OPTOMECHATRONIKA I. összefoglaló Vizuális optikához
Ajánlott irodalmak Ábrahám, Wenzel, Antal, Kovács: Műszaki Optika, tankonyvtar.hu, 2014. http://mogi.bme.hu/tamop/muszaki_optika/index.html Ábrahám György: Optika. Panem-McGraw Hill, 1998. 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. 1999 B.E.A. Saleh, M.C. Teich Fundamentals of Photonics. Photonics Directory. Laurin Publication. 2007
Ajánlott irodalmak (folyt.) Folyóiratok Optical engineering Applied Optics, JOSA Photonics Spectra Advanced Imaging Katalógusok Edmund Optics Schott Thorlabs LOT Internet www.optics.org www.spie.org www.osa.org Bárány Nándor
Diameter (mm) 25.4 Diameter Tolerance (mm) +0.00/-0.13 Clear Aperture (%) 90 Effective Focal Length EFL (mm) 25.4 Effective Focal Length EFL @ 5.0μm (mm) 25.40 Effective Focal Length EFL @ 2.94μm (mm) 24.34 Effective Focal Length EFL @ 1.064μm (mm) 23.80 Effective Focal Length EFL @ 0.6328μm (mm) 23.58 Effective Focal Length EFL @ 0.2μm (mm) 18.55 Back Focal Length BFL (mm) @ DWL 20.61 Focal Length Tolerance (%) ±2 @ DWL Edge Thickness ET (mm) 2.00 Center Thickness CT (mm) 12.20 Center Thickness Tolerance (mm) ±0.2 Radius R1=-R2 (mm) 18.37 Surface Quality 60-40 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) 0.35-7 Wavelength Range (nm) 350-7000 RoHS Exempt
A felbontóképesség hullámoptikai értelmezése
Airy korong https://260h.pbworks.com/w/page/59034275/heisenburg%20uncertainty%20principle
Konstruktív és destruktív interferencia http://www.reachoutmichigan.org/funexperiments/agesubject/lessons/bubbles.html
A fény interferenciája két résen https://van.physics.illinois.edu/qa/listing.php?id=21973
davisnotes.me
A fény interferenciája két résen http://www.tutorvista.com/content/physics/physics-iv/optics/interference-light.php
Fényeloszlás az ernyőn http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/science/add_ocr_pre_2011/wave_model/lightandsoundrev6.shtml
Felbontóképesség http://www.microscopyu.com/articles/superresolution/diffractionbarrier.html
Felbontóképesség 1.22 D http://www.microscopyu.com/articles/superresolution/diffractionbarrier.html
US Air force 1951 Resolution Test Target
Siemens csillag www.iai.kit.edu
Felbontóképesség vizsgáló ábrák www.bealecorner.org
Képalkotási hibák Monokromatikus hibák Szférikus aberráció Képmezőhjlás Asztigmatizmus Koma Torzítás Színhibák Longitudinális színhiba Színnagyítás
Képalkotási híbák
Szférikus aberáció
Képmezőhajlás, torztás, koma oktel.hu
Színhibák www.nikon.com
Fotodetektorok Alapvető tulajdonságok: Érzékenység Integrális Spektrális Linearitás Zaj/Jel arány Hőhatás Sötétáram
Detektorok anyaga
Típusok Belső fotoelektromos Fotodióda Előfeszítve (záró irányban) Gyorsabb, de zajosabb Avalanche dióda (jelerősítés) Nagyon gyors, nagyon nagy érzékenység
Típusok Belső fotoelektromos CCD-CMOS: Si pixelek Responsivity (V/mJ/cm 2 ) Charge Coupled Device Jelkiolvasás: regiszterből Erősítés Complementary Metal Oxide Semiconductors Pixelenkénti kiolvasás
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
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 - 773 ms c 66 µs b - 1360 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
Absolute Image Width, Step Width 16-1024 Pixel, 4 16-1280 Pixel, 4 Absolute Image Height, Step Width 120-768 Pixels, 1 120-768 Pixels, 2 120-1024 Pixels, 1 120-1024 Pixels, 2 Position Raster Horizontal Position Raster Vertical 1 2 1 2 1 2 1 2 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
Trigger Low Level e Trigger High Level e 0 V Min, 2 V Max 5 V Min, 24 V Max Power Consumption 1.0-1.7 W 1.1-2.1 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
CCD Felbontóképesség (PSF) Kontraszt (MTF) Jel/zaj Töltés szivárgás (Poisson) Spektrális érzékenység Homogenitás (Flat)
PSF
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
MTF teszt MTF 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 9 18 MTF 36 0 10 20 30 40 50 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
FLAT
Víz a Marson
Optikai prizmák Totálreflexiós prizmák Tükrözött prizmák Színbontó prizmák Prizma rendszerek Tükrök Optikai lencsék Egytagú lencsék Lencserendszerek Síkpárhuzamos lemezek Optikai ékek Száloptikák Optikai elemek
45 fokos prizma alkalmazása
Teljes képfordítás Porró prizmarendszerekkel
A penta-prizma
A Dowe-prizma
A sarok-prizma
Az optikai prizmák alkalmazásának szabályai Merőleges be- és kilépést biztosítsunk A prizmán párhuzamos nyalábok (síkhullámfrontok) haladjanak át A totálreflexió biztosítása érdekében a totálreflexiós felületeket tartsuk szabadon és tisztán Ha a határszöghöz közel vagyunk (vagy átléptük), a felületet tükrözni kell Páros számú tükrözés - kisebb elfordulásra érzéketlen rendszer / páratlan számú tükrözés - a szögelfordulásra fokozottan érzékeny rendszer
Optikai elemek foglalása
Prizma foglalások
Dowe-prizma foglalása
Síküveg-lapok foglalása
Peremezési lehetőségek
Tükrök foglalása
Lencse foglalások
Kisméretű lencsék foglalása
Kisméretű lencsék foglalása
Nagyméretű lencsék foglalása
Lencserendszer foglalása
Lencserendszer foglalása
DAWN kamera
DAWN objektív
Optikai elemek foglalásának alapelvei Az üvegből vagy kristályból készült, sérülékeny optikai elemeket mindig foglalatban szereljük be a műszerekbe A foglalat mind a 6 szabadságfok irányában rögzítse az elemet A befeszülés elkerülésére a megfogás egyik oldalon fix, a szemközti oldalon rugalmas legyen (papírlap, parafa, teflon, vagy rugó alkalmazása) A nagyobb elemeket három ponton, a kisebbeket élen vagy gyűrűn támasszuk meg A sarkokat hagyjuk szabadon A foglalat hőtágulási együtthatója legyen közel azonos a befoglalt elemével
Egyszerű optikai alaprendszerek Az egyszerű lencse Akromátok Ragasztott Légréses Kéttagú optikai rendszerek Tele Petzvál Retrofókusz Egyszerű lencsék alkalmazása Energia gyűjtés, továbbítás Megvilágító rendszerek Igénytelen leképezések Nagyítók Szemüvegek Aszférikus optikai elemek Fresnel lencsék Diffrakciós optikai elemek Gradiens indexű elemek
Egyszerű lencsék képalkotási hibái 1.
