2015.10.30.
Az optikai sugárzás érzékelése
Világítástechnika I. VEMIVIB544V Méréstechnika, műszerek 2015. október 29.
Belső fényelektromos hatás
•Belső fényelektromos hatás •Záróréteges fényelektromos hatás •Külső fényelektromos hatás •Termo-elektromos hatás
Fotovezetés létrejötte
vezetési sáv
foton :
tilos sáv E, eV
hν > E vegyérték kötési (valencia) sáv
Záróréteges fényelektromos hatás • Fényelem üzemmód (photovoltaic mode) ▫ külső tápforrás nélkül működik • Fotodióda üzemmód (photoconductive mode) ▫ külső tápforrással működik ▫ lavina fotodióda
Si-fényelem felépítési vázlata
• Félvezetők fényelem készítéshez
1
2015.10.30.
Megvilágítás hatására bekövetkező elektronfolyamatok
A fényelem helyettesítő képe IL:
fotoáram;
Rsh: sönt ellenállás;
ID: dióda áram;
I0: kimenő áram
RS: soros ellenállás;
RL: terhelő ellenállás
VD: dióda feszültség, V0: kimenő feszültség; Cj: átmenet kapacitása Rs IL
I0
ID
I'
Cj
Dióda egyenlet I 0 = I L − I D − I sh =
RL
R sh V0
VD
ahol a dióda záróirányú telítési árama
qV = I L − I S exp D − 1 − I sh kT
− qΦ I S = const⋅ exp kT
T: absz. hőmérséklet, k: Boltzmann állandó
Üresjárási feszültség határeset
Rövidzárási áram határeset • V0=0, azaz RL→0
Rs IL
• I0=0 és Rsh→∞ (azaz Ish→0), ekkor:
V D0 =
I0
ID
I'
Cj
RL
Rsh
VD
V0
kT I L − I sh ln + 1 ≈ cons t ⋅ ln I L q IS
Azaz a fényelem üresjárási feszültsége a besugárzás keltette árammal logaritmikusan arányos!
Fotodióda feszültség-áram karakterisztikája
Rs IL
I 0 = I L − I D − Ish = qV = I L − IS exp D − 1 − I sh = kT qR I RI = I L − IS exp S SC − 1 − S SC kT Rsh
I0
ID
I'
Cj VD
RL
Rsh V0
• gyakorlatban RS<
qR I I S exp S SC − 1 → 0 kT • azaz rövidzárási üzemmódban a külső kör árama lineárisan arányos a gerjesztéssel: ISC≈IL
• ha Rs→0,
akkor
Képalkotó detektorok • • • • •
Ortikon image ortikon vidikon plumbikon CCD detektor
2
2015.10.30.
Eltemetett csatornájú p-n átmenetet tartalmazó CCD elem
MOS kapu
kapu elektróda oxid réteg n-típusú Si-réteg foto-generált lyuk-elektron pár
p-típusú Si tömb
Eltemetett csatornájú p-n átmenetet tartalmazó CCD elem sávképe kapu
Gyakorlatban kialakított CCD pixel vázlata
p-típusú Si tömb
a)
Ec Fermi szint Ev átmenet
oxid
n-típusú Si réteg Ec
b)
kapu Ev
oxid
CCD mátrix pixelekből épül fel, 3 fázisú CCD pixel
Töltéstovábbítás háromfázisú CCD elemben
3
2015.10.30.
Képfeldolgozó CCD elvi felépítése
CCD pixel spektrális érzékenysége
M db lineáris regiszter
N elembõl álló CCD sor
soros kiolvasó regiszter
kiemõ erõsítõ
Fotoelektronsokszorozó felépítési vázlata
Külső fényelektromos hatás • Fotocella
anód
fotokatód
• Fotoelektronsokszorozó
A fotoemisszió vázlatos sávképe, h ν ≥ EW vákuum szint
Fotokatódok színképi érzékenysége
szabad elektron EW vezetési sáv
foton
E g tilossáv
vegyértékkötési (valencia)sáv
4
2015.10.30.
Fotokatódok színképi érzékenysége
Fotoelektronsokszorozó sematikus felépítése
Termikus detektorok
Termooszlop sematikus ábrája
Termoelempár
T1
T2
Cr-Ni párologtatott rétegű termooszlop
Abszolút, elektromosan kompenzált üreg-detektor
5
2015.10.30.
Fotodetektorok zaja
Piroelektromos cella
is =
• sörétzaj
besugárzás
sugárzást elnyelõ réteg elektróda
• termikus, vagy Johnson zaj • 1/f, vagy flicker zaj
2qI 0 Δf
iJ =
4kT Δf Rsh
piroelektromos anyag elektróda
Radiometriai, fotometriai és színmérési műszerek és mérések • Vizuális fotometer
Objektív műszerek • színképi illesztés • bemenő optika ▫ ▫ ▫ ▫
besugárzás & megvilágítás sugár- & fénysűrűség képernyő mérés feltapadó optikával képalkotó rendszerek
• spektrométerek ▫ letapogató rendszer ▫ teljes színkép egy menetben való felvétele
Színképi illesztés
Anyagok optikai tulajdonságai
szűrőzött Si-fényelem
1 0.9 0.8
Fogalmak:
Lehetnek:
- Áteresztés, transzmisszió
- szabályos
- Visszaverés, reflexió
- szórt
- Szórás, diffúzió
-vegyes
rel. érzékenység
szûrõzött det. 0.7 V(l) 0.6
Si-fényelem
0.5 0.4
Transmission
0.3 0.2 0.1 0 400
500
600
hullámhossz, nm
700
φ ( λ )in
φ (λ ) out
6
2015.10.30.
