บทที่ 3 การรับรู้แสง

1. บทที่ 3 การรับรู้แสง

2. การวัดแสง Radiometry: การวัดปริมาณการแผ่คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า - ครอบคลุม 3x1011 Hz(1000mm) --> 3x1016 Hz(0.01mm) - มักมีหน่วยเป็น joules (energy) และ watts (power) Photometry: การวัดปริมาณคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าเฉพาะที่ตามองเห็น - ครอบคลุม 400nm -- 700nm: - ถ่วงน้ำหนักด้วยการตอบสนองเชิงสเปกตรัมของตาคน -มักมีหน่วยเป็น lumen (energy) และ candela (power)

4. df dAcosq q dA df q dw dA Radiant Flux (Radiant power): พลังงานต่อหนึ่งหน่วยเวลา f = dQ/dt [watt] Ex.. Laser He-Ne ขนาด 5 mW Radiant Flux Density (Irradiance and Radiant Existance): Radiant flux per unit area E = df/dA M = df/dA [watt/m2] Radiant intensity : ปริมาณกำลังงานบนหนึ่งหน่วยมุมตัน I = df/dw [watt/Sr] Radiance: ปริมาณพลังงานตกตั้งฉากบนหนึ่งหน่วยพื้นที่ และ บนหนึ่งหน่วยมุมตัน L = d2f/(dAcosqdw) [watt/m2.Sr]

5. เปรียบเทียบRadiometry และ photometry

6. ปริมาณแสงหรือฟลักซ์ส่องสว่าง (Luminous Flux) ฟลักซ์การส่องสว่างของแหล่งกำเนิดแสงในทุกๆมุม solid angle ใดๆ df = ปริมาณแสงย่อยใดๆ [ lumen] I = ความเข้มแห่งการส่องสว่าง [Cd] df = มุม solid angle ย่อยใดๆ [steradian] ปริมาณแสง 1 ลูเมน หมายถึงปริมาณแสงที่เปล่งออกไปในมุม solid angle 1 Sr. ด้วย Point source ที่มีความเข้มแห่งการส่องสว่าง 1 candelaหรือหมายถึง ปริมาณแสงที่เปล่งจาก Point source 1 candela ไปตกบนพื้นที่ 1 ตารางฟุตบนพื้นผิววัตถุซึ่งวางห่าง 1 ฟุต

7. 1 Steradian มุมตัน( solid angle) รอบศูนย์กลางวงกลมรัศมี r ที่รองรับพื้นที่ที่ผิววงกลมขนาด r2

8. ความส่องสว่าง (illuminance) ความหนาแน่นของฟลักซ์ส่องสว่าง (ปริมาณแสง) ที่ตกกระทบบนพื้นผิวใดๆ [lumen/m2 ] หรือ Lux [foot-candle] (1 FC = 10.76 Lux ) ที่มา http://www.nectec.or.th/courseware/electrical/illumination/terminology.html

9. ความเข้มแห่งการส่องสว่าง (Luminous intensity) ความหนาแน่นของปริมาณแสงภายในมุม solid angle ที่กำหนดให้ ชี้ให้เห็นถึงความสามารถของแหล่งกำเนิดแสงในการให้ค่าการส่องสว่างในทิศทางที่กำหนด [lumen/Sr ] หรือ Cd

10. ความสว่าง (luminance) ปริมาณแสงที่สะท้อนออกมาจากวัตถุต่อพื้นที่ [Cd/ m2] SI ปริมาณแสงที่เท่ากันเมื่อตกกระทบลงมาบนวัตถุที่มีสีต่างกัน จะมีปริมาณแสงสะท้อนกลับต่างกัน นั่นคือ ลูมิแนนซ์ ต่างกัน สาเหตุที่ต่างกันก็เนื่องมาจากสัมประสิทธิ์การสะท้อนแสงของวัสดุ ต่างกัน

11. spectral luminous efficiency function (human eye response-curve ) => Adopted by CIE (the International Commission on Illumination ) => conversion formula photometric unit = K(l) x radiometric unit => luminous Efficacy K(l) [lumen/watt] =>luminous efficiency V(l) or luminous coefficient [V(555)=100% --> K =683 lm/watt] Table of V(l)

