FOTODETEKTORY

W dalmierzach elektrooptycznych jest przetwarzanie optycznego sygnału pomiarowego na sygnał elektryczny. W tych dalmierzach stosowane są fotopowielacze i fotodiody.

Rodzaje:

A) 1. Komórka fotoelektryczna próżniowa- najprostszy detektor fotoemisyjny.

Gdy światło pada na powierzchnię światłoczułą fotokatody FK (powlekanej światłoczułym materiałem, od którego odbije się światło), następuje emisja elektronu. Ilość emitowanych elektronów zależy od:

- natężenia strumienia światła padającego na fotokatodę FK

- właściwości emisyjnych materiału FK

- długości fali świetlnej

Emitowany przez fotokatody elektron podąża do anody A, powodując przepływ prądu fotoelektrycznego w obwodzie. Jeśli więc na fotokatodę pada światło zmodulowane, to wzbudzony w niej prąd fotoelektryczny jest prądem o zmodulowanej amplitudzie. Wytworzony sygnał elektryczny ma zbyt małą moc, aby mógł być wykorzystany bezpośrednio do pomiarów fazowych. Dlatego pierwotny prąd fotoelektryczny też musi być wzmocniony. Proces fotoemisji i równoczesnego wzmacniania realizowany jest w fotopowielaczu:

2. Fotopowielacz - zachodzi tu proces fotoemisji i równoczesnego wzmocnienia prądu

Jest to rura próżniowa, w której znajduje się fotokatoda FK, szereg katod wtórnych zwanych dynodami, oraz anoda A. Synody wykonane są z materiału o dużym współczynniku wtórnej emisji elektronów. Pomiędzy sąsiednimi elektrodami: FK i D₁, D₁ i D₂ istniej stała różnica potencjałów.

Padając na fotokatodę światło wybija z niej jeden elektron, który następnie przyspieszany jest przez napięcie. Dzięki uzyskanej przez to dużej energii kinetycznej elektron ten wybija z powierzchni dynody D₁ - σ elektronów wtórnych(I stopień wzmocnienia), które są znowu przyspieszane przez napięcie między D₁ i D₂ tak, że każdy z nich padając na powierzchnię dynody D₂ powoduje wtórną emisję σ elektronów(II stopień wzmocnienia). Proces ten przebiega dalej w sposób analogiczny. Liczba dynod nie przekracza 14, a σ wynosi od 3 do 5.

Natężenie prądu anodowego:

i_A = i_Kσ ⁿ,

i_K- strumień elektronów emitowanych przez fotokatodę,

n- liczba stopni wzmocnienia.

B) Fotodiody

Działanie oparte jest na wewnętrznym efekcie fotoelektrycznym występującym w niektórych półprzewodnikach.

Fotodioda ta składa się z warstw półprzewodników typu p i n, oddzielonych od siebie złączem p-n. Napięcie jest tu przykładane w kierunku zaporowym (od n do p), a światło pada prostopadle do płaszczyzny złącza.

Absorpcja fotonów padającego na fotodiodę strumienia świetlnego powoduje powstawanie w złączu par: dziura- elektron. Pod wpływem działającego pola elektrycznego pary te zostają rozłączone i wytwarzają w obwodzie zewnętrznym prąd fotoelektryczny. W niektórych dalmierzach elektrooptycznych stosowane są fotodiody lawinowe.

W fotodiodzie lawinowej pojawia się napięcie polaryzacji. Uwolnione elektrony są w obszarze złącza przyspieszane przez silne pole elektryczne, a przy ich zderzeniach z atomami półprzewodnika powstają dodatkowe pary: dziura- elektron. Ale elektrony pierwotne i wtórne przyspieszane są nadal w polu elektrycznym i powodują powstawanie nowych par: dziura- elektron. Powstaje lawina nośników ładunków, która powoduje wzmocnienie wewnętrzne prądu fotoelektrycznego.

REFLEKTORY ZWROTNE

Zadaniem reflektorów zwrotnych jest odbijanie wysyłanej przez nadajnik dalmierza wiazki światła - w kierunku jego odbiornika. Konstrukcja reflektora powinna więc zapewniać, aby możliwie jak największa ilość energii sygnału świetlnego została przechwycona przez niego i przekazana do odbiornika. Zwierciadło płaskie nie nadaje się do tych celów.

