OPTOMECHATRONIKA I. BMEGEFOAMO1

Átírás

1 OPTOMECHATRONIKA I. BMEGEFOAMO1 Dr. Nagy Balázs Vince D414 CS 10-12ó

2

3 Az Optomechatronika I. tárgy Optika (tudományterület eszköz) Mechatronikai berendezés Szerkezet Szoftver Elektronika Optomechatronika A korszerű, intelligens berendezések elengedhetetlen része az optika (mint eszköz) Önálló optikai berendezések

4 Az Optomechatronika I. tárgy Cél: Korszerű nagy hozzáadott értékű berendezések optikai részegységekkel való ellátásához, vagy kiegészítéséhez szükséges szakmai ismeretek. Önálló optikai berendezések működésének megértése, működtetése, analízise. Módszer: Új ismeretek. Épít a meglévő ismeretekre. (Optika és látórendszerek; Gépelemek I.; Kizáró: Nincs) Elmélyíti azokat alapvetően számításokkal, alkalmazás példákkal gyakorlatias megközelítésben.

5

6

7 TEMATIKA Az optomechatronikai konstrukciók alapjai Fizikai optikai elektronikai alapok, fény és anyag, fénykibocsátás és elnyelés Optikai elemek Lencsék, prizmák, fényvezetők, optomechanika, optikai elemek foglalása, mozgatása, optikai gyártástechnológia, vékonyrétegtechnika Számítógépes sugároptikai számítások Az optikai rendszertervezés alapjai, az optikai rendszerek minősítése, optikai alap-rendszerek felépítése, összetett képalkotó és vizuális optikai rendszerek tervezése Hullámoptikai számítások Interferencia, diffrakció, diffrakció-korlátos optikai rendszerek

8 TEMATIKA Energetikai számítások Spektrális méréstechnika, radiometrikus és fotometrikus egységek, Lambert-féle sugárzók, energiaátvitel az optikai rendszereken, fényforrások típusai Lézertechnika Lézerek működése, alapvető lézertípusok, lézerfény terjedése az optikai rendszerekben, félvezetőlézerek Optikai kommunikáció Száloptikás rendszerek működése, szál típusok, kommunikációs eszközök Detektorok Fénydetektálási alapelvek, fotoelektron-sokszorozók, félvezetó és IR detektorok Összetett optomechatronikai konstrukciók Optikai adattárolók, kamerák szkennerek, lézernyomtatók, geodéziai műszerek

9

10 Követelmények A szorgalmi időszakban: Hetente 2 óra előadás. A tanórák látogatása a TVSZ szerint (a jelenlétet a félév folyamán előre nem jelzett alkalmakkor ellenőrizhetjük.) A vizsgaidőszakban: Nincs. A félévközi jegy megszerzésének feltételei: Zárthelyi (min 40%) (Pót Zh) beadott házi feladat (min 40%) Értékelés: elégtelen (40% alatt), elégséges (40%-55%), közepes (56%-70%), jó (71%-85%), jeles (86%-tól) Tantárgyi követelményeket tiltott eszközzel vagy szabálytalanul teljesíteni szándékozó hallgató szankcionlálása.

11 Ajánlott irodalmak Ábrahám, Wenzel, Antal, Kovács: Műszaki Optika, tankonyvtar.hu, Ábrahám György: Optika. Panem-McGraw Hill, Hecht, E. (2017) Optics. Pearson Ltd. Smith, W.J. (2013) Modern Optical Engineering. The Design of Optical Systems. McGraw-Hill Co. Cho, H. (2005) Optomechatronics. Taylor & Francis. Max Born, Emil Wolf: Principles of Optics B.E.A. Saleh, M.C. Teich Fundamentals of Photonics. Photonics Directory. Laurin Publication. 2007

12 Ajánlott irodalmak (folyt.) Folyóiratok Optical engineering Applied Optics, JOSA Photonics Spectra Advanced Imaging Katalógusok Edmund Optics Schott Thorlabs LOT Internet Bárány Nándor

13

14

15 Diameter (mm) 25.4 Diameter Tolerance (mm) +0.00/-0.13 Clear Aperture (%) 90 Effective Focal Length EFL (mm) 25.4 Effective Focal Length 5.0μm (mm) Effective Focal Length 2.94μm (mm) Effective Focal Length 1.064μm (mm) Effective Focal Length μm (mm) Effective Focal Length 0.2μm (mm) Back Focal Length BFL DWL Focal Length Tolerance (%) DWL Edge Thickness ET (mm) 2.00 Center Thickness CT (mm) Center Thickness Tolerance (mm) ±0.2 Radius R1=-R2 (mm) Surface Quality Surface Accuracy 1λ Bevel Protective bevel as needed Focal Length Specification Wavelength (μm) 5 Coating Uncoated Substrate Calcium Fluoride (CaF2) Type Double-Convex Lens f/# 1 Numerical Aperture NA 0.50 Wavelength Range (μm) Wavelength Range (nm) RoHS Exempt