Akromátok Színhibára korrigált két tagú optikai elemek Akromatikus objektív Barlow lencse A longitudinális színhiba mellett a nyíláshiba is korrigálható Ragasztott vagy légréses kivitel Akromatizálási formulák Abbe-szám, törésmutató Alkalmazási területek Kis tárgyszögű leképezések Távcső objektívek Képfordítás Kollimátorok Kollektorok Rövid fókuszú kamerák Lézer nyalábtágítók
Háromtagú optikai rendszerek Elegendő szabadságfok a főbb aberrációk korrigálásához Nyíláshiba Kóma Képgörbűlet-asztigmatizmus Torzítás Színhibák Önmagában viszonylag ritkán használják Több összetett rendszer alapját képezi Tripletek
Összetett optikai rendszerek Leképező rendszerek, objektívek Vizuális Fotografikus Képfordítók Okulárok Átvetítő rendszerek, kondenzorok Prizmák tükrök Távcsövek, nyalábtágítók Mikroszkópok Katadioptrikus rendszerek Szkennerek, infra optikai eszközök
Arányos szorzási tulajdonság A rádiuszok, távolságok konstanssal való szorzása Arányosan változik: A fókusztávolság Kép és tárgytávolság A kép és tárgy méret Szerkezeti hossz Geometriai optikai képhibák Az optikai úthossz különbségek A spot diagram és az MTF Nem változik A nagyítás A kép és tárgyszög A fényerő (NA) Az elméleti határfelbontás (Airy korong) Változik A rendszer tényleges felbontása
Szimmetria tulajdonságok -1 nagyítású, a rekeszre szimmetrikus rendszerek Kóma torzítás és színnagyítás mentesek Korrigálandó a nyíláshiba, az asztigmatizmus, a képgörbület, és a long. színhiba Aszimmetrikus esetben is használható Field pos.: 1 2
Képfordítás, szállemezek Lencsés képfordítók Vignettálás Szélső sugarak aberrációi Szerkezeti hossz Prizmás képfordítás Porró prizmák Tetőél prizmák Abbe-König Szállemezek Irányzás, mérés Elhelyezés valós képhelyen Mezőrekesz Gyártástechnológia Maratás Karcolás Fotó eljárás Megvilágítás Objektív Képfordító Okulár Belépő pupilla Kilépő pupilla
Optikai elemek alkalmazása
A síkpárhuzamos lemez megdöntésével eltolódnak a rajta áthaladó nyalábok. Optikai mikrométerként alkalmazható.
A penta-tetőél prizmát fényképezőgépek képkeresőjében alkalmazzák Egyenes állású képet biztosít.
Az optikai ék az optikai tengelyre merőleges irányba tolja el a sugármenetet. Optikai mikrométerként alkalmazzák.
A lupe (okulár, képnagyító) A lupe a legegyszerűbb optikai rendszer; egyik eleme maga az emberi szem. A lupe minden vizuális alkalmazású optikai műszerben megtalálható. A lupe látószög nagyító eszköz.
A lupe optikai működési elve A lupe a közeli (fókusztávolságán belüli) tárgyról egyenes állású, virtuális, nagyított képet alkot. Ez a kép távolabb keletkezik a szemtől, mint ahol a tárgy van.
Elterjedt okulár típusok
Az objektívek Az objektívek képalkotó (leképező) optikai elemek. Kialakításuk változatos. Csoportosítás: Egytagú / többtagú Lencsés / tükrös Alaklmazás szerint: Fényképészeti objektívek Távcső objektívek Mikroszkóp objektívek Vetítő objektívek
A fókusztávolság, f [mm] A fényerő, D/f A képmező nagysága, K [mm] A látószög, a [ O ] A feloldás, [ vp/mm ] A képalkotási hibák Torzítás Színhibák Stb. Az átviteli függvény A korrigáltság Az objektívek jellemző adatai
Zeiss gyártmányú mikro-chip levilágító-objektív sugármenete és foglalt képe
Nagy látószögű légi felvevő objektív
CCD kamera objektívje előtét-blendével
A kollimátorok alapelve
Fresnel-lencse
Mikro-lencse raszter
Folyamatosan változó törésmutatójú optikai szál lencse-hatása (GRIN-lencse)
Aszférikus (parabolikus) optikák
Tórikus felület
A libellák felépítése