Stosowane są:

- reflektory pryzmatyczne

Reflektor pryzmatyczny jest czworościennym pryzmatem, którego 3 ściany boczne są wzajemnie prostopadłe, a od wewnątrz są powierzchniami zwierciadlanymi. Promień świetlny wchodzący do jego wnętrza doznaje w nim 3 odbić zwierciadlanych i wychodzi równolegle do promienia wchodzącego. Zaletą tego reflektora jest to, że nie musi być on orientowany ściśle w kierunku mierzonej linii.

- reflektor soczewkowo - zwierciadlany

Składa się z obiektywu Ob i z płaskiego zwierciadła. Przy przejściu przez obiektyw promień świetlny odbija się od zwierciadła, a następnie wychodzi z reflektora równolegle do promienia wchodzącego.

Oprócz reflektorów stosowane są także:

- folie odblaskowe

- światełka odblaskowe

- zwierciadła sferyczne

Reflektor kulisty:

Składa się z 2 współśrodkowych kul, których promień przechodzi przez jedną. Współczynniki są tak dobrane, że ogniskowa znajduje się na granicy styku. Reflektor ten pozwala na niewycelowanie go na dalmierz.

Współczynnik załamania dla szkła wynosi 1,5. Musimy uwzględnić opóźnienie wynikające z przejścia sygnału z powietrza do szkła. Pryzmaty powinny być srebrzone od wewnątrz a nie od zewnatrz.

INTERFERENCJA FAL OPTYCZNYCH - nakładanie się fal. Możemy ją dostrzec, gdy 2 wiązki składowe monochromatycznego promieniowania świetlnego przebywają drogi o różnych długościach, a następnie spotykają się ze sobą i zależnie od ich faz - wzmacniają się lub osłabiają wzajemnie.

Ścieżka tarczy przesuwająca się nad szczelinami odpowiednich czytników pełni funkcję modulatora światła, który wytwarza 2 ciągi sygnałów świetlnych o interwałach odpowiadających analogowym interwałom tej ścieżki.

Sygnały świetlne wzbudzają w fotodetektorach prąd sinusoidalny, który przekształcony jest przebiegi prostokątne, będące funkcjami czasu o tym samym okresie:

- czas przejścia przez d

T- okres obrotu tarczy

N- liczba interwałów ścieżki

Impulsy szpilkowe są zliczane dla całego koła i następnie uśredniane

W wyniku tego na ekranie ustawionym w miejscu przecięcia się tych wiązek pojawiają się jasne i ciemne prążki zwane maksimami i minimami interferencyjnymi.

INTERFEROMETR MICHELSONA

Jest to przykład optycznego dalmierza interferencyjnego. Wychodząca z lasera LS wiązka światła spójnego kierowana jest na półprzezroczystą płytkę Z nachyloną względem tej wiązki po kątem 45°. Na prawej, zwierciadlanej ściance tej płytki następuje podział amplitudy padającego na nią światła na dwie części, które reprezentuje:

- wiązka 1 przechodząca przez płytkę równolegle do wiązki pierwotnej i padająca na zwierciadło płaskie Z₁

- wiązka 2 odbita w kierunku prostopadłym do zwierciadła Z₂.

Po odbiciu od zwierciadła Z₁ wiązka 1 odbija się od płytki Z i pada na ekran E. Podobnie wiązka 2 po odbiciu od zwierciadła Z₂ przechodzi przez płytkę Z i pada na ekran w tym samym miejscu M, jak wiązka 1, dzięki czemu obie wiązki mogą tu z sobą interferować. Różnica faz wiązek nie ulega zmianie, bo każda z wiązek ulega dwukrotnemu odbiciu.

Ponieważ wiązka 2 przechodzi przez płytkę Z 3 razy, wiązka zaś 1 tylko raz, więc w celu skompensowania wpływu tej asymetrii, na drodze 1 wiązki ustawia się - równolegle do Z - płytkę K, tej samej grubości. Zwierciadło Z₂ jest stałe, a zwierciadło Z₁ może być przesuwane do przodu lub do tyłu. W miejscu M spotkania się wiązek (przesuwamy wózek o λ/2) występuje maksimum interferencyjne (prążek jasny - wzmocnienie). Gdy fazy obydwóch wiązek stają się przeciwne (wózek przesuwamy o λ/4), na ekranie pojawia się minimum (prążek ciemny - wygaszenie). Powstaje prąd. W liczniku są zliczane wzmocnienia. Procesor oblicza odległość D (miara przesunięcia wózka)

, gdzie N - liczba wzmocnień policzonych przez licznik. Na koniec wyświetlacz wyświetla nam wynik.

