Pytania obowiÄ…zkowe (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.
A
ączenie 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 korczÄ…cej
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 z
ródło 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 rozwiÄ…zania konstrukcyjne:
1. Z filtrem otworkowym (ang. "pinholem") umieszczonym przed detektorem (mikroskop
konfokalny) y
ródło 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 płaszczyz
nie
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 sin¸a
3. Rozdzielczość obrazu optycznego.
Rozdzielczość poprzeczna:
Zależy przede wszystkim od ograniczeń dyfrakcyjnych niż aberracyjnych (wpływu aberracji
chromatycznej i sferycznej) układu optycznego.
"x = 0.61  / 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 płaszczyz
nie zogniskowania. Oznacza to, że rozdzielczość poosiowa jest około
dwukrotnie mniejsza od rozdzielczości poprzecznej.
"z = 2n/( 2 )
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 zaÅ‚amania oÅ›rodka i kÄ…t padania wiÄ…zki wejÅ›ciowej ¸. Zbiór wzajemnie równolegÅ‚ych,
transmitowanych promieni jest ogniskowany w punkcie P w płaszczyz
nie 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(¸t)
gdzie n oznacza współczynnik załamania ośrodka między zwierciadłami, d  odległość między
zwierciadÅ‚ami, ¸t kÄ…t zaÅ‚amania w oÅ›rodku. PrzesuniÄ™cie fazowe jest równe
"Õ = (2Ä„ /)OPD = (4Ä„/)ndcos(¸t)
Zastosowanie:
" wizualizacja modów podłżnych lasera He-Ne
" jako skanujÄ…cy analizator spektralny (obserwacja oscyloskopowa)
" przestrajalny optyczny filtr wÄ…skopasmowy
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 ultradz
więkowych, piezoaktuatorów).
Można wyróżnić dwa podejścia, których celem jest poszukiwanie położenia układu optycznego
(obiektywu) zapewniajÄ…cego 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 sÄ… 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
pÅ‚ytkami można wyrazić w postaci gdzie A - powierzchnia cantilevera od strony pÅ‚ytki Cu, µ0
przenikalność elektryczna próżni, µr  przenikalność elektryczna przerwy powietrznej cantilever
płytka.
C0 = µ0 µr(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 Ą/2. Interferometry tego
typu można bardzo łatwo dostosować do współpracy z numerycznymi systemami sterowania
maszyn. Podstawowa rozdzielczość pomiaru interferometrów jednoczęstotliwościowych wynosi /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 /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 Ć (błąd funkcji tg). Za
zwierciadÅ‚ami skanujÄ…cymi stosuje siÄ™ obiektyw z pÅ‚askim polem, tzw. obiektyw f-¸ (korekcja
błędu funkcji tg między kątem skanowania a położeniem plamki. Proporcjonalność między
kÄ…tem ¸ i współrzÄ™dnÄ… y w obrazie odpowiada proporcjonalnoÅ›ci miÄ™dzy prÄ™dkoÅ›ciÄ… kÄ…towÄ…
deflektora i prędkością skanowania w płaszczyz
nie obrazu).
" za pomocą elementu przemiatającego umieszczonego za układem optycznym
Długość skanowania L jest liniowa w funkcji Ć (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 (dajÄ…cej ujemnÄ… krzywiznÄ™ pola) i ujemnej soczewki cylindrycznej
(dającej dodatnią krzywiznę pola). Na wyjściu uzyskuje się płaską powierzchnię skanowania.
Metody realizacji:
o skanowanie za pomocÄ… galwanometru;
o skanowanie za pomocÄ… modulatora akustooptycznego;
o skanowanie za pomocÄ… 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. KÄ…ty 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. RozwiÄ…zanie pokazane schematycznie na rys. b) jest stosowane w fotolitografii. Gdy
ą `" 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)
KÄ…towe:
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 dz
więkowych 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)