Оптичні компоненти сенсорів

Оптичні явища, такі як відбивання, заломлення, поглинання, інтерференція, поляризація і швидкість світла є потужними компонентами інструментальних можливостей конструювання сенсорів. Оптичні компоненти дозволяють маніпулювати світлом багатьма способами. В цій главі ми розглянемо ці компоненти з точки зору геометричної оптики. Коли ми використовуємо геометричну оптику ми опускаємо властивості світла, які краще описуються квантовою механікою і квантовою електродинамікою. Ми будемо ігнорувати не тільки квантові властивості світла, але також і хвилеві властивості. Ми розглядаємо світло як рухливий фронт або як промені, які перпендикулярні цьому фронту. Роблячі це ми не будемо розглядати любі оптичні елементи, розміри яких є занадто малими у порівнянні з довжиною хвилі. Наприклад, якщо скляні вікна містять маленькі частинки субмікронних розмірів, ми повністю будемо ігнорувати їми для любих геометричних розрахунків від ближньої інфрачервоної, і до більших довжин хвиль. Інший приклад – дифракційні решітки. Їх робота не може бути описана методами геометричної оптики. У цих випадках необхідно використовувати методи квантової електродинаміки (QED). Тут ми розглядаємо ті оптичні елементи, які найчастіше використовуються при конструюванні сенсорів. Для більш детального розгляду геометричної оптики ми відправляємо читачів до спеціальної літератури [1].

Для маніпуляції зі світлом необхідно мати джерело світла. Є декілька способів отримати джерело світла. Деякі джерела світла є природні і існують незалежно від нашої волі або зусиль; деякі мусять бути уведені у вимірювальний пристрій. Природні джерела світла включають небесні об’єкти, такі як Сонце, Місяць, зірки і т.п. Також, природні джерела світла включають всі матеріальні об’єкти, які випромінюють теплову енергію в залежності від їх температури, як це було розглянуто в Главі 3. Вони включають вогонь, хімічні реакції з виділенням тепла, живі організми, і інші природні джерела, чия температура відрізняється від температури оточуючого середовища і чиє теплове випромінювання може селективно детектуватися оптичними приладами. Штучні джерела світла включають нитки розжарення в електричних лампочках, діоди, що випромінюють світло, лампи з газовим наповненням, лазери, лазерні діоди, нагрівачі, і холодильники.

Рис. 4.1. Приклади оптичних систем, у яких використовують заломлення (A) і відбивання (B, C).

На Рис. 4.1 показано кілька прикладів керування світловим потоком у датчиках. Найчастіше в цих методах використовують зміну напрямку світла; інші використовують вибіркове блокування деяких довжин хвилі. Останнє називається фільтрацією (фільтр на Рис. 4.1A). Напрямок світла може бути змінений за допомогою відбиття від дзеркала, дифракційної решітки, оптичних хвилеводів і волокон. Також, напрямок може бути змінений заломленням за допомогою лінз, призм, вікон, хімічних розчинів, кристалів, органічних матеріалів, і біологічних об'єктів. При проходженні через ці об'єкти, властивості світла можуть бути змінені вимірювальним впливом.

Тоді, завдання проектувальника датчика полягає в тому, щоб виміряти ступінь такої зміни й співвіднести його із впливом. Що може змінити світловий потік? Інтенсивність, напрямок поширення, поляризація, спектральний склад світлового променя також можуть бути модифікованими. І навіть швидкість світла й фаза його хвилі також можуть бути змінені.