA

Cz

êœã I

Podstawy Optoelektroniki

dr hab. in

¿. Bogdan B. Kosmowski, prof. PG

p. 351 Gmach Elektroniki

id774723 pdfMachine by Broadgun Software - a great PDF writer! - a great PDF creator! - http://www.pdfmachine.com http://www.broadgun.com

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

2

Cz

êœã II

Technika Úwiatùowodowa-podstawy

dr in

¿. Ryszard Hypszer

p. 344 Gmach Elektroniki

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

3

Program wyk

ùadu:

Cz

êœã I. Podstawy Optoelektroniki

1. Podstawowe elementy systemu optycznego
2. Podstawy radio i fotometrii

a.

podstawowe poj

êcia, definicje i prawa fizyczne

b.

niezmienniczo

œã radiancji wi¹zki transmitowanej przez

uk

ùad optyczny

3.

Oddzia

ùy

wanie promieniowania elektromagnetycznego z

materi

¹

a.

okre

œlenie wspóùczynników pochùaniania,

przepuszczalno

œci i absorpcji

b.

w

ùasnoœci optyczne materiaùu: gêstoœã optyczna,

dyspersja, w

ùasnoœci rozpraszaj¹ce

c. propagacja

œwiatùa w oœrodku materialnym

d. zjawiska na granicy o

œrodków

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

4

4. Interferencja

œwiatùa

a.

warunki Fresnela-Arago wyst

¹pienia interferencji

b.

warstwy AR, filtry interferencyjne, interferometry,
interferometr Fabry-Perot

5.

•ródùa promieniowania: termiczne, luminescencyjne, LED

6. Lasery

a.

warunki wyst

¹pienia a

kcji laserowej, zale

¿noœci

Einsteina

b.

w

ùaœciwoœci wi¹zki laserowej

c.

rodzaje laser

ów i ich zastosowania

d.

diody laserowe, parametry, charakterystyki

7. Detektory promieniowania

a.

detektory termiczne

b.

detektory fotonowe: PMT, fotodiody PIN, APD,
matryce CCD

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

5

Cz

êœã II.

Technika

œwiatùowodowa

1.

Úwiatùowody, ich budowa, klasyfikacja i podstawowe

parametry

2.

Modowa struktura promieniowania, jej konsekwencje dla
transmisji

œwiatùa

3. Zniekszta

ùcenia sygnaùów transmitowanych œwiatùowodem

a.

t

ùumienie wùókna, jego wpùyw na transmisjê

b.

rodzaje dyspersji w

œwiatùowodach i ich wpùyw na

w

ùaœciwoœci transmisyjne

4.

£¹czenie wùókien, poù¹czenie êródùo

-

œwiatùowód

5. System detekcji promieniowania
6. Zjawiska nieliniowe w

œwiatùowodzie i ich wykorzystanie

7. Pomiary podstawowych parametr

ów œwiatùowodów

a.

metody pomiaru t

ùumienia

b.

reflektometria optyczna

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

6

Literatura:

Cz

êœã I: Podstawy Optoelektroniki

1. Optyka

–

Podr

êczniki akademickie (Wstêp do Optyki J.R. Mayer

-Arendt)

2. Zi

êtek B. Optoelektronika Wyd. UMK 2004 Toruñ

3. Booth K. Hill S. Optoelektronika WK

£ 2001

4. Szwedowski A. Materia

ùoznawstwo optyczne i optoelektroniczne, WNT 1996

5. Szczepa

ñski P. : Lasery. Podstawy fizyczne Ofic.Wyd.Politechniki Warszawskiej

1999

6. Dubik B., Zaj

¹c M.: Elementy interferometrii, Ofic.Wyd.Politechniki Wrocùawskiej

1998

7. Kar

ùow N.W.: Wykùady

z fizyki laser

ów, WNT 1989

8. Pluta M.: Mikroskopia optyczna, PWN
9. Smoli

ñski A.: Optoelektronika œwiatùowodowa, WK£ 1985

10. Godlewski J.: Generacja i detekcja promieniowania elektromagnetycznego, skrypt

PG 1994, PWN 1997

11. Katalogi

”Optoelektronika” –

Texas, Agilent, Oriel, Edmund, Newfocus, Newport.

