Világítástechnika I. VEMIVIB544V Méréstechnika, műszerek október 29.

Átírás

1 Az optikai sugárzás érzékelése Világítástechnika I. VEMIVIB544V Méréstechnika, műszerek október 29. Belső fényelektromos hatás Záróréteges fényelektromos hatás Külső fényelektromos hatás Termo-elektromos hatás Belső fényelektromos hatás Fotovezetés létrejötte vezetési sáv foton : h ν > E tilos sáv E, ev vegyérték kötési (valencia) sáv Záróréteges fényelektromos hatás Si-fényelem felépítési vázlata Fényelem üzemmód (photovoltaic mode) külső tápforrás nélkül működik Fotodióda üzemmód (photoconductive mode) külső tápforrással működik lavina fotodióda Félvezetők fényelem készítéshez 1

2 Megvilágítás hatására bekövetkező elektronfolyamatok A fényelem helyettesítő képe I L : fotoáram; I D : dióda áram; I 0 : kimenő áram R sh : sönt ellenállás; R S : soros ellenállás; R L : terhelő ellenállás V D : dióda feszültség, V 0 : kimenő feszültség; C j : átmenet kapacitása R s I L I D I ' C j R sh I 0 R L V D V 0 Dióda egyenlet I = I I I = 0 L D sh qv = I I exp 1 I kt D L S sh ahol a dióda záróirányú telítési árama qφ I S = const exp kt T: absz. hőmérséklet, k: Boltzmann állandó Üresjárási feszültség határeset R s Rövidzárási áram határeset V 0 =0, azaz R L 0 R s I 0 =0 és R sh (azaz I sh 0), ekkor: V D0 = kt I ln q L Ish I S I L + 1 cons t ln I Azaz a fényelem üresjárási feszültsége a besugárzás keltette árammal logaritmikusan arányos! V D I D C j I ' L R sh V 0 I0 R L I = I I I = 0 L D sh I L qvd R = IL IS exp 1 Ish kt = C sh j V V 0 D qrsi SC RSI SC = IL IS exp 1 kt Rsh gyakorlatban R S <<R sh, qrs I SC ha R s 0, akkor I S exp 1 0 kt azaz rövidzárási üzemmódban a külső kör árama lineárisan arányos a gerjesztéssel: I SC I L I D I ' I0 R L Fotodióda feszültség-áram karakterisztikája Képalkotó detektorok Ortikon image ortikon vidikon plumbikon CCD detektor 2

3 MOS kapu Eltemetett csatornájú p-n átmenetet tartalmazó CCD elem 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 a) kapu p-típusú Si tömb Ec Gyakorlatban kialakított CCD pixel vázlata Fermi szint átmenet E v oxid n-típusú Si réteg b) kapu E c E v oxid CCD mátrix pixelekből épül fel, 3 fázisú CCD pixel Töltéstovábbítás háromfázisú CCD elemben 3

4 Képfeldolgozó CCD elvi felépítése CCD pixel spektrális érzékenysége M db lineáris regiszter N elembõl álló CCD sor soros kiolvasó regiszter kiemõ erõsítõ Külső fényelektromos hatás Fotoelektronsokszorozó felépítési vázlata Fotocella anód Fotoelektronsokszorozó fotokatód A fotoemisszió vázlatos sávképe, Fotokatódok színképi érzékenysége hν E W vákuum szint E W szabad elektron vezetési sáv foton E g tilossáv vegyértékkötési (valencia)sáv 4

5 Fotokatódok színképi érzékenysége Fotoelektronsokszorozó sematikus felépítése Termikus detektorok Termooszlop sematikus ábrája Termoelempár T 1 T 2 Cr-Ni párologtatott rétegű termooszlop Abszolút, elektromosan kompenzált üreg-detektor 5

6 Piroelektromos cella Fotodetektorok zaja besugárzás sörétzaj i = 2qIΔf s 0 sugárzást elnyelõ réteg elektróda piroelektromos anyag termikus, vagy Johnson zaj 1/f, vagy flicker zaj i J = 4kT R sh Δf 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 Fogalmak: Lehetnek: rel. érzékenység szûrõzött det. V(l) Si-fényelem szűrőzött Si-fényelem - Áteresztés, transzmisszió - Visszaverés, reflexió - Szórás, diffúzió Transmission - szabályos - szórt -vegyes hullámhossz, nm φ (λ ) in φ ( λ) out 6

7 Visszaverési (reflexiós) tényező Fényáteresztés Transmission 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. φ (λ ) in 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 φ ( λ) out 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 Hasonlóan visszaverésre is: D(ρ)=-lgρ 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 Optikai szűrő áteresztésének változása a vastagsággal Illesztési jóság mérőszáma () τλ = () l τλ 0/ 0 1 m m 2 m m 4 m m 8 m m 1 6 m m nm ' 380 nm nm f ( λ ) ( λ ) λ s* V d 380 nm rel = 100 % s * ( λ ) rel V 780 nm ( λ ) dλ S ( λ ) V ( λ ) dλ s ( λ ) rel S ( λ ) s ( λ ) dλ rel f 1 = 380nm 780nm = 380 nm =1,5...3 % 7

