Lumina vizibilă face parte din spectrul electromagnetic. Undele electromagnetice în gama lungimilor de undă cuprinse între 390–770 nm (Notă: 1 nm = 1 × 10^-9 m) formează lumina vizibilă. Razele ultraviolete și razele-X sunt, de asemenea, unde electromagnetice, dar au lungimi de undă mai mici (frecvențe mai mari). Razele infraroșii, microundele și undele radio sunt unde electromagnetice cu lungimi de undă mai mari. Tabelul 2.17 prezintă lungimile de undă ale mai multor tipuri de unde electromagnetice. Lumina vizibilă ocupă o gamă largă de lungimi de undă. În aplicațiile de cuplare optică, de exemplu, spectrul de undă mai restrâns implică proces de cuplare mai clar (fără zgomot). În consecință, este avantajos să se utilizeze surse de lumină cu caracteristici spectrale particulare în aplicații de acea natură. În special, deoarece lumina vizibilă poate fi contaminată de lumina mediului, introducând astfel un semnal de eroare în dispozitivul optic, este de asemenea util să luăm în considerare unde electromagnetice diferite de cele prezente în mod obișnuit în mediile de operare, în aplicații precum detectarea, cuplarea optică, comutarea și procesarea semnalului. Iluminatul este, de asemenea, crucial într-o varietate de industrii automate pentru procese de recunoaștere și măsurare a obiectelor, inspecție și gradare a produselor, recunoașterea defectelor și controlul calității, analiza imaginii, computer vision și visual servoing a manipulatoarelor robotice.

Tabelul 2.17 Lungimi de undă ale mai multor componente selectate ale Spectrului electromagnetic

2.8.1 Diode cu emisie de lumină

Sursele de lumină bazate pe semiconductor, cum ar fi LED-urile sunt componente integrate de dispozitive optoelectronice. Părțile componente de bază ale unui LED sunt prezentate în figura 2.30a. Simbolul elementului utilizat frecvent în circuitele electrice este prezentat în figura 2.30b. Componenta principală a unui LED este un element de diodă semiconductoare, format în mod tipic din compuși de galiu (de exemplu, arsenură de galiu sau GaAs și fosfat de arsenură de galiu sau GaAsP). Atunci când o tensiune este aplicată în direcția de polarizare directă a acestui element semiconductor, el emite lumină vizibilă (și, de asemenea, alte componente de unde electromagnetice, în primul rând în infraroșu). Un LED are nevoie de o tensiune ceva mai mare (aproximativ 2 V) pentru activarea sa (în polarizare directă) decât o diodă obișnuită de siliciu. În configurația cu polarizare directă, electronii sunt injectați în regiunea p a diodei și sunt recombinați cu goluri. Energia de radiație (inclusiv lumina vizibilă) este eliberată spontan în acest proces. Acesta este principiul funcționării unui LED. Dopajul adecvat cu elemente precum azotul va produce efectul dorit. Energia de radiație generată la joncțiunea unei diode trebuie transmisă direct la o fereastră a diodei pentru a reduce pierderile de absorbție. Două tipuri de construcție sunt utilizate în mod obișnuit: emițătoare de margini, care emit radiații de-a lungul marginilor joncțiunii-pn și emițătoare de suprafață, care emit o radiație normală la suprafața joncțiunii.

Diodele cu emisie de lumină infraroșie (IRED) sunt LED-uri care emit radiații infraroșii la un nivel de putere rezonabil. GaAs, arsenură de aluminiu de galiu (GaA/As) și fosfat de arsenură de indiu de galiu (InGaAsP) sunt materiale IRED utilizate frecvent. Compuși de galiu și nu siliciu sau germaniul sunt utilizate în LED-uri din motive de eficiență a conversiei energiei și a caracteristicilor intensității (compușii de galiu prezintă vârfuri ascuțite ale puterii spectrale în benzile de frecvență dorite). Tabelul 2.18 prezintă caracteristicile lungimii de undă ale tipurilor de LED și IRED comune (1 Å = 1 × 10^-10 m = 0,1 nm). Notă: indică unitatea „angstrom”. Aceste diode au dimensiuni mici (de exemplu, cu diametrul de câțiva mm) și folosesc curenți mici (20–100 mA) la tensiuni mici (2 V).

LED-urile sunt utilizate pe scară largă în electronica optică datorită eficienței de conversie a energiei lor, compoziției spectrale, vitezei, dimensiunii, durabilității și costurilor reduse. Ele pot fi construite în dimensiuni miniatură, au constante de timp mici și impedanțe reduse, pot oferi rate de comutare mari (de obicei peste 1000 Hz) și au o durată de viață a componentelor mult mai lungă decât lămpile cu incandescență. Sunt utile atât ca surse de lumină cât și pentru afișaje.