12. Czasopisma Optical Engineering, Laser Focus World, Photonics Spectra, Optica

Applicata, OptoElectronic Review

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

7

Cz

êœã II: Technika œwiatùowodowa

1. Siuzdak J.: Wst

êp do wspóùczesnej telekomunikacji

œwaitùowodowej WK£ 1997, I

SBN 83 206-1223-3

2. Einarsson G.: Podstawy telekomunikacji

œwiatùowodowej,

WK

£ 1996, ISBN 83

-206-1262-4

3. Smoli

ñski A.: Optoelektronika œwiatùowodowa, WK£ 1985

4. Midwinter J.E., Guo Y.L.: Optoelektronika i technika

œwiatlowodowa, WNT 1995

5. Palais J.C.: Zarys telekomunikacji

œwiatùowodowej, WKL

1991

6. Szustakowski M.: Elementy techniki

œwiatùowodowej,

WNT 1992

7. Majewski A.: Solitony w

œwiatùowodach, Wyd. Politechniki

W-wa 1991 Killen H.B.: Transmisja cyfrowa w systemach

œwiatùowodowych i satelitarnych, WKL 1992

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

8

Rozdzia

ù 1

Podstawowe elementy systemu optoelektrycznego.

Interfejs Kodowanie

•ródùo

informacji Odbiornik

Elektronika

optyczny

(Modulacja)

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

9

•ródùo

-cia

ùo

doskonale
czarne
-

¿arówka

-LED
-LD
-Laser
-EL......
-s

ùoñce

-lampy
wy

ùadowcze

-lampy
b

ùyskowe

-lampy
spektralne
(selektywne

Úrodowisko

-pr

ó¿nia

-powietrze
-woda
-

œrodowisko

-

œwiatùowód

-organizmy

¿ywe

Elementy

Optyczne

-soczewki
-pryzmaty
-filtry(inter.
pasmowe)
-zwierciad

ùa

(metaliczne,
dielektryczne)
-dzielniki prom.
-polaryzatory
-t

ùumiki,

separatory
-

œwiatùowody

-siatki
dyfrakcyjne
-elem. holograf.
-modulatory
-elem. pasywne
-elem. aktywne
(wzmac.optycz
ne)

Modulacja

-nat

ê¿enia

-d

ùugoœci fali

-cz

êstotliwoœci,

-polaryzacji
-czasu
-fazy

Odbiorniki

-fotorezystory
-diody pn, pin
-diody lawinowe
-fototranzystory
-fotopowielacze
-termopary
- matryce (CCD,
CiD, CMOS)

Elektronika

-przetwarzanie
sygna

ùów

-ekstrakcja
informacji

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

10

Rozdzia

ù 2

Podstawowe elementy systemu optoelektrycznego.

Optoelektronika

- to promieniowanie EMG

w pa

œmie:

100nm - 1,0mm

3x10

15

Hz - 3x10

11

Hz

12eV - 1,2x10

-3

eV

to promieniowanie optyczne

w pa

œmie:

380nm

–

780nm to promieniowanie widzialne

(

œwiatùo)

Problemy:



wytwarzanie promieniowania -

êródùa,



przetwarzanie (modulacja),



oddzia

ùywanie promieniowania z obiektami,



detekcja promieniowania - zamiana na ilo

œciow¹ informacjê,



wizualizacja promieniowania tj. rozk

ùadów przestrzennych

promieniowania jego zmian czasowych, zmian parametr

ów

charakterystycznych,

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

11

Noœnik informacji - fala EMG











kz

t

E

E

o

sin











kz

t

I

I

o

sin

2

E

I 









c

2

2









2



k

s

m

c

8

10

3





PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

12

Zmiennoœã parametrów:



amplituda E,



nat

ê¿enie I,



cz

êstotliwoœã 

- energia kwantu, d

ùugoœã fali,

(selektywne w

ùaœciwoœci obiektu)



wektor falowy k,



czas t,



wsp

óùrzêdne przestrzenne z,



faza



,



.....,



polaryzacja,



sp

ójnoœã (koherencja)