12. Ex1 • A light bulb emitting 100 W of radiant power is positioned 2 m from a surface. The surface is oriented perpendicular to a line from the bulb to the surface. Calculate the irradiance at the surface. If all 100 W is emittied from a red bulb at l = 650 nm. Calculate also the illuminance at the surface

13. Lighting efficiency 1 lumen <==> radiant energy of 1/683 watt at a frequency of 540x1012 Hz, (standard air wavelength of 555.016 nm ) 1 candela <=> a source that emits monochromatic radiation of frequency 540x1012 Hz and with a radiant intensity of 1/683 watt per steradian

15. ทำไมเราจึงเห็นเปลวเทียนเป็นสีเหลืองทำไมเราจึงเห็นเปลวเทียนเป็นสีเหลือง

16. ตัวรับรู้แสงทั่วๆไป • Thermal detectors • Thermocouples and Thermopiles • Bolometer and Thermistors • Pyroelectric • Golay cell • Quantum detectors • photoemissive (phototube photomultiplier tube) • Photoconductive • Photo voltaic • photographic emulsion

18. Bolometer • ตรวจวัดในย่าน far-IR ถึง mm wavelength region • วัสดุดูดกลืนแสงที่มีความจุความร้อน C ต่อกับแหล่งความร้อนอุณหภูมิ T0 โดยลวดความต้านทาน G • แสงที่มีกำลัง Psignal จะทำให้อุณหภูมิ วัสดุดูดกลืนเปลี่ยนแปลง T=T0+ (Psignal+Pbias)/G>T0. G - ค่า Thermalink [W/K] • ความต้านทานของลวดบอกความเข้มแสงที่วัด http://bolo.berkeley.edu/bolometers/introduction.html

19. hf Photo e- Photo tube ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก Ammeter Photo current Anode 3I0 2I0 Photo cathode I0 Voltmeter V V V0 ( Photo current ต photon rate ) As a detector 1. V > Vo 2. f > foหรือ l < lo

20. Photo multiplier tube เป็น Photo tube ที่มี dynode ช่วยทวีคูณจำนวนโฟโตอิเล็กตรอน Last dynode Vacuum terminal Anode Electron multiplier (dynoes) Photo cathode

21. ลักษณะสำคัญ 1. linearity , Stability ดีมาก 2. การตอบสนองต่อแสงขึ้นกับชนิดวัสดุที่ใช้เป็น photocathode 3. สามารถให้สัญญาณในแบบ single photon 3. เหมาะปริมาณแสงระดับต่ำมาก 4. ต้องการอุปกรณ์จ่ายไฟฟ้าแรงสูง และอุปกรณ์ขยายสัญญาณที่ซับซ้อน 4. หาซื้อยาก ราคาแพง

22. Forward bias Reverse bias + + p n A K รอยต่อ P-N i diode i0 ป 10-9A V -diode -solarcell -LED n-ideality factor Shockly diode I-V equation

23. photon ith-iop - + iopต ความเข้มแสง (I) รอยต่อ P-N ขณะรับแสง p n i W R e V I=0 (มืดสนิท) I1 I2 I3 I3> I2>I1

24. - + V การใช้งานรอยต่อ P-N เป็น Photodetector i • 1. Photovoltaic mode : • รอยต่อผลิตแรงเคลื่อนไฟฟ้า(โซล่าเซล) • วัดความต่างศักย์ขณะวงจรเปิด(กระแสเป็นศูนย์) • การตอบสนองแบบไม่เชิงเส้น (log) • ความเร็วการตอบสนองไม่สูงสุด V I=0 (มืด) I1 2I1

25. ไม่ไบอัส + A V ไบอัสกลับ A • 2. Photoconductive mode : • รอยต่อถูกไบอัสกลับ เพื่อให้กระแสพื้นหลังน้อยมาก • วัดกระแสขณะวงจรปิด ความต่างศักย์คงที่ • การตอบสนองแบบเชิงเส้นดีมาก • ความเร็วการตอบสนองสูงสุด กระแสพื้นหลังมาก ความเร็วสูงสุด i V I=0 (มืด) I1 2I1 กระแสพื้นต่ำ ความเร็วไม่สูงสุด