Fényáteresztés
Visszaverési (reflexiós) tényező
φ ( λ )in
• A visszavert és a beeső sugárzott teljesítmény (fényáram) aránya: ρ • Lehet: ▫ Szabályos ▫ Szórt ▫ Irányított visszaverési tényező (reflectance factor): Adott térszögbe visszavert/azonos térszögbe a tökéletesen visszaverő diffúzor által visszavert fényáram.
Transmission
φ (λ ) out
Fogalom: áteresztés Mennyiség: áteresztési tényező τ = φ(λ)out / φ(λ)in Belső áteresztési tényező = külső átereszt.tényező – visszaverési tényező Áteresztési denzitás: D=-lg τ
Áteresztési tényező, transzmissziós tényező
Lambert-Bouguer-Beer törvény
• τ = φ(λ)out / φ(λ)in • (transmittance): • Belső áteresztési tényező (Internal transmittance) = külső áteresztési tényező (External transmittance) – Reflexiós tényező (Reflectance) • Denzitás (Optical Density): D(τ)=-lgτ
D(λ) = lg [1/τ(λ)] Lambert-Bouguer-Beer law: τ(λ) = exp[-α(λ)⋅c⋅l] where:
α : spectral absorption coefficient c : concentration l : thickness of layer
Hasonlóan visszaverésre is: D(ρ)=-lgρ
Optikai szűrő áteresztésének változása a vastagsággal
τ(λ)
=
Illesztési jóság mérőszáma
τ0(λ)l/
78 0 nm
0
1 0 .9 0 .8 0 .7 0 .6 0 .5 0 .4 0 .3 0 .2 0 .1 0
∫ f 1' =
1 m m 2 m m 4 m m 8 m m 16 m m
s* ( λ )rel − V ( λ ) d λ
380 nm 780 nm
∫
500
600
⋅ 100 %
380 nm
780 nm
s * ( λ ) rel = 400
V (λ ) dλ
700
∫ 380 nm 780 nm
∫ 380 nm
S ( λ ) ⋅ V ( λ ) ⋅ dλ
S ( λ ) ⋅ s ( λ ) rel ⋅ d λ
⋅ s ( λ ) rel
f1’= =1,5 ...3 %
7
2015.10.30.
Detektor illesztése a színinger-megfeleltető függvényekhez
Megvilágítás & besugárzás mérő mérőfeje
• Teli szűrőzés: szubtraktív színingerkeverés • Parciál szűrőzés: részben additív, részben szubtraktív illesztés
opál üveg
árnyékoló gyûrû
színszûrõ köteg
fényelem
Megvilágítás & besugárzás mérő műszer elvi felépítése
Sugár- & fénysűrűségmérő
mérõfej bemenõ optika
fotoelek tronsok szorozó látótér határoló blende k ijelzõ
méréshatár váltás látószög
A/D átalakító
erõsítõ
V(λ ) szûrõ nagyfeszültség
erõsítõ
kijelzõ
Sugár- & fénysűrűségmérő bemenő optikája
Képi információ felvétele video-jel: NTSC, PAL, SECAM, HDTV TV szabványok fénysűrűség + szín jel analóg és digitális rendszerek
látószög méretek:
gamma-korrekció
0,1°--- 2°
8
2015.10.30.
Színkép-bontó eszközök
Féminterferenciás szűrő
• interferenciás szűrő
merőleges és ferde beesési szög esetén eltérő áteresztési görbe!
16.00 14.00 0°
b
12.00
α
f β
t
transzmisszió, %
a
10°
10.00 8.00 6.00 4.00 2.00
d
f
0.00 450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
hullámhossz, nm
üveglem ez
Interferenciaszűrő-ékes monokromátor elvi felépítése ékes interferenciás réteg
belépõrés
Optikai rács
interferenciaszûrõék mozgatási iránya
α
α
d sin α
β
d sin β
α
β
fotodetektor d
a)
b)
erősítés: d (sinα+sinβ) = m⋅λ, m a rendszám
Optikai rács
Rácsos monokromátor belépõrés
• különböző rendek egymásra-rakódása: merőleges beesés esetén másodrendű színkép 500 nm és harmadrendű színkép 333 nm azonos irányba térül el! • blaze-szög • holografikus rácsok
kollimátor tükör
optikai rács analizátor tükör
magasabb rendű színképek vágása prizmás előmonokromátorral vagy vágószűrővel
kilépõrés
9
2015.10.30.