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

13

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

14

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

15

UK

£ADY ANALIZY

RADIOMETRYCZNY

FOTOMETRYCZNY

Rozkùad widmowy, gêstoœã widmowa

e

czu

ùoœã

v

V(





m

Wielkoœci energetyczne – R

œwietlne - V

 

W

e







 

lm

v









PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

16

555nm

 





V

skuteczno

œã œwietlna widmowa wzglêdna.

Zale

¿noœã widzenia od adaptacji systemu wzroku od oœwietlenia otoczenia:

2

3

2

10

3

,

0

3

,

0

m

cd

L

m

cd

L









  



W

lm

K

nm

fotopowe

dzienne

V

m

m

683

555

max















  



W

lm

K

nm

skotopowe

nocne

V

m

1700

507

max

'

'















   









d

V

e

v











780

380

683

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

17

UK£AD WZROKU CZ£OWIEKA - BUDOWA

Uk

ùad wzroku czùowieka

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

18

W

ùaœciwoœci percepcyjne operatora

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

19

Czu

ùoœã widmowa widzenia

`

     





V

m

e

K

V

d









 

380

780

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

20

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

21

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

22

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

23

UK£AD WZROKU CZ£OWIEKA - W£AÚCIWOÚCI

Postrzeganie migotania

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

24

UK£AD WZROKU CZ£OWIEKA - W£AÚCIWOÚCI

Proces adaptacji oka do ciemno

œci

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

25

OPTYMALNE ZAKRESY K¥TOWE POLA

WIDZENIA OPERATORA

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

26

1lumen - ilo

œã œwiatùa monochromatycznego promieniowana

o cz

êstoœci

W

mocy

o

nm

Hz

f

683

1

)

555

(

10

540

12









lumenów

monochrom

W

683

)

(

1





promieniowanie I

œwiatùo I

v

sr

W

I

e

e











sr

lm

cd

I

v

v

1

1

1













Definicja

RADIOMETR.

FOTOMETR.

ENERGIA

Q

ener. prom.

Q

e

[Ws]

ener.

œwietl.

Q

v

[lm s]

Strumie

ñ

dt

dQ





moc prom.

strumie

ñ

promien.



e

[W]

strum.

œwietl



v

[lm] [lumen]

[cd sr]

•ródùo

Moc wyprom.
z 1 powierz.

1

dA

d

M





egzytancja
promien.









2

m

W

M

e

Egzytancja

œwietlna

(emitancja)



















2

2

2

m

lm

M

m

lm

m

strumien

M

v

Moc wyprom.
w k

¹cie bryù.

1



d

d

I





nat

ê¿enie

promien.



e

e

sr

W

I















œwiatùoœã

nat

ê¿enie

œwiatùa

 

cd

sr

lm

I

v

v









Moc wyprom.
w k

¹cie bryù. i

rzut p

ùaszcz.

1

1

1

2

1

1

cos

cos







dA

d

d

dA

dI

L









g

êstoœã

promien.

radiangja
luminancja
energetycz.















sr

m

W

A

L

c

c

2



Luminancja

2

2

2

2

43

.

3

1

,

m

cd

fL

nit

m

cd

sr

m

lm

m

cd

A

L

v

v





























Odbiorniki

Moc padaj

¹ca

na jedn.
powierzchni
(g

êst. strum.)

