Fénykibocsátó elemek

2.3.1. Fotódiódák

Az elnevezés az angol Light Emitting Diode kifejezésből származik. A fényemittáló dióda olyan félvezető eszköz, amely az elektromos energiát közbenső hőenergia nélkül közvetlenül alakítja fénnyé. Ez természetesen nem jelent veszteség nélküli átalakítást, hiszen a fényemittáló diódák hatásfoka néhány % körül mozog, a többi hőveszteség. A közvetlen átalakítás azt jelenti, hogy a fényenergia nem hőenergiából keletkezik izzítással, így hullámhosszát sem a hőmérséklet határozza meg, bár a környezeti hőmérséklettől függ. A fénykeltést az elektrolumineszcencia jelenségével magyarázzuk, amelyet először H. J. Round írt le 1909-ben. Az ilyen

„hidegfényű” eszköz előállítását azonban csak a félvezető-kutatás eredményei tették lehetővé. A félvezetők olyan szilárd anyagok, amelyek önmagukban rosszul vezetik a villamosságot, fajlagos vezetőképességük a fémeké és a szigetelőké közé esik. A fémekkel ellentétben a hőmérséklet növelésekor vezetőképességük általában növekszik és más kívülről jött energiák (pl.: villamos tér, fotonok) is befolyásolják a vezetőképességet.

5.4. ábra. A fényemittáló dióda felépítése

A szennyezett félvezetők alkotják a félvezetők legfontosabb csoportját. Ezek kétfélék: n - típusúak és p - típusúak. Az elektronok energiasávokban foglalnak helyet. A legkülső teljesen betöltött sáv az alapsáv (vegyértékkötési sáv), a felette levő, csak részben betöltött vagy üres sáv pedig a vezetési sáv. Elektromos térben a vezetési sávban levő vagy odakerült elektronok könnyen elmozdulhatnak, a kristály jól vezet. A szennyezett félvezetőkben a majdnem üres vezetési sávot az alapsávtól elég széles ún. tiltott sáv választja el.

A világító diódában egy p - és egy n - típusú félvezető érintkezik egymással. Egy ilyen p; n - átmenetben nyitóirányú feszültség hatására az n rétegből elektronok haladnak a p rétegbe (vagy lyukak az ellenkező irányba), akkor adott valószínűséggel találkoznak lyukakkal (vagy elektronokkal), amelyekkel egyesülnek (rekombinálódnak). A gerjesztett elektronlyuk-pár rekombinációja során közvetlen vagy közvetett módon egy fénykvantum keletkezik. A rekombinációs fény hullámhosszát az alkalmazott félvezető anyag tiltott zónájának szélessége határozza meg.

2.3.2. Lézerek

A lézer alkalmazását a mechatronika különféle területein a sugárzás különleges tulajdonságai magyarázzák. A LASER elnevezés angol betűszó: a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (fényerősítés, sugárzás megindított kibocsátása útján) kezdőbetűiből alakult.

Aszabvány szerint a lézer: szűk nyalábú koherens sugárzást kibocsátó sugárforrás, amelyben gerjesztés hatására stimulált emisszió jön létre. Ennek a szabatos, de tömör meghatározásnak érdemes az egyes kitételeit bővebben elemezni ahhoz, hogy a lézer működésének elvét jobban megismerjük.

A lézer azért sugárforrás és nem csak fényforrás, mert éppen a leghatékonyabb lézerek közül többen nem fényt, hanem láthatatlan infravörös sugárzást bocsátanak ki, és ma már ultraibolya lézer is van.