26. ลักษณะสำคัญ 1. หาซื้อได้ง่าย ราคาถูก มีหลากหลายรูปแบบ Photodiode, โฟโตทรานซิสเตอร์ ,โซลาร์เซล 2. มักทำจากซิลิกอนมีการตอบสนองสูงสุดกับย่านแสงอินฟราเรด ใกล้แสงขาว 3. ใช้ได้ดีแม้กับปริมาณแสงระดับน้อยๆ(แต่ต้องมีวงจรขยายสัญญาณ) 4. Stability ดีมาก

27. ตัวต้านทานไวแสง (LDR, Photocell) => มักทำจาก CdS เมื่อมีแสงตกกระทบจะทำให้ความต้านทานลดลง => ทำงานในลักษณะ photoconductive (กระแสขึ้นกับความเข้มแสง)

28. Light response curve IL-กระแสผ่าน V-คตศ คร่อม E-ความส่องสว่าง

29. ลักษณะสำคัญ 1. หาซื้อได้ง่าย ราคาถูก 2. ใช้ โดยมีเพียงโอห์มมิเตอร์ ก็ใช้งานวัดแสงได้ 3. มีการตอบสนองกับย่านแสงขาว ใกล้เคียงกับตามนุษย์ เหมาะกับงาน ที่ใช้ตามอง เช่นกล้องถ่ายรูป 4. เหมาะกับปริมาณแสงระดับ ปานกลางถึงมาก 5. Nonlinear 6. Stability ไม่ดี

30. Metal-Oxide-Semiconductor (MOS) capacitor ตัวเก็บประจุ MOS ตัวเก็บประจุทั่วไป Metal + + + + + + + + + + + + SiO2 - - - - - - - - - - - - + + + + + + - - - - - + + + + + + P-Semiconductor - - บริเวณปลอดพาหะ - - - - - - ประจุลบเหนือบริเวณปลอดพาหะของ MOS เกิดจากการแตกตัวโดยความร้อน หลังจากการป้อนความต่างศักย์จะต้องใช้เวลารอจนกว่าจะเข้าสู่สภาวะสมดุล Thermal relaxation time(tth) --> เวลาเฉลี่ยของการเกิดประจุโดยความร้อน

31. การรับรู้ภาพ (image sensing) area scanner line scanner Point scanner ภาพ ภาพ ภาพ สแกนทีละจุด สแกนทีละเส้น สแกนทั้งภาพ

32. + Metal gate SiO2 - - - - P Semiconductor - คืออะไร???? Charge-Coupled Devices(CCD) t=0 t=0 Optical generation Thermal generation fs T< tth fs T< tth - - - - Thermal generation - - - - fs - -- - t = tth fs t = tth บ่อศักย์กักพาหะ ขณะมีแสง บ่อศักย์กักพาหะ ขณะไม่มีแสง CCD จะต้องบันทึกภาพและส่งออกสัญญาณให้ทัน ก่อนที่ Thermal generation จะเริ่มส่งผล

33. CCD as an image sensor แสงจากภาพจะถูกแบ่งเป็นเซลเล็กๆ(Pixel) ไปตกบนแต่ละหน่วยของ CCD เกิดเป็นคู่ e-h ขึ้นใต้ชั้น SiO2เฉพาะ e-เท่านั้นที่ถูกกักไว้ใต้เกตที่มีศักย์บวก + + + + + Metal gate SiO2 - - - - - - - Semi conductor -

34. CLK1 CLK2 CLK3 การเลื่อนข้อมูลภาพแบบ Threephase G1 t G1 G1 t G2 G2 G2 G3 G3 G3 t - - - - - - x fs x เกตจะรับความต่างศักย์ขับเคลื่อน 3 ชุด ในเวลาถัดๆกันและเหลื่อมกัน บ่อศักย์ที่เกิดขึ้นใต้เกตจะค่อยๆถ่ายประจุให้เลื่อนออกจาก CCD ไปที่ละ pixel x ภาควัดระดับสัญญาณ - - - - - -