detektory světla a digitální optika Abrorbce x Emise - Absorpce záření − Látka pohlcuje fotony záření a elektrony přecházejí na vyšší energetické hladiny - Samovolná emise záření − Elektrony samovolně přecházejí z vyšší energetické hladiny E3 na nižší E2 a atomy vyzařují fotony s energií Efoton Stimulovaná (vynucená) emise světla Nastává u excitovaných atomů vnějším působením. Emisi vyvolá jen foton o stejné frekvenci, jakou má foton, který emisí vzniká. E3 E2 stimulovaná emise Zdroje světla - Tepelné zdroje (svíčka, petrolejová lampa, žárovka) - nízká účinnost (málo energie se přemění na světlo) - Výbojové zdroje (výbojky, doutnavky) - čárové nebo pásové spektrum, jejich účinnost je větší než u tepelných zdrojů - Luminiscenční zdroje (obrazovky, zářivky) - záření o kratší vlnové délce vyvolá v látce určitého složení vznik záření o delší vlnové délce. Např. v zářivce probíhá výboj plynu jehož UV záření je pro oko neviditelné. UV dopadá na vrstvu látky (luminofor), kterou je pokryta vnitřní plocha trubice a způsobuje její luminiscenci (záření). - Fotoluminiscence, Radioluminiscence, Katodoluminiscence, Chemiluminiscence, Bioluminiscence - LED - Prochází-li přechodem P-N diody LED elektrický proud v propustném směru, přechod vyzařuje (emituje) nekoherentní světlo s úzkým spektrem, které je závislé na chemickém složení použitého polovodiče. - UV, různé barvy viditelného spektra, až po infračervené pásmo. Bílé světlo – RGB míchání, emise modrého světla + luminiscence žlutého světla, emise UV + luminiscence bílého světla. - Laser Laser - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - Plynové (He-Ne, CO2, Ar, HeAg, NeCu) - Chemické (HF/DF) - Excimerové (ArF, KrCl, KrF, XeCl, XeF) vhodné pro LASIC - Pevnolátkové (Nd:YVO4, Nd:YLF, Nd:YAG, Yb:YAG, Yb:KGW, Yb:KYW, Yb:SYS, Yb:BOYS, Yb:CaF2, Ti:sapphire) - Polovodičové - Barvivové a nebo - Kontinuální - Pulzní Anatomie laseru Laserový modul obsahuje výkonný IR diodový laser. Ten pumpuje krystal Nd:YVO4 v laserové kavitě (rezonátoru). Laser produkuje infračervené záření které je omezeno uvnitř rezonátoru. Nicméně obsahuje nelineární KTP krystal, který způsobuje zdvojení frekvence, což vede k záření zeleného světla 532 nm. Přední zrcadlo je transparentní pro tuto viditelnou vlnovou délku, která je pak rozšířena a kolimována. Vlastnosti laserového svazku - Časově koherentní - Polarizovaný i nepolarizovaný - Gaussovský průřez svazku základního modu rezonátoru - Směrovost svazku - Vysoká hustota výkonu (nebezpečí) Bodové detektory Fotodioda - Fotovoltaický režim - Ve fotovoltaickém režimu není dioda připojena k napájecímu zdroji. Když světlo dopadne na fotodiodu, excituje elektrony do stavu vyšší energie a vede k tomu, že se elektrony pohybují směrem ke katodě a díry směrem k anodě. Tento proces vytváří rozdíl potenciálů mezi katodou a anodou. - Fotoelektrický režim - Ve fotoelektrickém režimu je dioda připojena ke zdroji energie. Když světlo dopadne na fotodiodu, vytvoří se pár elektronů a děr, které se pohybují v opačném směru v důsledku přivedeného napětí. Lavinová fotodioda - velmi citlivá - předepnuta vysokým závěrným napětím řádu desítek až stovek voltů -> těsně pod průrazovým napětím -> zisk 100 až 1000 x - elektrony a díry jsou urychlovány silným vnitřním elektrickým polem, generují další nosiče, vzniká lavinový jev - ze čtyř vrstev: N+(více dopovaný N), P, čistého polovodiče a P+ (vícedopovaný P) -> mezi vrstvami N+ a P vzniká lavinový jev - parametry: Materiál - Křemík (190nm - 1100nm, zisk M ~ 100 - 500), Germanium (infračervená oblast ~ 800nm - 1700nm, vysoká hodnota šumu M ~ 10), IndiumGaliumArsenid (~ 900nm - 2200nm, M ~ 10), GaliumNitrid (UV) Velikost diody - velikost fotocitlivé oblasti, závisí na volbě optické soustavy, čím větší, tím dražsí "Temný" proud (dark current) - proud, který prochází fotodiodou, na kterou nedopadá žádné světlo; roste s předepínajícím napětím a ziskem diody. Zisk - roste s předepínajícím napětím, zisk je také závislý na teplotě (s rostoucí teplotou klesá) PMT - fotonásobič - fotony dopadají na fotokatodu a interagují s elektrony materiálu fotokatody - dochází k fotoelektrickému jevu – k vyražení elektronů nad povrch katody - elektrony jsou pak postupně urychlovány elektrickým napětím mezi jednotlivými elektrodami (tzv. dynodami) - dopad urychlených elektronů na dynodu vyvolává emisi většího počtu elektronů (tzv. sekundární emise) -> znásobení počtu elektronů, které jsou urychlovány směrem k další dynodě -> po sérii zesílení proud elektronů dopadá na anodu - celkové zesílení až 108x -> detekce jednotlivých fotonů Plošné detektory CCD - Charge-Coupled Device Na elektrody označené na obrázku číslem 1 se přivede kladné napětí a na CCD se nechá působit světlo. Dopadající fotony excitují v polovodiči elektrony, které jsou pak přitahovány ke kladně nabitým elektrodám. Po elektronech zbudou v polovodiči tzv. díry, které vůči svému okolí vykazují kladný náboj a ty jsou naopak přitahovány elektrodou na spodku CCD. Hranice pixelů jsou na obrázku znázorněny svislými tečkovanými čarami. Protože na pixel vlevo dopadlo více fotonů, je u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo. Po uzavření závěrky se začne na množiny elektrod 1, 2 a 3 přivádět trojfázový hodinový signál. To v praxi znamená, že na elektrodách 2 se začne pozvolna zvyšovat napětí, zatímco na elektrodách 1 se souběžně snižuje. Díky tomu jsou shluky elektronů přitahovány pod elektrody 2. Následně se celý děj opakuje mezi elektrodami 2 a 3, dále mezi 3 a 1 a tak stále dokola. Shluky elektronů z jednotlivých pixelů se tak posouvají přes sousední pixely směrem k výstupnímu zesilovači (na obrázcích vpravo). Tento zesilovač pak zesílí malý proud odpovídající počtu nachytaných elektronů v jednotlivých pixelech na napěťové úrovně vhodné pro další zpracování obrazu. Plošné CCD Obraz se snímá tak, že se nejprve trojfázovým posuvem vysune první pixel ze všech svislých sloupců ve směru y do spodního vodorovného řádku. Z toho se pak opakovaným trojfázovým posuvem ve směru x celý řádek naposouvá k obrazovému zesilovači. Poté se dalším trojfázovým posuvem ve směru y posune druhý pixel ze všech sloupců do vodorovného CCD. Celý tento cyklus se opakuje dokud nejsou ze sloupců vyprázdněny všechny pixely. CCD ● Rozlišení: 4.2 MP 2048x2048 pixelů ● Typ senzoru: CCD B/W ● Senzor : KODAK KAI-4021 ● Velikost senzoru: 4/3 palce ● Aktivní plocha senzoru: 16.67x16.05 mm ● Bitová hloubka pixelu: 8, 10, 12, 14 ● Vyčítací šum typický: 3 ē ● Vyčítací šum maximální: 5 ē ● Dynamický rozsah: 70dB ● Podvzorkování čipu: 1x1, 2x2, 4x4, 6x6 ● Interface kamera – PC: IEEE1394A ● Napájení: 5-12V 1.8W, typ. 3.8W s chlazením ● Chlazení: Peltieruv článek ● Závit pro objektiv: C-Mount ● Váha: 250g ● Rozměry WxHxD : 60 x 60 x 35 mm EMCCD - vysoká citlivost (photon counting) a vysoká rychlost - zesílení signálu před odečtem - struktura jako u CCD - dvě oblasti -> „část obrazu“ - zachycuje obraz -> „úložná oblast“ - stejná velikost jako oblast snímače, je pokryta neprůhlednou maskou - během akvizice je oblast senzoru vystavena světelnému signálu a je zachycen obraz, který je poté automaticky posunut dolů za maskovanou oblast čipu a poté načten. - během čtení je sníman další snímek - pro odečtení senzoru je náboj posunut ven přes čtecí registr a poté přes multiplikační registr EMCCD https://www.hamamatsu.com/eu/en/ product/type/C9100-24B/index.html Bayerova maska - pole barevných filtrů -> k filtraci světla dopadajícího na snímací čip - Bryc E. Bayer z firmy Eastman Kodak, který ji patentoval v roce 1976 - tři druhy filtrů -> R, G a B -> v pravidelné mřížce (2× více zelených než propouštějících ostatní 2 barvy - odráží vlastnosti lidského oka, které je nejcitlivější právě na tuto barvu) - výsledkem snímání je snímek se stejným počtem pixelů jako má rozlišení čipu -> každý pixel obsahuje údaje jen o jedné dopadající barvě -> další dvě barevné složky pro vznik barevného obrázku se dopočítávají CMOS - Complementary metal –oxide – semiconductor Elektronika je integrována přímo v buňce senzoru, má svůj vlastní zesilovač a je přímo adresována a čtena (na rozdíl CCD, který je čten postupně). Protože elektronika zabírá část plochy buňky a snižuje tak citlivou část buňky, používají výrobci tzv. mikroobjektivy, které soustřeďují na tuto část více světla. Tím kompenzují obrazový šum, vznikající nutným vyšším zesílením, potřebným vzhledem k menší citlivé ploše buňky. Firma Sony produkuje zcela nový typ snímačů s názvem CMOS Exmor R s technologií Back Illuminated. Jde o to, že podařilo umístit elektrody napařené zatím vždy na přední straně křemíkového čipu na jeho zadní stěnu. Tím se samozřejmě značně zvětšila aktivní plocha jednotlivých buněk, což vede ke zvýšení citlivosti až o 1 eV. Exmor R je dvakrát citlivější než běžné CMOS snímače. CMOS ● Rozlišení: 4 M 2048 × 2048 ● Typ senzoru: CMOS RGB Bayer Matrix ● Senzor: CMOSIS CMV4000 ● Velikost senzoru: 1" ● Aktivní plocha senzoru:11.27 × 11.27 mm ● Velikost pixelu: 5.5 × 5.5 µm ● Bitová hloubka pixelu: 8, 10, (12) ● Dynamický rozsah: 60dB ● Rychlost snímání: 90 fps ● Interface kamera – PC: USB 3.0 ● Napájení: 1.6 W ● Závit pro objektiv: C nebo CS Mount ● Váha: 32g ● Rozměry WxHxD: 26 x 26 x 30 mm digitální optika AOD - akusto-optický deflektor - nazývaný také Braggův článek nebo akustooptický deflektor (AOD) - využívá akustooptický efekt difrakce světla pomocí zvukových vln (obvykle na radiofrekvenci) - vzniká stojaté vlnění v krystalu - vzhledem k poloze kmiten a uzlů vznikají lokální změny indexu lomu -> fázová difrakční mřížka - jedna i dvě osy je vlnová délka světla ve vakuu je index lomu krystalu je vlnová délka zvukové vlny AOD - akusto-optický deflektor Optical Wavelength Range 633 nm Acousto-Optic Material Dense Flint Glass Diffraction Efficiency (center of scan) 80% Diffraction Efficiency (edges of scan) 60% Centre Frequency 70 MHz Deflection Bandwidth 40 MHz Beam Seperation 11.4 mrad (70 MHz) Deflection Range 6.5 mrad RF Drive Power3 (nominal) 82.5 Watts Input Impedance (nominal) 50 ohms Optical