OPTOMECHATRONIKA I. BMEGEFOAMO1

OPTOMECHATRONIKA I. BMEGEFOAMO1 Dr. Nagy Balázs Vince nagyb@mogi.bme.hu D414 CS 10-12ó

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

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.

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

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

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.

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

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

Airy korong https://260h.pbworks.com/w/page/59034275/heisenburg%20uncertainty%20principle

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

Emberi látás microsoft-news.com/microsoft-science-guy-claims-surface-rt-1366768 -display-has-better-perceived-resolution-than-ipad-retina-display/

Computer displays - CSF Ref: Mullen (1985)

Felbontóképesség vizsgáló ábrák thorlabs.com

Felbontóképesség vizsgáló ábrák www.clarkvision.com

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

Képalkotási híbák

Kausztika http://news.povray.org/povray.binaries.images/attachment/%3c3d0337be%40news.povray.org%3e/caustic-ring.jpg

Szférikus aberáció

Példa

Képmezőhajlás, torztás, koma oktel.hu

Színhibák www.nikon.com

Színhibák

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

Érzékelők

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

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

Detektorok anyaga

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

Típusok Külső fotoelektromos Fotocella Gáz- vagy vákuum töltés Fotomultiplier Több elektróda sorban (dinódák) Szekunder elektronok Erősítés: akár 10 6 - on

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

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

CCD típusok Full frame Smearing Slow - shutter Most sensitive

CCD típusok Frame transfer Smearing Faster Price Most sensitive

CCD típusok Interline transfer No smearing Less sensitive - microlens

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

DAWN FC

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

PSF

PSF teszt Dawn FC Rotator Collimator Pinhole Condenser Halogen lamp

PSF1+

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 Dawn FC Rotator Collimator USAF target Diffuser Halogen lamp

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 1.00 1.12 1.26 1.41 1.59 1.78 2.00 2.24 2.52 2.83 3.17 3.56 CCD lp/mm 11.67 13.07 14.70 16.45 18.55 20.77 23.33 26.13 29.40 33.02 36.98 41.53

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

Kontraszt

FLAT

FLAT1 Dawn FC Turntable Integrating sphere

FLAT

FLAT