16 A felbontóképesség hullámoptikai értelmezése

17 Konstruktív és destruktív interferencia

18 A fény interferenciája két résen

19 davisnotes.me

20 A fény interferenciája két résen

21 Fényeloszlás az ernyőn

22 Airy korong

23 Felbontóképesség

24 Felbontóképesség 1.22 D

25 US Air force 1951 Resolution Test Target

26 Siemens csillag

27 Felbontóképesség vizsgáló ábrák

28 Emberi látás microsoft-news.com/microsoft-science-guy-claims-surface-rt display-has-better-perceived-resolution-than-ipad-retina-display/

29

30 Computer displays - CSF Ref: Mullen (1985)

31 Felbontóképesség vizsgáló ábrák thorlabs.com

32 Felbontóképesség vizsgáló ábrák

33 Képalkotási hibák Monokromatikus hibák Szférikus aberráció Képmezőhjlás Asztigmatizmus Koma Torzítás Színhibák Longitudinális színhiba Színnagyítás

34 Képalkotási híbák

35 Kausztika

36 Szférikus aberáció

37 Példa

38 Képmezőhajlás, torztás, koma oktel.hu

39 Színhibák

40 Színhibák

41 Model Number U-029B Imaging Device ON Semi PYTHON 300 Camera Sensor Format 1/4" Type of Sensor Progressive Scan CMOS Sensing Area, H x V (mm) 3.04 x 2.28 Pixels (H x V) 640 x 480 Pixel Size, H x V (μm) 4.8 x 4.8 Pixel Depth 8/10 Bit Frame Rate (fps) 550 Camera Control USB 3.0 Synchronization External or Via Software Exposure Control 44.2 µs to 1.4 s Type of Shutter Global Video Output USB 3.0 Memory (KB) 1024 Storage Temperature ( C) +5 to +45 Operating Temperature ( C) -10 to +70 Power Supply Power over USB 3.0 Mount C-Mount Dimensions (mm) 49.5 x 29 x 29 Weight (g) 60 Type Monochrome Camera Camera Family Mako Manufacturer Allied Vision Resolution (MegaPixels) 0.3 RoHS Compliant

42 Érzékelők

43 Sugárzás érzékelés - Fizikai elv Termikus érzékelők Hőenergia Elektromos energia Termoelem, Termooszlop Kvantum érzékelők Félvezetők Gerjesztés Elektromos energia Vezetési sáv (belső) Kilépés (külső)

44 Fotodetektorok Alapvető tulajdonságok: Érzékenység Integrális Spektrális Linearitás Zaj/Jel arány Hőhatás Sötétáram

45 Detektorok anyaga

46 Típusok Külső fotoelektromos Fotokatód h Anyagok: Ag-O-Cs (R-IR) Cs-At (UV-VIS) Cs-Na-K (VIS) GaAs (VIS) hu W ki

47 Típusok Külső fotoelektromos Fotocella Gáz- vagy vákuum töltés Fotomultiplier Több elektróda sorban (dinódák) Szekunder elektronok Erősítés: akár on

48 Típusok Belső fotoelektromos Fényelem (egyenirányító dióda) Lineáris Külön áramforrás nélküli kapcsolás

49 Típusok Belső fotoelektromos Fotodióda Előfeszítve (záró irányban) Gyorsabb, de zajosabb Avalanche dióda (jelerősítés) Nagyon gyors, nagyon nagy érzékenység

50 Típusok Belső fotoelektromos CCD-CMOS: Si pixelek Responsivity (V/mJ/cm 2 ) Charge Coupled Device Jelkiolvasás: regiszterből Erősítés Complementary Metal Oxide Semiconductors Pixelenkénti kiolvasás

