Тема 4. Физические основы оптических систем и оптоэлектронных устройств и приборов.
Оптическое излучение представляет собой электромагнитные волны, поэтому оптика — часть общего учения об электромагнитном поле. Оптический диапазон длин волн охватывает около 20 октав и ограничен, с одной стороны, рентгеновскими лучами, а с другой — микроволновым диапазоном радиоизлучения. Такое ограничение условно и в значительной степени определяется общностью технических средств и методов исследования явлений в указанном диапазоне. Для этих средств и методов характерны основанные на волновых свойствах излучения формирование изображений оптических предметов с помощью приборов, линейные размеры которых много больше длины волны излучения, а также использование приёмников света, действие которых основано на его квантовых свойствах.
Также оптика – раздел физики, изучающий свойства и физическую природу света, а также его взаимодействие с веществом. Учение о свете принято делить на три части:
-геометрическая или лучевая оптика, в основе которой лежит представление о световых лучах;
-волновая оптика, изучающая явления, в которых проявляются волновые свойства света;
-квантовая оптика, изучающая взаимодействие света с веществом, при котором проявляются корпускулярные свойства света.
Геометрическая оптика – это раздел оптики, изучающий законы распространения света в прозрачных средах и отражения света от зеркальных или полупрозрачных поверхностей.
Основные законы геометрической оптики: закон прямолинейного распространения света, закон отражения и преломления света, закон независимости световых пучков, зеркальное и диффузное отражение, закон независимости световых пучков.
Волновая оптика - изучает явления, в которых проявляется волновые свойства света. Интерференция – один из двух путей переноса энергии в пространстве. Это явление происходит при взаимодействии двух и более волн одинаковой частоты, распространяющихся в разных направлениях. При встрече двух волн в противофазе – наблюдается штиль, мертвая точка – деструктивная интерференция; при совпадении по фазе – удваивание амплитуды – конструктивная интерференция. На основе этого явления создан интерферометр: один луч разбивается на два синфазных луча. Смещение интерференционной картины позволяет отслеживать положение луча.
Дифракция – в основе лежит принцип Гюйгенса, т.е. каждая точка на пути распространения луча может являтся новым источником вторичных волн.
Квантовая оптика – раздел оптики, изучающий явления, в которых проявляется корпускулярная природа света. Одна из главных проблем: описание взаимодействия света с веществом, учитывая квантовую природу объекта, а также исследования света в специальных природных условиях.
Оптоэлектроника - важная самостоятельной областью функциональной электроники и микроэлектроники. Оптоэлектронный прибор - это устройство, в котором при обработке информации происходит преобразование электрических сигналов в оптические и обратно.
Существенная особенность оптоэлектронных устройств состоит в том, что элементы в них оптически связаны, а электрически изолированы друг от друга.
Оптоэлектроника охватывает два основных независимых направления – оптическое и электронно-оптическое.
Оптическое направление базируется на эффектах взаимодействия твердого тела с электромагнитным излучением. Оно опирается на голографию, фотохимию, электрооптику и другие явления. Оптическое направление иногда называют лазерным.
Электронно-оптическое направление использует принцип фотоэлектрического преобразования, реализуемого в твердом теле посредством внутреннего фотоэффекта, с одной стороны, и электролюминесценцией, с другой. В основе этого направления лежит замена гальванических и магнитных связей в традиционных электронных цепях оптическими. Это позволяет повысить плотность информации в канале связи, его быстродействие, помехозащищенность.
Оптрон — электронный прибор, состоящий из излучателя света (обычно — светодиод, в ранних изделиях — миниатюрная лампа накаливания) и фотоприёмника (биполярных и полевых фототранзисторов, фотодиодов, фото тиристоров, фоторезисторов), связанных оптическим каналом и как правило объединённых в общем корпусе.
Принцип работы оптрона заключается в преобразовании электрического сигнала в свет, его передаче по оптическому каналу и последующем преобразовании обратно в электрический сигнал.
Рис.1. Оптрон с внутренней (а) и внешними (б) фотонными связями: 1, 6 – источники света; 2 – световод; 3, 4 – приемники света; 5 – усилитель.
Основным элементом оптоэлектроники является оптрон (см. рис. 1).
- Содержание
- Раздел 1. Общие сведения и классификация
- Тема 1. Понятие и классификация датчиков, их место в эсб.
- Тема 2. Общие и специальные характеристики датчиков.
- Раздел 2. Физические принципы работы датчиков.
- Тема 3. Используемые физические эффекты.
- Тема 4. Физические основы оптических систем и оптоэлектронных устройств и приборов.
- Тема 5. Основы электроакустики и принцип работы электроакустических преобразователей.
- Раздел 3. Структура, функциональное назначение и эксплуатационно-технические характеристики датчиков.
- Тема 6. Датчики (детекторы) контроля присутствия и идентификация объектов.
- Тема 7. Датчики перемещений, положения, уровня, ускорения.
- Тема 8. Датчики силы, механического напряжения, прикосновения и давления.
- Тема 9. Акустические датчики.
- Тема 10. Детекторы светового излучения.
- Тема 11. Датчики температуры.
- Тема 12. Датчики, реагирующие на биофизические параметры человека.
- Тема 13. Датчики для специальных применений.
- Раздел 4. Выбор датчиков для эсб.
- Тема 14. Датчики систем контроля и управления доступом.
- Тема 15. Датчики охранных и пожарно-охранных сигнализаций.
- Тема 16. Средства обнаружения в периметральных системах охраны.
- "Микрофонный кабель"
- Тема 17. Камеры систем видеонаблюдения.
- Раздел 5. Интерфейсные схемы датчиков.
- Тема 18. Электронные устройтсва интерфейсных схем датчиков.
- Тема 19. Передача аналоговых сигналов датчиков.