2

dA

d

E





nat

ê¿enie

napromien.

irradiancja

E

c

=









2

m

W

2

2

2

d

I

E

m

W

A

E

e

e















nat

ê¿enie

o

œwietlen.

lx

fot

lx

m

lm

L

dA

d

E

v

4

2

2

10

1

1











Dawka promien.
na 1 powierz.



 Edt

H

napromien.

2

m

Ws

Na

œwietlen.

s

lx

s

m

lm

t

E

H

v







2

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

27

d









d

d

I

r

dA

d





2

dJ

dA`=dAcos







cos

dA

dI

L 



1

- k

¹t bryùowy promieniowania êródùa punktowego

A

1

- powierzchnia

êródùa

A

2

- powierzchnia odbiorcza

LUMINANCJA (radiancja) L

v

( L

e

) z danego punktu przestrzeni w okre

œlonym kierunku (

r



) jest to

strumie

ñ emitowany w jednostkowym k¹cie bryùowym 

, zawieraj

¹cym dany kierunek,

przechodz

¹cy przez jednostkow¹ powierzchniê dA` prostopadù¹ do tego kierunku

.

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

28

Ýródùa Lambertowskie:

cos

0

J

J 



nat

ê¿enie promieniowania



cos

o

I

I 

luminancja

 

LED

const

dA

dI

dA

dI

L

o









cos

ca

ùkowity strumieñ

 



L

Lambertowski reflektor oœwietlony natê¿eniem

 

lux

E

v

- jego luminancja:

L

E

v

 







- refleksyjno

ϋ powierzchni

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

29

Irradiancja obiektu o

œwietlonego strumieniem êródùa:

- punktowego
- rozci

¹gùego

"Przybli

¿one" êródùo punktowe.

2

R

A







4





sfery

Definicja k

¹ta pùaskiego i k¹ta bryùowego.

h

x

h

y

<<R

2

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

30







d

d

I

e

e

2

i

e

2

i

e

i

e

e

R

I

R

I

A

E













Irradiancja powierzchni przez

êródùo punktowe

.

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

31

J

e





















2

2

e

2

e

e

e

'
e

cos

R

cos

I

cos

A

)

'

R

(

A

I

cos

A

I

'

A

E









3

e

3

2

e

'
e

cos

E

cos

R

I

E

Irradiancja p

ùaszczyzny przez êródùo punktowe.

A

A



cos

'

A

A 



A'=A/cos



R'=R/cos



PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

32

L

e













e

s

e

e

e

e

L

R

A

L

R

A

L

R

I

E

2

2

2

Irradiancja p

ùaszczyzny przez êródùo rozci¹gùe w punkcie normalnym do pùaszczyzny

êródùa.

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

33

A

s

A

s





4

e

"

cos

E

E

Irradiancja p

ùaszczyzny przez êródùo rozci¹gùe, w dowolnym punkcie pùaszczyzny.

A'

p

=A

p

/ cos



 

















3

2

cos

'

cos

'

cos

'

R

A

R

R

s

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

34

Odwzorowanie rozci

¹gùego êródùa przez ukùad optyczny.

e

'

e

T











'

e

- strumie

ñ wyjœciowy ukùadu optycznego



e

- strumie

ñ wejœciowy ukùadu optyczne

go

T - transmisja uk

ùadu 0<T<1 (straty na absorpcjê i odbicie)

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

35

LUMINANCJA W UK£ADZIE OPTYCZNYM

Strumieñ

wejœciowy (êródùo)

wyjœciowy (obrazu)

'

'

A

'

L

'

A

L

e

e

e

e













A

–

powierzchnia

êródùa

A` - powierzchnia obrazu

L

e

–

luminancja

êródùa

L

e

` - luminancja obrazu



- k

¹t bryùowy êródùa



` - k

¹t bryùowy obrazu

Dla uk

ùadu idealnego:

'

e

e







PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

36

2
o

2

1

2

t

t

M

A

'

A





M - powi

êkszenie ukùadu optycznego

t

o

, t

1

- wsp

óùrzêdne êródùa i obrazu

2

1

.

socz

2
o

.

socz

t

A

'

t

A









2

2

2

1

2

o

M

1

'

A

A

M

1

t

t

'











PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

37

'

'

A

A







e

e

L

L 

'

Dla uk

ùadu rzeczywistego:

e

e

e

e

L

L

L

T

L





'

'

T

–

Transmisja uk

ùadu

Luminancja obrazu L

e

nie mo

¿e byã wiêksza od luminancji

obiektu L

e

’ (prawo zachow

ania energii w optyce).