A lézersugárzás szűknyalábú, mert a kibocsátott sugárzás egész energiája egy szűk majdnem tökéletesen párhuzamos sugárnyalábban marad. Az lézer sugárnyalábja nagyon koherens. A transzverzális koherencia áll fenn akkor, ha egy térben rögzített hullámfelület az észlelés tartamára mindvégig hullámfelület marad, vagyis bármely két szimmetrikusan elhelyezkedő pontjának azonos időpontban azonos a rezgési fázisa. A longitudinális koherencia valamely hullámsugár (fénysugár) két tetszőleges szimmetrikusan elhelyezkedő pontjának rezgése közti állandó fáziskülönbséget jelenti az észlelés tartama alatt. A lézersugárzás transzverzális koherenciája szinte korlátlan, longitudinális koherenciája pedig több száz méterre is kiterjedhet, szemben a hagyományos monokromatikus hullámok esetében megszokott néhány m vagy mm távolsággal.

Mit jelent a stimulált vagy megindított sugárzás? Ellentéte a spontán vagy önálló sugárzásnak, amikor is a sugárzó atomok gerjesztés után egymástól teljesen függetlenül, véletlenszerű sorrendben és időpontokban esnek vissza az alacsonyabb energiaszintre és így sugároznak. A megindított sugárzás esetében nagyobb mennyiségű atom a gerjesztett szinten várakozik, amíg egyikük valamilyen hatásra vissza nem esik az alapszintre és ennek a hulláma odaérve a többi gerjesztett atomhoz megindítja azok sugárzását. vagy az egyes atomokból kiinduló

rezgések mind azonos fázisban lesznek, mind erősítik egymást, ami a lézersugárzás nagy intenzitását és koherenciáját eredményezi.

2.3.3. Félvezető lézerek

Ez a lézertípus különleges helyet foglal el a lézerek világában (szilárdtest, gáz-, festéklézerek), az igen kis mérete és árammal való vezérelhetősége miatt.

5.5. ábra. A p/n átmenetes lézer

A félvezető kristályban az elektronok egy része egész kristályhoz tartozik, s nem diszkrét energiaállapotok, hanem sávok alakulnak ki bennük. Az elektronok zöme az alsó, az ú.n. vegyértéksávban helyezkedik el, kis részük a néhány eV-tal magasabb, un. vezetési sávban található. Külső elektromos tér hatására, az n típusú rétegből lyukak áramlanak be a p-n átmeneti rétegbe. Az elektronok és lyukak egyesülhetnek, az eközben felszabaduló energia fény formájában sugárzódik ki. Ez az un. rekombinációs sugárzás. Ha az elektronok és lyukak száma elegendően nagy, vagyis elég nagy az áram és megfelelő a visszacsatolás, az egyes elektron-lyukpárok sugárzása indukált emisszióval egymáshoz kapcsolódik, beindul a lézer.

A spontán sugárzásnak indukált sugárzásba való átmenete tehát egy bizonyos áramküszöb felett megy végbe, és a lézerműködésbe való átcsapás nem csak a kisugárzott teljesítmény növekedésében, hanem az egyébként széles sugárzási spektrum összeugrásában és a sugárzás irányelosztásának jelentős összeszűkülésében nyilvánul meg.

A félvezető lézerek legegyszerűbb típusa a GaAs alapanyagú, amelyet tellúrral (n típus) és cinkkel (p típus) szennyeznek.

2.4. 5.3. Optikai elven működő érzékelő berendezések

2.4.1. Távolságmérők

Az optikai technológiával érintkezésmentes távolságmérés valósítható meg. Az érzékelők általában mérési tartományban, mérőfolt nagyságában és felbontásban különböznek egymástól. Az érzékelőket alapvetően LED -es és lézer-es csoportra bonthatjuk.

Felhasználási területek:

• méretellenőrzés

• kis alkatrészek helyzetének felismerése

• alkatrészek helyzetének ellenőrzése futószalagon

• átfedések felismerése

• robotkar helyzetének kijelzése

• alkatrészének jelenlétének felismerése

• szintérzékelés

• rezgésanalízis

• töréstesztnél távolságmérések

Az optikai távolságérzékelők a háromszögelés elve alapján mérik a távolságot. A tárgyra egy fénypontot fókuszálnak, és a visszaverődött fényt egy pozícióérzékelő illetve egy CCD cella dolgozza fel.