Rácsos monokromátor felbontása
CCD érzékelős spektrométer belépõrés
• szögdiszperzió, függ a rács rácsállandójától, szokásos a látható színképtartományra készített rácsok esetén: 300 – 600 vonal/mm • felbontóképesség: (λ/∆λ) = m⋅N ahol N a színkép kialakításában résztvevő rácsvonalak száma • sík- és gömb-felületű rácsok • sávszélesség, szórt fény
rác s
CCD érz ék el õ
Prizmás monokromátor elve
Fényforrás mérő geometria Spectroradiometer
Grating
Spectroradiometer
Entrance slit Order sorting filter wheel
kollimátor lencse
Integrating sphere
analizátor lencse
Grating
Entrance slit Order sorting filter wheel lens Integrating sphere
Radiance-mode spectroradiometer
Fiber-optic input Reflecting Diffuser
belépõrés
Fényerősség mérés
prizma
kilépõrés
Transmitting diffuser
Fényerősség mérés 2
• Fotométerpad
10
2015.10.30.
Fényerősség mérés
Fényáram mérés
Φ=
∫
EdA = r 2
( A)
Φ refl =
Φ = ΦN
Φ refl =
ρ
1− ρ
E(ε ,η )sin ε dη dε
• Mivel gömbben van idegen anyag, gömbfalon ablakok stb., kalibráló normál-lámpával (N) dolgozunk:
Φ
és így
ρ 1− ρ
E=
ρ
4π (1 − ρ )
Detector port (cosine-corrected)
E EN
Φ =E
1− ρ
ρ
A
A mérendő és Normál-lámpa esetén a gömbben lévő testek önabszorpciója különböző, ezért segéd-lámpával (aux.lamp) is csinálunk mérést: E EAN Φ =ΦN EN E A
Φ
Fényforrás teljes fényáramának/színképének mérése Total spectral radiant flux standard lamp
∫ ∫
ε =0° η =0°
Fotométergömbös mérés
Fényáram mérés fotométergömbbel, elmélet • Gömbfal reflexió: ρ • Ha X fénysűrűsége L • Y megvilágítása: dEY=LdAcos2Θ/d 2 mivel d=2r cosΘ dEY=LdA/4r 2 • Y megvilágítása X-ről Θ független: A teljes gömbfal bármely eleme azonos megvilágítást hoz létre Y-ban. • Φ fényáramú lámpa a falat megvilágítva ρΦ reflektált fényáramot kelt. • A ρΦ fényáram ismét reflektálódik: ρ2Φ • A teljes reflektált fényáram Φrefl=ρΦ(1+ρ+ρ2+…)
180° 360°
Φ
ahol EA a segédlámpával mért érték, amikor a vizsgálandó lámpa van a gömbben, de az nem ég, EAN segédlámpával mért érték, amikor a Normál-lámpa van a gömbben, de az nem ég.
Fényáram mérés goniométerrel • A fényáram és fényerősség kapcsolata: Φ = IdΩ ahol Ω=4π (Ω )
∫
• A gömbpalást gyűrű területe:
r dΘ × 2πr sin Θ
Spectroradiometer Test lamp
A gömbpalást gyűrűbe kisugárzott fényáram: Θ2
Auxiliary lamp
Φtest ( λ)
Φ n = ∫ I n dΩ = ∫ I n × 2π sin Θ dΘ = 2πI n ( cosΘ1 − cosΘ 2 ) Θ1
ahol In az adott zónába sugárzott átlagos fényerősség; A zónákat 0° és 180° között kell felvenni.
11
2015.10.30.
A fényáram-mérés zónái
Fényáram mérés megvilágítás alapján
• Szokás 10°-os zóna szélességekkel számolni, • az átlagos fényerősségeket a zónák közepén meghatározva, és felösszegezve • A teljes fényáram:
18
Φ = ∑ I n Zn
Φ=
180° 360°
∫ E dA = r ε∫ η∫ E ( ε ,η ) sin ε dε dη 2
=0
( A)
=0
n =1
• ahol I1 az 5°-nél mért átlagos fényerősség, …, I18 a175°-nál mért átlagos fényerősség, és
Z1 = 2π ( cos 0° − cos10° ) , ... ,
Z18 = 2π ( cos170°- cos180° )
3 tengelyes fényárammérő goniométer
• ahol E a megvilágítás r a gömb sugara, ε a polár szög η az azimuth szög
Fényeloszlás mérés • Lámpatestek fényerősségének szögfüggése • Mérési geometriák:
A-alfa geometria
C-gamma mérési geometria
B-beta geometria
Goniométer felépítések • Lámpatest forgatók
A vagy B síkokban való mérés
12
2015.10.30.
Goniométer felépítések
• C síkokban való méréshez készült lámpatest forgató
Goniométer felépítések
• Tükrös goniométer, tükör a tengelyben
Fényeloszlás mérés Goniométer felépítések
• Tükrös goniométer, lámpatest a tengelyben
Fénysűrűségmérő kamera
Fénysűrűségmérő kamera képek
13
2015.10.30.
Közvilágítási mérés kamerával
Autófényszóró fényeloszlása
A fényeloszlás és színesség kiértékelése
14