51 CCD típusok Full frame Smearing Slow - shutter Most sensitive

52 CCD típusok Frame transfer Smearing Faster Price Most sensitive

53 CCD típusok Interline transfer No smearing Less sensitive - microlens

54

55 Item # DCU223M DCU223C DCU224M DCU224C Sensor Sensor Type CCD Exposure Mode Read Out Mode Electronic Global Shutter Progressive Scan Resolution 1024 x 768 Pixels 1280 x 1024 Pixels Optical Sensor Class 1/3" 1/2" Exact Sensitive Area 4.76 mm x 3.57 mm 5.95 mm x 4.76 mm Exact Optical Sensor Dimension (Diagonal) 6.0 mm (0.24") 7.6 mm (0.30") Pixel Size 4.65 µm x 4.65 µm Sensor Name Sony ICX204AL Sony ICX204AK Sony ICX205AL Sony ICX205AK Minimum Opt. Power Density Required 1.4 nw/mm² 1.2 nw/mm² A/D Converter Resolution S/N Ratio Frame Rates Pixel Clock Range a (Allowed/Re commended) 8 Bit 38 db 5-30 MHz/10-20 MHz

56 Frame Rate, Freerun Mode b 30 fps 15 fps Frame Rate, Trigger Mode, 1 ms Exposure 28.7 fps 17 fps Time b Exposure Time in Freerun Mode 30 µs b ms c 66 µs b ms c Exposure Time in Trigger Mode Binning Method Factor, Maximum Resolution, Frame Rate 30 µs b - 10 min c 66 µs b - 10 min c Vertical d V: Monochrome Binning, Additive 2x, 1024 x 384 Pixel, 53 fps 2x, 1280 x 512 Pixel, 23 fps Factor, Maximum Resolution, Frame Rate 4x, 1024 x 192 Pixel, 85 fps 4x, 1280 x 256 Pixel, 31 fps Subsampling - AOI Horizontal, Vertical d Frame Rate at 320 x 240 Pixel (Cif) 78 fps 38 fps

57 Absolute Image Width, Step Width Pixel, Pixel, 4 Absolute Image Height, Step Width Pixels, Pixels, Pixels, Pixels, 2 Position Raster Horizontal Position Raster Vertical Gain Monochrome Model 10.47X (Master) 7.59X/4X (Master/RGB) 13.66X (Master) 8.9X/4.0X (Master/RGB) Offset Control, Mode Auto, Manual, Additive Gain Boost 2x n/a 2x n/a Trigger Hardware Trigger Trigger Delay With Rising Edge, Jitter Trigger Delay With Falling Edge, Jitter Additive Trigger Delay To the Sensor Asynchronous 39.5 µs ± 2.6 µs 39.9 µs ± 2.5 µs 57.9 µs ± 2.6 µs 57.7 µs ± 2.5 µs 15 µs - 4 s Sensor Delay To the Exposure Start <100 µs b

58 Trigger Low Level e Trigger High Level e 0 V Min, 2 V Max 5 V Min, 24 V Max Power Consumption W W Housing Lens Connector C-Mount Protective Window, Removable Uncoated Glass (D263) IR Filter D263 with HQ coating Uncoated Glass (D263) IR Filter D263 with HQ coating Interface USB 2.0 Power Supply 1.7 W, via USB 1.1 to 2.1 W Operating 32 to 122 F (0 to 50 C) Temperature Security Labels CE, FCC, Class A Dimention (H x W x D) 1.59" x 1.26" x 1.35" (40.35 mm x 32 mm x 34.4 mm) Weight 0.21 lbs (96 g) Objective Connector C-Mount

59

60 DAWN FC

61 CCD Felbontóképesség (PSF) Kontraszt (MTF) Jel/zaj Töltés szivárgás (Poisson) Spektrális érzékenység Homogenitás (Flat)

62 PSF

63 PSF teszt Dawn FC Rotator Collimator Pinhole Condenser Halogen lamp

64

65 PSF1+

66 PSF teszt F1 - center 0,08 0,07 PSF size, mm 0,06 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 Spot size 0 [mm] BestFocus_PSF1 BestFocus_PSF1_2+ PSF1-0,8-0,6-0,4-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 defocus, mm

67 MTF teszt Dawn FC Rotator Collimator USAF target Diffuser Halogen lamp

68 MTF teszt Target group 0/1 0/2 0/3 0/4 0/5 0/6 1/1 1/2 1/3 1/4 1/5 1/6 USAF lp/mm CCD lp/mm

69 MTF teszt MTF MTF lp/mm F3_center_focus_X F2_center_focus_X F1_center_focus_X F6 center focus X F5 center focus X F8 center focus X F7 center focus X F4 center focus X

70 Kontraszt

71 FLAT

72 FLAT1 Dawn FC Turntable Integrating sphere

73 FLAT

74 FLAT