بررسی برخی از ویژگی های پرتوی نور

به منظور بررسی دقیق تر سنسورهای نوری بهتر است با خواص نور آشنا شویم. از این رو در ادامه برخی از ویژگی و مشخصه های یک پرتو نور را بررسی می کنیم.

فیزیک نور

نور دارای خاصیت ذره ای بوده که نیوتن و پس از آن انیشتین با پدیده فتوالکتریک آن را اثبات کردند. این در حالی است که کریستیان هوینگس نور را یک موج تعریف کرده و بازتابش و شکست نور را نشانه ی آن می دانست. با توجه به نظرات و کشفیات ذکر شده، نور از لحاظ فیزیکی، موجی ذره ای بوده و مانند امواج الکترومغناطیس رادیویی با طول موج کوتاه تر و فرکانس بالا می باشد. رابطه ی طول موج، فرکانس و سرعت امواج الکترومغناطیسی از معادله ی 𝜆V = C به دست می آید. نماد های به کار رفته در این رابطه عبارت اند از:

• 𝜆 طول موج بر حسب متر
• V فرکانس بر حسب هرتز
• C سرعت انتشار نور بر حسب متر بر ثانیه

در تصویر زیر محدوده ی نور مرئی و نامرئی یا همان نور های فرابنفش، فروسرخ در بین امواج الکترومغناطیسی را مشاهده می کنید.

شکست نور

نور مرئی و نامرئی مانند دیگر امواج الکترومغناطیسی، سرعت ثابتی دارند. هنگام عبور این نور از مواد شفاف سرعت آن ها کاهش می یابد. ضریب شکست، همان عاملی است که موجب کاهش سرعت می شود. مقدار این ضریب همواره بزرگ تر از واحد است. تغییر سرعت نور، موجب تغییر در زاویه ی پرتوی نور عبوری و یا شکست نور می شود. به عبارت دیگر منظور از شکست نور همان خم شدن پرتوی نور است. این ویژگی نور در ساخت عدسی کاربرد دارد.

دمای رنگ

اجسامی با دمای بالاتر از صفر کلوین، از خود نور منتشر می کنند. از این رو دمای تابش اجسام بر حسب کلوین اندازه گیری می شود. با افزایش دما، فرکانس نور بیشتر شده و در نتیجه انرژی نور افزایش می یابد. از دمای 700 کلوین به بالا، نور به سمت مرئی بودن میل پیدا می کند.

شدت روشنایی

واحد سنجش شدت روشنایی بر حسب لوکس می باشد. این مقدار در کاتالوگ فتوسل ها اغلب بین 50 تا 100 لوکس معرفی می شود. مقدار نور مناسب در محیط خانگی برابر با 500 لوکس است. لومن و کاندلا دو واحد دیگر سنجش روشنایی بوده که کمتر استفاده می شوند.

تقسیم بندی سنسورهای نوری

سنسور های نوری در گروه سنسورهای بدون تماس قرار می گیرند. به صورت کلی این سنسور ها بر حسب وظیفه ایی که برای تشخیص یک هدف به آنها واگذار شده به سه گروه اصلی تقسیم می شوند. این سه گروه مطابق تصویر زیر در مثلثی تحت عنوان SIS خلاصه می شوند. عبارت SIS مخفف سه حرف زیر است:

• Spatial: فاصله
• Intensity: شدت
• Spectral: طیف

طبقه بندی بر اساس کمیت فیزیکی تحت تاثیر

سنسور نوری با طبقه بندی بر اساس کمیت فیزیکی تحت تاثیر، به گروه های زیر تقسیم می شود:

• فتوامیترها
• ضرب کننده های نوری
• مقاومت های نوری و هادی های نوری
• دیود نوری
• ترانزیستورهای نوری
• قطعات نور ولتاژ: فتو ولتاژی

فتوامیترها

فتوامیترها نقش بیشتری در تشریح تئوری تاثیر نور به مواد مختلف داشتند. برخی از ویژگی آن ها عبارت است از:

• این سنسور می تواند در محدوده ی کوچکی به عنوان ترانسدیوسر به کار رود. از آن ها به عنوان سنسور نوری نیز استفاده شده است.
• ماده ی فتو امیتر در تماس مستقیم با هوا سریعا اکسید می شود. از این رو در ساخت سلول فوتو امیتر از یک محفظه ی خلا استفاده می شود.
• فتوامیترها در مداراتی که ولتاژ بین کاتد و آند آن ها 25 تا 100 ولت است راه اندازی می شوند. در بیشتر مدار ها به منظور تقویت ولتاژ، مقاومتی را با فتوامیتر سری می کنند.
• یکی از ویژگی های لامپ های خلا فتوامیتر، حرکت سریع الکترون در خلا است. از این رو امروزه از این لامپ ها تنها در موارد نیاز به پاسخ سریع استفاده می شود.

