บทที่ 3 การรับรู้แสง

1. บทที่ 3 การรับรู้แสง ตัวรับรู้คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าทั่วๆไป • ตัวรับรู้เชิงความร้อน • เทอร์โมคัปเปิ้ล เทอร์โมไพล์ (Thermocouples and Thermopiles) • โบโลมีเตอร์ และเทอร์มิสเตอร์ (Bolometer and Thermistors) • ไพโรอิเล็กตริก (Pyroelectric) • อื่นๆ Golay cell • ตัวรับรู้เชิงควอนตัม • ตัวรับรู้แบบปลดปล่อยอิเล็กตรอน( Photoemissive) (phototube photomultiplier tube) • ตัวรับรู้เชิงการนำไฟฟ้า(Photoconductive) • ตัวรับรู้เชิงแรงเคลื่อนไฟฟ้า( Photo voltaic )

2. โบโลมิเตอร์ Bolometer • ตรวจวัดEMW ที่มีความยาวคลื่นในย่าน far-IR เป็นหลัก • แสงจะทำให้วัสดุดูดกลืน มีอุณหภูมิ สูงขึ้น และ ทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น ความเข้มแสงที่วัด http://bolo.berkeley.edu/bolometers/introduction.html

3. hf Photo e- Photo tube ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กตริก Photo current i Ammeter Anode 3I0 2I0 Photo cathode I0 Voltmeter V V -Vหยุดยั้ง As a detector , i >0 เมื่อ 1. V < -V หยุดยั้ง 2. fแสง > foหรือ lแสง < lo ( Photo current  photon rate )

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

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

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

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

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

9. 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

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

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

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

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

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

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

16. + 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

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

18. 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 - - - - - -

19. 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-sec (energy) และlumen (power) 19

20. หน่วยของการวัด

21. 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] 21

22. พลังงานการแผ่รังสี (Radiant energy ) Q [watt –s ] พลังงานการส่องสว่าง (Luminous energy ) QV [lumen–s ] กำลังการแผ่รังสี , ฟลักซ์การแผ่รังสี(Radiant flux ) f[watt ] กำลังการส่องสว่าง , ฟลักซ์ส่องสว่าง (Luminous flux) fV [lumen] ความเข้มการแผ่รังสี (Radiant intensity ) I [watt /sr] ความเข้มการส่องสว่าง (Luminous intensity) IV [lumen/sr , Candela] 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 22

23. มุมตัน (Solid angle) พื้นที่ที่รองรับมุม /รัศมียกกำลังสอง

24. การตอบสนองของตาคน • V (l) –ประสิทธิภาพการส่องสว่าง Luminous effiency

25. ประสิทธิผลการส่องสว่างเชิงสเปกตรัม Spectral luminous efficacy : Kl อัตราส่วนระหว่างfvและ f • CIE ( The Commission Internationale de l’Eclairage ) K (l)==>Kmax V (l) Photopic vision มีKmax = 683 lumen/W ที่ l = 555 nm Scotopic vision มีKmax = 1700 lumen/W ที่ l = 507 nm

26. ความเข้มการส่องสว่าง (Luminous intensity) [lm/Sr,Cd]

27. ความสว่าง (illuminance) [lm/m2, Lux]

28. ความส่องสว่าง (luminance) คือปริมาณความสว่าง (illuminance) ของพื้นผิวต่อ หน่วยมุมตัน[Cd/ m2 ] 28

29. ทำไมเราจึงเห็นเปลวเทียนเป็นสีเหลืองทำไมเราจึงเห็นเปลวเทียนเป็นสีเหลือง 29

30. Example 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 30