Polarization Any IntraAction AOD-70 Acousto-Optic Deflector https://www.lambdaphoto.co.uk/intraaction-aod-70-acousto-optic-deflector.html AOD - akusto-optický deflektor DOI:10.2172/1002101 LCOS-SLM - optický fázový modulátor - elektricky ovládaná fáze svazku - dvourozměrná struktura, ve které jsou uloženy tekuté krystaly - každý krystal je buzen elektrickým polem -> dochází k otočení molekul krystalů vůči dopadajícímu paprsku - > naklonění molekul tekutého krystal změní jeho výsledný index lomu, čímž je kontrolována fáze světla -> 8bitová fáze světla - použití: - výzkumné aplikace - generování optických vírů, tvorba mřížek, čoček možné kombinace jednotlivých komponent - průmyslové aplikace - kompenzace aberace v mikroskopech, optické pinzety LCOS-SLM - optický fázový modulátor https://www.hamamatsu.com/eu/en /product/optical-components/lcos- slm/for_research_and_developmen t_applications/lcos-slm/index.html LCOS-SLM - optický fázový modulátor https://www.santec.com/en/products/components/slm/ DOI:10.1007/7657_2011_3 DMD čip - MEMS prvek - matice překlopitelných mikrozrcátek - vysoká rychlost překlápění - pouze dva stavy ON a OFF - naklopení typicky +12° a -12° - zrcátka jsou uložena na skrutných závěsech - jejich natočení je řízeno velikostí elektrického pole - modulace amplitudy vlny, tvorba difrakčních mřížek, strukturované osvětlení - oproti SLM levné Digital Light Processing - DMD čip ● DLP9000X ○ Wavelength Range- 400-700 nm ○ Micromirror Array Size- 2560 x 1600 ○ Display Resolution- WQXGA ○ Micromirror Array Diagonal- 0.9 inches ○ Micromirror Pixel Pitch- 7.6 µm ● High speed patterns using the native DLPC900 - driver ○ Up to 9,523 Hz binary pattern rate ○ Up to 247 Hz 8-bit grayscale pattern rate ● 2 Configurable I/O trigger for synchronizing with cameras, sensors, etc ● USB 1.1, HDMI and I2C interfaces https://www.ti.com/store/ti/en/p/pro duct/?p=DLPLCR9000EVM Digital Light Processing - DMD čip původní účel - projektory DMD čip https://doi.org/10.1038/srep01116 deformovatelné zrcadlo - na kruhový piezokeramický kotouč je přilepen tenký skleněný kotouček s hliníkovým nebo stříbrným povlakem - zrcadlo je prohýbáno 40ti piezo-segmenty - každý segment je řízen nezávisle pomocí kladného napětí - povrch je navržen tak, aby byl plochý, když je na každou elektrodu aplikována polovina maximálního napětí - nižší napětí na elektrodě - lokálně konkávní tvar zrcadla - vyšší napětí na elektrodě - lokálně konvexní tvar zrcadla - pomocí tří mechanicky identických ramen lze zrcadlo naklonit v libovolném směru deformovatelné zrcadlo https://www.thorlabs.com/thorproduct.cfm?partnumber=DMP40/M-F01 Shack-Hartmann senzor - slouží k měření tvaru vlnoplochy vlny - je složen z plošného senzoru (CMOS, CCD) a pole mikročoček - mikročoky fokusují vlnu po částech - poloha spotu reprezentuje sklon části vlnoplochy - z polohy všech spotů se rekonstruuje tvar vlnoplochy - kombinuje se často s deformovatelným zrcadlem -> on-line korekce vad (mikroskopie, astronomie) Shack-Hartmann senzor https://www.thorlabs.com/newgrouppage9.cfm?objectgroup_id=5287 Shack-Hartmann senzor + deformovatelné zrcadlo Shack-Hartmann senzor + deformovatelné zrcadlo Neptun Hubble Space Telescope (HST), viditelné spektrum pozemní teleskop s adaptivní optikou, IR spektrum https://laser.physics.sunysb.edu/_shannon/report/index.html