FIGURA 2.30 Un LED: (a) construcție fizică; (b) simbolul circuitului

Tabelul 2.18 Caracteristicile lungimii de undă ale LED-urilor comune

2.8.2 Lasere

Un laser (amplificare de lumină prin emisie stimulată de radiații) este o sursă de lumină care emite un fascicul de lumină concentrat, care se va propaga de obicei la una sau două frecvențe (lungimi de undă) și în fază. De obicei banda de frecvență este extrem de îngustă (adică monocromatică), iar undele din fiecare frecvență sunt în fază (adică coerente). Mai mult, energia unui laser este foarte concentrată (densități de putere de 1 miliard de wați/cm²). În consecință, un fascicul laser poate circula în linie dreaptă pe o distanță lungă, cu foarte mică dispersie. Prin urmare, este o sursă de lumină structurată, care este deosebit de utilă pentru imagistica, calibrare și alinierea aplicațiilor. Laserele pot fi utilizate într-o mare varietate de senzori (de exemplu, senzori de mișcare, senzori tactili, senzori de viteză laser-doppler, imagini 3D) care utilizează fotosensibilitate și fibră optică. De asemenea, laserele sunt utilizate în aplicații medicale, în special în microchirurgie. Laserele au fost utilizate în fabricarea și îndepărtarea materialelor, cum ar fi sudarea cu precizie, tăierea și găurirea diferitelor tipuri de materiale, inclusiv metale, sticlă, materiale plastice, ceramică, cauciuc, piele și stofă. Laserele sunt utilizate pentru inspecția (detectarea defectelor și neregulilor) și calibrarea (măsurarea dimensiunilor) pieselor. Alte aplicații ale laserelor includ tratarea termică a aliajelor, metode holografice de testare nedistructivă, comunicații, procesare de informații și imprimare de înaltă calitate.

Laserele pot fi clasificate ca solid, lichid, gaz sau semiconductor. Într-un laser solid (de exemplu, laser cu rubin, laser cu sticlă), este utilizat ca mediu pentru laser o tijă solidă cu capete reflectorizante. Mediul laser al unui laser lichid (de exemplu, laser colorant, laser cu soluție de sare) este un lichid cum ar fi un solvent organic cu un colorant sau un solvent anorganic cu compus de sare dizolvat. Cu laserele lichide sunt posibile nivele de putere cu vârf foarte înalt. Laserele de gaz (de exemplu, laser cu heliu-neon sau He-Ne, laser cu heliu-cadmiu sau He-Cd, bioxid de carbon sau laser CO2) utilizează un gaz ca mediu laser. Laserele cu semiconductor (de exemplu, laser cu arsenură de galiu) folosesc o diodă semiconductoare similară cu un LED ce emite la margine. Unele lasere au principalele lor componente de radiație în afara spectrului vizibil de lumină. De exemplu, laserele cu CO2 (cu o lungime de undă de aproximativ 110.000 Å) emit, în principal, radiații infraroșii.

Într-o unitate laser convențională, fasciculul laser este generat prin o primă inițiere a unei excitații pentru a crea un flash de lumină. Aceasta va iniția un proces de emitere a fotonilor de la molecule din mediul laser. Această lumină este apoi reflectată înapoi și înainte între două suprafețe reflectante înainte ca raza de lumină să fie în final emisă ca un laser. Aceste unde vor fi limitate la o bandă de frecvență foarte îngustă (monocromatică) și vor fi în fază (coerente). De exemplu, considerați schematic unitatea laser He-Ne arătată în figura 2.31. Amestecul de gaz heliu și neon din rezonatorul cavității este încălzit de o lampă cu filament și ionizat folosind o tensiune DC mare (2000 V). Electronii eliberați în proces vor fi accelerați de înalta tensiune și se vor ciocni cu atomii, eliberând astfel fotoni (lumină). Acești fotoni se vor ciocni cu alte molecule, eliberând mai mulți fotoni. Acest proces este cunoscut sub numele de lasing (generarea unei lumini coerente de către un laser). Lumina generată în acest mod este reflectată înapoi și înainte de suprafața argintată și lentila parțial reflectorizantă (divizor de fascicul) în rezonatorul cavității, stimulând-o. Aceasta este oarecum similară cu o acțiune rezonantă. Lumina stimulată este concentrată într-un fascicul îngust de un tub de sticlă și emisă ca un fascicul laser, prin lentila parțial argintată.