A mérés a diffúz módon visszavert fény elvén működik. Nagyságrendileg 10%-os felületi reflexió már elégséges a mérési eredmény meghatározásához. Léteznek digitális és analóg érzékelők. Az analóg érzékelők egy gyors helyzetfüggő érzékelő diódával működnek, míg a digitális szenzoroknál egy CCD/CMOS lapka veszi fel a visszavert fényt. Az analóg érzékelők általában gyorsabban kiegyenlítik a tárgy színei által okozott eltéréseket, mint a digitális érzékelők.

2.4.2. Lézeres letapogatás

Az optikai távolságmérés elvén alapszik az ún. „Reverse Engineering” vagyis fordított mérnöki tevékenység.

Ilyenkor egy már létező, ám ismeretlen geometriai méretekkel rendelkező tárgy háromdimenziós „CAD”

modelljét határozzuk meg. A szkennelés során letapogatjuk a tárgy felületi pontjait. Léteznek tisztán lézeres és egyéb optikai rendszerrel kombinált (kamera) letapogató érzékelők. Az ilyen érzékelők közös hátránya, hogy függőleges falú ill. alámetszett tárgyakat nem tudnak szkennelni, továbbá bizonyos felületeken erős reflexiós problémák léphetnek fel. Minden szkennelőberendezés a szkennelés eredményeként egy pontfelhőt állít elő.

Ebből a több millió pontból álló „felhőből” kell létrehozni a CAD szoftverek által kezelhető háromdimenziós CAD modellt.

2.4.3. Háromdimenziós felületek azonosítósa moirémódszerrel

A „moiré” szó francia eredetű, habos vagy lángmintát jelent. A moiréjelenség első leírása Lord Rayleigh nevéhez fűződik. A moiréjelenség keletkezése két eltérő térfrekvenciájú periodikus struktúra egymásra hatásának az eredménye. Analógiát keresve a jelenség az interferencia egy speciális esetének vagy esetleg egy

„kvázi interferometrikus” jelenségnek tekinthető. Az adott rendezettséget mutató alapcsíkozatok együttesen egy, azok bármelyikétől eltérő, eredő csíkozatot hoznak létre. Nyilvánvaló, hogy az eredő csíkozat egyértelmű kapcsolatban van az őt létrehozó alapcsíkozatokkal. A moiréjelenség, ami az alapcsíkozatok egymásra hatásának eredményeként megjelenő moirécsíkokat jelenti, méréstechnikai alkalmazásának alapgondolata az, hogy ha az alapcsíkozatok közül az egyik a vizsgálandó objektum egy adott állapotával van kapcsolatban, míg a másik egy ettől eltérő állapottal, ami akár egy referenciaállapot is lehet, az eredő csíkozatokból következtethetünk a két állapot, közötti eltérésre. Ebből következik, hogy az eredő jelenségből visszafejthető az objektum egyik állapota a másik vagy a referencia ismeretében. A jelenség létrehozása egyszerű és olcsó, míg a mérési tartomány és felbontás ugyan csak egy bizonyos határon belül változtatható, viszont jól illeszthető a feladathoz.

A moiré módszerű mérések során gyakran alkalmazzák az úgynevezett projekciós elrendezést, amely esetében a vizsgált tárgy felületére egy optikai rendszer segítségével lineáris alaprácsot képezünk le. A tárgy felületén megjelenő csíkokat a berendezés analizáló részegységének optikai rendszere egy másik ernyőn elhelyezkedő alaprácsra, a vizsgáló vagy referenciarácsra, képezi le. Ekkor az ernyőn egyszerre két csíkozat látható, maga a vizsgáló rács, illetve a tárgy felületét borító csíkozat képe.