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

38

'

L

E

'

e

'
e





Zwi

êkszenie 

' (wi

êksza œrednica ukùadu optycznego) powoduje wzrost irradiancji.

W uk

ùadzie optycznym (bezstratnym) luminancja L pozostaje

niezmienna i nie mo

¿e byã

powi

êkszona przez zmianê konf

iguracji uk

ùadu.

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

39

PROBLEM 1.0

Transfer energii

êródùo –

detektor

•ródùo punktowe –

ma

ùe wymiary w porównaniu z odlegùoœci¹ obserwacji

Rozp

ùyw energii ze êródùa:

Uproszczenia:

bez dyfrakcji

–

promienie s

¹ liniami prostymi

•ródùo punktowe:

- czo

ùo f

ali

–

koncentryczne sfery

- w niesko

ñczonoœci

- promienie r

ównolegùe

- czo

ùa fali planarne (kolimator!)

Transfer energii: opis radiometryczny

-

êródùo niespójne (bez interferencji)

- skalarna suma strumieni

Jednostki

–

radiometryczne

•ródùo punktowe –

nat

ê¿enie promieniowania I

e

•ródùo rozci¹gùe –

radiacja L

e

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

40

Nat

ê¿enie promieniowania:

Jaki strumie

ñ (ile watów?) promieniowania ze êródùa

punktowego o jednorodnym rozk

ùadzie k¹towym natê¿enia

(I

e

=const)

I

e

=3W/sr

pada

prostopadle

na

odbiornik

(fotodioda) o powierzchni A=xmm

2

?

1

–

k

¹t bryùowy ze êródùa punktowego

skojarzony z

odbiornikiem

2

-

2

r

A

I

I

e

e









A

r

S

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

41

•ródùo rozci¹gùe

–

charakteryzujemy L

–

radiancj

¹

d

S

S

d

dA

d

L









cos

2

A

s

–

powierzchnia

êródùa



d

–

k

¹t bryùowy skojarzony z detektorem

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

42

S

d

d

S

d

S

d

S

S

LA

r

A

A

L

LA

LA















2

det

cos







PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

43

Przyk

ùad: 

s

=0 (strumie

ñ ze êródùa pada prostopadle na powierzchniê detektora)

•ródùo rozci¹gùe: A=1x1cm,

Radiancja L=5W/cm

2

sr

Odleg

ùoœã êródùo

-detektor:

r=10m

Detektor: A=1x1 mm

Strumie

ñ oœwietlaj¹cy detektor: ?

1

sr

r

A

d

d

8

2

10









2

W

LA

d

S

8

det

10

5













!!!

PODSTAWY OPTOELEKTRONIKI

B.B. KOSMOWSKI

44

PROBLEM 2.0

Dwa

êródùa monochromatyczne o 

1

=0.5



m i



2

=10



m emituj

¹ strumienie

promieniowania



=1W.

Ile foton

ów/sek em

ituj

¹ te êródùa?



c

h

hf

E





s

eV

sek

J

h















15

34

10

135

.

4

10

62

.

6

sek

m

c

8

10

3





fot

J

E

m

fot

20

)

5

,

0

(

10

2













fot

J

E

m

fot

19

)

10

(

10

4













sek

fot

N

m

18

5

,

0

10

5

.

2

1











sek

fot

N

m

19

10

10

5

2