SYSTEM INTERFERENCYJNY VÄISÄLÄ

Stosowany w pomiarach geodezyjnych baz wzorcowych. Światło białe jest monochromatyczne i niespójne. Gdy promień świetlny pochodzący z punktowego źródła promieniowania zostanie rozdzielony na 2 wiązki, które po przejściu różnych dróg spotykają się np. na ekranie, to interferencje są chaotyczne. Interferencja wszystkich składowych światła białego występuje tylko wtedy, gdy różnice dróg optycznych tych wiązek są praktycznie równe 0. Właściwość tę światła białego wykorzystał Väisälä i skonstruował komparator.

Metoda precyzyjnego pomiaru odległości dokonuje się przez powielenie odległości wyjściowej (metrowy wzorzec długości). Komparator ten składa się z 3 równoległych zwierciadeł płaskich (Z₀, Z₁, Z₂). Odległość wyjściowa (Z_1-0) realizowana jest przez ustawienie między zwierciadłem Z₁ a Z₀ wzorca kwarcowego o dł. 1m, zakończonego powierzchniami kulistymi.

Dla 24m odległością wyjściową jest 6m (4 razy odbicie).

Dla 96m odległością wyjściową jest 24m (4 razy odbicie).

Wiązka promieni równoległych pada na powierzchnię zwierciadła, Z₁, które ma 2 okrągłe otwory. Część wiązki przechodzi przez jeden z otworów i biegnie do zwierciadła Z₂. Tam ulega odbiciu i przechodzi przez 2 otwór. Pozostała część wiązki, która nie puściła przez 1 otwór odbijana jest wielokrotnie od zwierciadeł Z₀ i Z₁, a po ostatnim odbiciu od Z₁ wychodzi równolegle do wiązki odbitej od Z₂. Wiązki te dostają się do obiektywu lunety i w ognisku obiektywu powstaje obraz interferencyjny. Jeżeli nie ma interferencji to zwierciadło ustawione na wózku przesuwamy raz w prawo, raz w lewo, aż do momentu uzyskania interferencji. Najwięcej strat energii jest przy odbiciu.

Gdy spotykają się takie same fale o takiej samej długości to nakładają się na siebie i następuje zmiana ich amplitud.

DOŚWIADCZENIE YOUNGA

Z wiązki światła spójnego wypromieniowanego przez laser (źródło rozciągłe) zostają wydzielone, przez szczeliny przesłony, 2 promienie (traktowane jako fale sinusoidalne). Promienie te przecinają się na ekranie w odległości y od jego środka 0.

Światło wychodzące z jednego źródła, ma takie same fazy, więc obie fale po przejściu przez szczeliny mają równe fazy, a po przebyciu przez nie różnych dróg (l₁ i l₂) fazy te różnią się w punkcie y o wielkość δ, która zależy od różnicy dróg Δl = l₁ - l₂

λ - długość fali świetlnej

1.Gdy Δl = 0, λ, 2λ, … w pkt y występują różnice faz δ = 0, 2π, 4π, …, czyli zachodzi zgodność faz obydwu fal (powstaje prążek jasny). Jak fale spotykają się w takiej samej fazie to na ekranie światło wzmocni się.

2. Gdy Δl = 1/2λ, 3/2λ, 5/2λ, …, różnica faz δ = π, 3π, 5π, … w tym przypadku fazy te są przeciwne ( pojawia się ciemny prążek), więc nastąpi wygaszenie.

θ jest małym kątem więc:

- możemy określić co jaką odległość powstają nam prążki jasne i ciemne.

KOMPARACJA ŁAT ZA POMOCĄ LASEROWEGO KOMPARATORA INTERFERENCYJNEGO

Łaty muszą być poddawane okresowej komparacji.

Współcz. komparacji =

Jeżeli celujemy na łatę to możemy celować na każdą kreskę. Łatę możemy ogrzać (oziębić) i obliczyć współczynnik rozszerzalności termicznej. Jeżeli nasza odległość zmienia się w jedną stronę to jest coś z częstotliwością, a jeżeli zmienia się skokowo to jest to błąd fazomierza.

---