2.4.4. Optikai közelítéskapcsoló

Az optikai közelítéskapcsoló feladata, hogy elektronikus úton feldolgozható jelet szolgáltasson, amikor a tárgy az érzékelőt adott tartományon belül megközelíti vagy a tartományt elhagyja, illetve az érzékelő vonalát eléri vagy azon áthalad. A fejlesztések során az érzékelők működését, válaszát nagymértékben igyekeznek függetlenné tenni a környezeti feltételektől (hőmérséklet, szórt fény, stb.), és amennyiben ez számít, a tárgy felszínének optikai jellemzőitől is. Ugyanakkor minden alkalmazásban célszerű a követelményeknek teljességgel eleget tevő, de ezen belül a legegyszerűbb, legmegbízhatóbb (és persze a legolcsóbb) érzékelőt használni, de tudni kell, hogyan viselkedik a paraméterek esetleg nem várt változása esetén.

A (diffúz) tárgyreflexiós érzékelők a tárgyról visszaverődő fény intenzitása alapján döntenek a közelségről. Ezt azonban a távolság mellett jelentős mértékben befolyásolja a tárgy színe, árnyalata, és természetesen az is, hogy az érzékelő által kibocsátott mérőfény mekkora hányada esik egyáltalán az adott távolságban lévő tárgyra, azaz, a tárgy mekkora, ill. oldalirányban mennyire eltolódva helyezkedik el.

A kapcsolási távolság az a távolság, amelybe a nagy felületű, diffúz módon reflektáló tárgy a detektorral

„szemben” beérkezve reflexiója révén kiváltja az érzékelő jelzését (jellemzően egy áramkör bekapcsolását). A beállítási/névleges érték a fehér tárgy kapcsolási távolságára vonatkozik. Utóbbi tulajdonság természetesen azt

is eredményezi, hogy egy ilyen érzékelő nemcsak a közeli zónába érkezést, hanem a kapcsolási távolságon belül az oldalirányú beérkezést is detektálni képes.

A háttérelnyomásos érzékelő a benne felhasznált pozícióérzékeny detektálás révén visszavert fény mennyiségétől nagymértékben függetlenül, kifejezetten a fényvisszaverés távolságának függvényében ad választ. Kis mértékben az ilyen érzékelő kapcsolási távolsága is függ a színtől és az árnyalattól (ha az érzékelő hullámhosszán a reflexióképesség csökken, a kapcsolási távolság is valamelyest csökken).

2.4.5. Optikai tárgyérzékelők típusai

Két fő típusa van ezeknek az érzékelőknek. Az egyutú és a tárgyreflexiós. Egyutú kapcsoloknál az adó kibocsát egy optikai jelet, melyet az azzal szemben elhelyezett vevő vesz.

Egyutú: Ezen érzékelők adója kibocsát egy jelet melyet a vele szemben elhelyezett vevő vesz, és ha szükséges kapcsol.

Tárgyreflexiós: Ezeknél az érzékelőknél az adó-; és vevőegység egybe van építve és a tárgyról visszaverödő optikai jelet érzékeli a vevő, hogyha van vele szemben objektum.

Kapcsolási funkció szerinti megkülönböztetés egyutú érzékelőknél:

Normally open (NO) – A vevő, akkor zár, ha a jel útját nem szakítja meg semmilyen tárgy, amint megszakad az optikai jel vétele, a kapcsoló nyit, ezáltal lehetséges ezt a típust vészkapcsolóként alkalmazni.

Normally Closed (NC) – A vevő, akkor zár, ha az optikai jel útját egy tárgy gátolja, amint a tárgy eltűnik a jel útjából, a kapcsoló nyit.

Kapcsolási funkció szerinti megkülönböztetés tárgyreflexiós érzékelőknél:

Normally open (NO): a kimenet akkor zár, ha az érzékelővel szemben van tárgy.

Normally closed (NC): a kimenet akkor zár, ha nincs tárgy az érzékelővel szemben.