8 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 fotoelektronsokszorozó látótér határoló blende kijelzõ méréshatár váltás A/D átalakító látószög erõsítõ V( λ) szûrõ nagyfeszültség erõsítõ kijelzõ Sugár- & fénysűrűségmérő bemenő optikája látószög méretek: 0, Képi információ felvétele video-jel: NTSC, PAL, SECAM, HDTV TV szabványok fénysűrűség + szín jel analóg és digitális rendszerek gamma-korrekció 8

9 Színkép-bontó eszközök Féminterferenciás szűrő interferenciás szűrő a b f f d α β t transzmisszió, % merőleges és ferde beesési szög esetén eltérő áteresztési görbe! hullámhossz, nm üveglemez Interferenciaszűrő-ékes monokromátor elvi felépítése Optikai rács ékes interferenciás réteg interferenciaszûrõék mozgatási iránya α α β d sin α α d sin β β belépõrés 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 analizátor tükör optikai rács magasabb rendű színképek vágása prizmás előmonokromátorral vagy vágószűrővel kilépõrés 9

10 CCD érzékelős spektrométer Rácsos monokromátor felbontása belépõrés rács szögdiszperzió, függ a rács rácsállandójától, szokásos a látható színképtartományra készített rácsok esetén: vonal/mm felbontóképesség: (λ/ λ) = m N ahol N a színkép kialakításában résztvevő rácsvonalak száma sík- és gömb-felületű rácsok sávszélesség, szórt fény CCD érzékelõ Prizmás monokromátor elve Fényforrás mérő geometria Spectroradiometer Grating Spectroradiometer Grating Entrance slit Entrance slit kollimátor lencse analizátor lencse Order sorting filter wheel Integrating sphere lens Order sorting filter wheel Integrating sphere Radiance-mode spectroradiometer Fiber-optic input belépõrés prizma kilépõrés Reflecting Diffuser Transmitting diffuser Fényerősség mérés Fényerősség mérés 2 Fotométerpad 10

11 Fényerősség mérés Fényáram mérés Φ = EdA = r E( ε, η)sin ε dηdε ( A) ε = 0 η= 0 Fényáram mérés fotométergömbbel, elmélet Gömbfal reflexió: ρ Ha X fénysűrűsége L Y megvilágítása: de Y =LdAcos 2 Θ/d 2 mivel d=2r cosθ de Y =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: ρ 2 Φ A teljes reflektált fényáram Φ refl =ρφ(1+ρ+ρ 2 + ) Φ refl ρ Φrefl = Φ 1 ρ ρ = Φ és így E = 1 ρ 4 1 ρ Φ π ( ρ ) Fotométergömbös mérés Mivel gömbben van idegen anyag, gömbfalon ablakok stb., kalibráló normál-lámpával (N) dolgozunk: E Φ = Φ N E 1 N = E A mérendő és Normál-lámpa esetén a gömbben lévő testek önabszorpciója különböző, ezért segéd-lámpával (aux.lamp) is csinálunk mérést: E E Φ = Φ N E E N AN A Φ ρ A ρ ahol E A a segédlámpával mért érték, amikor a vizsgálandó lámpa van a gömbben, de az nem ég, E AN segédlámpával mért érték, amikor a Normál-lámpa van a gömbben, de az nem ég. Fényforrás teljes fényáramának/színképének mérése Total spectral radiant flux standard lamp Detector port (cosine-corrected) Fényáram mérés goniométerrel A fényáram és fényerősség kapcsolata: ahol Ω=4π A gömbpalást gyűrű területe: Φ = IdΩ ( Ω ) r dθ 2πrsinΘ Test lamp Spectroradiometer A gömbpalást gyűrűbe kisugárzott fényáram: Auxiliary lamp Φtest ( λ) Θ2 Φ n = Ind Ω = In 2πsinΘdΘ = 2πIn ( cosθ1 cosθ2 ) Θ1 ahol I n az adott zónába sugárzott átlagos fényerősség; A zónákat 0 és 180 között kell felvenni. 11

12 A fényáram-mérés zónái Szokás 10 -os zóna szélességekkel számolni, az átlagos fényerősségeket a zónák közepén meghatározva, és felösszegezve A teljes fényáram: 18 = InZn n= 1 ahol I 1 az 5 -nél mért átlagos fényerősség,, I 18 a175 -nál mért átlagos fényerősség, és Φ Z 1 = 2π ( cos 0 cos10 ),..., Z 18 = 2π( cos170 - cos180 ) Fényáram mérés megvilágítás alapján ahol E a megvilágítás r a gömb sugara, ε a polár szög η az azimuth szög ( A) ε = 0 η = 0 ( ) Φ = E d A = r E ε, η sinεdε dη 3 tengelyes fényárammérő goniométer Fényeloszlás mérés Lámpatestek fényerősségének szögfüggése Mérési geometriák: A-alfa geometria B-beta geometria C-gamma mérési geometria Goniométer felépítések Lámpatest forgatók A vagy B síkokban való mérés 12

13 Goniométer felépítések Goniométer felépítések C síkokban való méréshez készült lámpatest forgató Tükrös goniométer, tükör a tengelyben Goniométer felépítések Fényeloszlás mérés Tükrös goniométer, lámpatest a tengelyben Fénysűrűségmérő kamera Fénysűrűségmérő kamera képek 13

14 Közvilágítási mérés kamerával Autófényszóró fényeloszlása A fényeloszlás és színesség kiértékelése 14