در تصویر زیر نوع ساده ای از سلول های فتو امیتری را مشاهده می کنید.

عمل فتوامیسیون به عملی گفته می شود که ماده ی فتوامیتری در مسیر برخورد فتون های نوری قرار می گیرد. در ادامه این ماده تعدادی الکترون های آزاد به محیط خلا وارد می کند. ماده ی انتشار دهنده ی الکترون های آزاد، فتوکاد نام دارد. با قرار دادن میله ایی مجهز به ولتاژ مثبت تر از فتوکاد، الکترون های آزاد جذب میله خواهند شد. در ادامه جریانی از الکترون ها درون محفظه ی خلا ساخته می شود. فتوکاد ها معمولا از ماده ی فتوامیتری مانند سزیوم پوشیده می شوند. اگر مقدار انرژی موجود در شعاع نوری، در فرکانسی باشد که قادر به آزاد کردن الکترون باشد، انگاه مقدار این انرژی متناسب با جریان محفظه ی خلا است. برای هر ماده ی فتوامیتری، فرکانس آستانه ی نور تعریف می شود. در فرکانس های پایین تر از این آستانه، الکترونی منتشر نمی شود.

ضرب کننده های نوری

با استفاده از ضرب کننده های نوری می توان بدون ایجاد نویز و تاخیر زمانی یک فتوسل با حساسیت بالا ساخت. ماده ی مورد استفاده ی آن ها سزیم بوده که دارای پدیده ی گسیل ثانویه ی الکترون است. تصویر زیر ساختمان یک ضرب کننده ی نوری را نشان می دهد. مطابق این تصویر نحوه ی عملکرد این ضرب کننده به ترتیب زیر است:

• ابتدا نور به فتو امیتر برخورد می کند.
• این پرتوی نور در ادامه به الکترودهای ضرب کننده های نوری یا دای نود برخورد می کند.
• دای نودها پوشیده شده از سزیم بوده و به وسیله ی تولید ولتاژ 30 تا 200 ولت ضریب ضرب کنندگی آن ها را افزایش می دهند. به عنوان مثال اگر ضریب هر دای نود 5 باشد آنگاه با موازی کردن آن ها، ضریب کلی 125 = 5×5×5 خواهد شد. قابل ذکر است که هر دای نود باید تحت ولتاژی بزرگ تر از ولتاژ اعمال شده به دای نود قبلی قرار گیرد.

تصویر زیر چگونگی آرایش تغذیه‌ی دای نودهای یک ضرب کننده ی نوری با مقسم ولتاژ مقاومتی را نشان می دهد.

مقاومت های نوری و هادی های نوری

مقاومت مواد نیمه هادی در اثر تابش نور تغییر می کند. در شرایط عادی تعداد الکترون های آزاد و حفره ها در این مواد کم است. تابش نور موجب به دست آوردن انرژی و برانگیخته شدن الکترون ها می شود. در ادامه این برانگیختگی موجب افزایش الکترون های آزاد و بیشتر شدن رسانایی ماده خواهد شد. با توجه به نکات ذکر شده، مقاومت این مواد در تاریکی افزایش و در حضور نور کاهش می یابد. نام های رایج این قطعات عبارت اند از:

• مقاومت نوری
• هادی نوری
• LDR یا مقاومت وابسته به نور

تصویر زیر ساختمان یک مقاومت نوری کادمیوم سولفات را نشان می دهد.

ماده ی کادمیوم سولفات تشکیل دهنده ی مقاومت ها به صورت مارپیچ روی سطح عایق ساخته می شود. این قطعه با ولتاژ متناوب نیز کار کرده و تحمل دما و ولتاژ بالایی دارد. در جدول زیر مشخصات یک نمونه از مقاومت های نوری به نام ORP12 آورده شده است.