Un laser semiconductor este oarecum similar cu un LED. Elementul laser este de obicei format dintr-o joncțiune-pn (dioda) din material semiconductor, cum ar fi arsenura de galiu (GaAs) sau fosfat de arsenură de galiu indiu (InGaAsP). Marginile joncțiunii sunt reflective (în mod natural sau prin depunerea unei pelicule de argint). Deoarece se aplică o tensiune la laserul semiconductor, injecția ionică și recombinarea spontană care are loc în apropierea joncțiunii-pn vor emite lumină ca într-un LED. Această lumină va fi reflectată înapoi și înainte între suprafețele reflectorizante, trecând de-a lungul regiunii de epuizare de multe ori și creând mai mulți fotoni. Fasciculul de lumină (laser) stimulat este emis printr-o margine a joncțiunii-pn. Laserele semiconductoare sunt adesea menținute la temperaturi foarte scăzute pentru a obține o durată de viață rezonabilă a componentelor. Laserele semiconductoare pot fi fabricate în dimensiuni foarte mici. Ele au un cost mai mic și necesită mai puțină putere în comparație cu lasere convenționale. Caracteristicile lungimii de undă și de putere pentru mai multe tipuri de lasere sunt prezentate în tabelul 2.19.

FIGURA 2.31 Laser cu heliu-neon (He-Ne)

TABEL 2.19 Proprietățile câtorva tipuri de lasere

2.8.3 Afișaje cu cristale lichide

Un afișaj cu cristale lichide (LCD) constă dintr-un mediu de material cu cristale lichide (de exemplu, compuși organici, cum ar fi nonanotul de colesteril și p-azoxianisolul) prinși între o foaie de sticlă și o suprafață oglindită, așa cum se arată în figura 2.32. Perechi de electrozi transparenți (de ex. oxid de staniu) dispuse într-o matrice plană se depun pe suprafețele interioare ale plăcilor de sandwich. În absența unui câmp electric peste o pereche de electrozi, atomii mediului de cristale lichide din acea regiune vor avea o orientare paralelă. Drept urmare, orice lumină care cade pe foaia de sticlă va călători mai întâi prin cristalul lichid, apoi va fi reflectată înapoi de suprafața oglindită și, în final, va reveni neîmprăștiată. Odată ce o pereche de electrozi este activată, alinierea moleculară a mediului captiv se va schimba, determinând o împrăștiere. Ca urmare, va fi vizibilă o regiune întunecată în forma electrodului. Caractere alfanumerice și alte imagini grafice pot fi afișate în acest mod prin alimentarea unui anumit model de electrozi.

De asemenea, sunt disponibile și alte tipuri de construcții LCD. Într-un tip, foile de sticlă polarizate sunt utilizate pentru a atrage cristalul lichid. În plus, se aplică o acoperire specială pe suprafețele interioare ale celor două foi care vor polariza mediul de cristal lichid în direcții diferite. Această structură de polarizare este modificată de un câmp electric (furnizat de o pereche de electrozi), afișând astfel un element de imagine. Ecranele LCD necesită lumină externă pentru a funcționa. Dar au nevoie de curenți și nivele de putere semnificativ scăzute pentru a funcționa. De exemplu, un afișaj LED poate avea nevoie de un watt de putere, în timp ce un LCD comparabil ar putea necesita doar o fracție mică dintr-un mW. În mod similar, cerința curentă pentru un LCD este în gama μA. Dar, LCD-urile au, de regulă, nevoie de polarizare AC. O rezoluție de imagine de ordinul a 5 linii/mm este posibilă cu un LCD.

FIGURA 2.32 Un element LCD

2.8.4 Afișaje cu plasmă

Un afișaj cu plasmă este oarecum similar cu un LCD în construcție. Mediul utilizat într-un afișaj cu plasmă este un gaz ionizant (de exemplu, neon cu urme de argon sau xenon). O matrice plană de perechi de electrozi este utilizată pe suprafețele interioare ale sticlei de încapsulare. Când o tensiune peste tensiunea de ionizare a mediului este aplicată perechii de electrozi, gazul se va străpunge și va rezulta o descărcare. Impactul de electroni generat la catod va duce la eliberarea suplimentară a electronilor pentru a susține descărcarea. Va rezulta o strălucire caracteristică portocalie. Modelul electrozilor energizați va determina imaginea grafică.

Electrozii ar putea fi cuplați DC sau AC. În cazul acestora din urmă, electrozii sunt înveliți cu un strat de material dielectric pentru a introduce un condensator la interfața de gaz. Eficiența energetică a unui afișaj cu plasmă este mai mare decât cea a unui afișaj LED. Se poate obține o rezoluție tipică de imagine de 2 linii/mm.

2.9 Senzori de lumină