طبق جدول بالا، مقدار پاسخ طیفی ماکزیمم 610 نانومتر است. این مقدار نشان دهنده ی آن است که بیشترین تغییر در طول موج نور زرد یا نارنجی می باشد. هم چنین در این جدول، مقدار پاسخ سلول برای شدت نورهای مختلف نشان دهنده ی آن است که مقاومت های نوری، خطی کار نکرده و نمی توان حساسیت آن ها را با یک عدد مشخص کرد.

دیود نوری

دیود نوری تشکیل شده از ساختار P-N بوده و در حالت بایاس مستقیم مانند دیود معمولی است. در بایاس معکوس، نور به اتصال نیمه هادی که در محفظه ی شفاف است برخورد می کند. برخورد نور موجب آزاد شدن حامل های مثبت و منفی می شود. در نتیجه دیود در بایاس معکوس شروع به هدایت می کند. اثر برخورد دیود با نور مانند اثر دما بر دیود است. دیودهای نوری معمولا از سیلیکون ساخته می شوند. شکل زیر مقایسه ی پاسخ دیودهای نوری و چشم انسان به طیف نور است.

برخی از ویژگی های دیود نوری عبارت اند از:

• دیود در بایاس معکوس به وسیله ی حامل های اقلیت، جریان برقرار می کند. این جریان بسیار کوچک بوده و در حد یک میکرو آمپر به ازای هر یک میلی وات بر سانتی متر مربع است. رنج معمول این دیودها برای شدت روشنایی بالا یک میلی آمپر و در تاریکی یک نانو آمپر می باشد.
• قابل ذکر است که به ازای هر 10 درجه سانتی گراد، جریان اشباع معکوس در تاریکی 2 برابر می شود.
• افزایش سطح دیود و افزایش ناحیه ی تهی موجب افزایش راندمان خواهد شد.
• ناحیه ی I یک نیمه هادی ذاتی بوده و بین ناحیه ی P-N عمل هدایت دیود را انجام می دهد. دیودهای نوری PIN به دلیل داشتن این ناحیه در بین دو ناحیه ی P-N سرعت سوییچینگ بالاتری دارند. این دیود ها هم چنین جریان بیشتری در حالت معکوس از خود عبور می دهند. علاوه بر این، ظرفیت خازنی آن ها کاهش یافته و پهنای باند آن ها بیشتر است.
• در نورهای کم، دیود معمولی بهتر است. زیرا عملکرد دقیق تری نسبت به نور دریافتی داشته و کم تر دچار عملکرد اشتباه می شود.

ترانزیستورهای نوری

در ترانزیستورهای نوری مانند دیود نوری، اتصال بین بیس- امیتر، در محفظه ای شفاف بوده تا تحت تاثیر نور قرار گیرد. مانند ترانزیستورهای دیگر، جریان بین بیس و امیتر تقویت می شود. معمولا جریان کلکتور 100 برابر جریان دیود نورانی است. یکی از معایب این وسیله، حساسیت آن بوده که در حد میکرو ثانیه است. امروزه به جای آن ها از یک دیود نورانی با یک ترانزیستور استفاده می شود. این عمل موجب تقویت جریان و پاسخ مناسب خواهد شد.

نماد یا circuit symbol مربوط به این قطعه به شکل زیر است.

قطعات نور ولتاژ : فتو ولتاژی

اولین قطعات فتو ولتاژی سلول های سلنیوم نام داشته و در نورسنج های عکاسی استفاده می شدند. ولتاژ دو سر سلول متناسب با شدت روشنایی است. در سلول های سلنیوم به دلیل ولتاژ بالای دو سر سلول نیاز به تقویت ولتاژ نداریم. هم چنین اندازه ی میتر نیز به دلیل ولتاژ بالا بزرگ می شود. امروزه از این قطعه برای تولید انرژی از نور (همان سلول خورشیدی) استفاده می شود.
فتو ولتاژ ها از سیلیکون ساخته می شوند. ولتاژ آن ها در روشنایی 1000 لوکس، در حدود 0.25 ولت است. یکی از موارد پرکاربرد آن ها در دوربین عاسی است. با گذاشتن فیلترهای مناسب، منحنی پاسخ آن ها به منحنی پاسخ چشم انسان بسیار نزدیک می شود. از این قطعه همچ چنین در ابزارهای نیازمند به اندازه گیری دقیق سطح نور استفاده می شود.