B.0. Introducción y unidades de medida

Transcripción

1 B.0. Introducción y unidades de medida B.0.1. La era de la información. Corresponde al auge de la optoelectrónica. Optoelectrónica: técnica de procesar la información mediante la luz. Necesidad de medios muy eficaces de intercambio de información. B.0.. Necesidades de la era de la información. Funciones básicas: Detección y recepción de la información. mplificación de la información. Manipulación de la información. Memoria. Transferencia de información. Generación de la información. Visualización la información. 1

2 B.0.3. Dispositivos electrónicos frente a dispositivos fotónicos Desventajas de los dispositivos electrónicos: Necesidad de interconexión mediante cables o conexiones metálicas. La utilización de cables es cara, no es capaz de transmitir muchos canales y necesita repetidores cada cierta distancia. Interferencias electromagnéticas. Los electrones no se ven, por lo que necesariamente debemos utilizar visualizadores. B.0.4. Ventajas de un sistema de procesado de la información basado en la luz. 1) Inmunidad frente a las interferencias electromagnéticas. ) No-interferencia de dos señales luminosas que se cruzan. 3) Posibilidad de un alto paralelismo. 4) lta velocidad / alto ancho de banda.

3 5) Fácil direccionabilidad de los haces de luz mediante lentes u hologramas. 6) Dispositivos de funciones especiales (transformadas de Fourier de imágenes, análisis espectrales, etc). 7) Facilidad de acoplamiento con un sistema electrónico. B.0.5. El comportamiento de la luz. B Tipos de ondas. 3

4 Onda electromagnética (luz): f 1 T B Relaciones y ecuaciones. λ v T v / f Velocidad de la luz en el vacío: c x 10 8 (m/s) 4

5 B El espectro electromagnético. B Radiometría y fotometría. Radiometría: estudia las propiedades y características de la radiación, describe el campo de radiación, la interacción de la radiación con dispositivos y receptores, y las características de las fuentes de radiación y receptores. En radiometría se mide radiación > resultados en watios, watios por metro cuadrado, etc 5

6 Fotometría: estudia la luz visible (entre 400 y 700nm) y su percepción por el ojo humano. B.0.6. La naturaleza de la visión humana. B El ojo humano. 6

7 B Características de la visión humana. B Respuesta en amplitud. Rango de amplitud de 1 a (desde la luz de las estrellas con 0,00lx hasta la luz brillante del sol de lx). Respuesta logarítmica. B Respuesta en frecuencia. B Respuesta temporal. Proceso exponencial lento de adaptación a cambios de iluminación. Parpadeo: medida de la inercia del ojo. 7

8 B.0.7. Unidades radiométricas y fotométricas y sus relaciones. B El ángulo sólido. ω S π r ( 1 cosθ ) 8

9 B Flujo radiométrico y fotométrico. R nº de fotones emitido por la fuente por segundo (potencia emitida por la fuente, en W). P Flujo fotométrico o luminoso. Depende de la respuesta del ojo (lm). 1 lumen 1/683 W a 555nm B Eficiencia y conversión de flujo radiométrico en flujo fotométrico. Eficiencia: Relación entre el flujo fotométrico o luminosidad y el flujo total radiométrico emitido por la fuente. K P R [lm/w] Conversión de radiación monocromática en flujo fotométrico: K λ V λ 683 Depende de la sensibilidad relativa del ojo a la longitud de onda λ, V λ. 9

10 B Eficiencia de los radiadores térmicos. 10

11 B Eficiencia de los radiadores con espectros no continuos (de líneas) P R K λ Conversión de flujo radiométrico a flujo fotométrico en una lámpara de vapor de mercurio de 1kW λ [nm] Flujo radiométrico R [W] Sensibilidad del ojo V λ Eficiencia espectral K λ V λ 683 [lm/w] Flujo fotométrico P R K λ [lm] ,000 0, ,001 0, ,019 13, , , , , W lm - 78 W 96 W en el espectro visible K P 18, 7 R lm W B Energía radiométrica y fotométrica. Producto de la potencia por el tiempo: N R R t [W h] N P P t [lm h] 11

12 B Intensidad radiométrica y fotométrica. B Definición de términos. Intensidad radiométrica: Flujo radiométrico por estereorradián. I R R ω [W/sr] En el rango visual, describe la luminosidad (el brillo) de la fuente. Intensidad luminosa o fotométrica: Flujo fotométrico por estereorradián. I P P ω [cd] Una fuente con el doble de intensidad luminosa que otra, no se ve el doble de brillante debido a la respuesta logarítmica de nuestros ojos. Fuente LED normal LED superluminiscente Bombilla incandescente de 100W Luz larga de automóvil Faro Intensidad Luminosa mcd 10mcd 150cd cd cd 1

13 B Perfiles habituales de radiación en optoelectrónica. B Fuente puntual. I θ I 0 constante B Fuente lambertiana. θ 1/ arccos 0,5 60º 13

14 B Fuente de intensidad exponencial. θ 1/ arccos 0,5 1/n B Relaciones entre intensidad radiante y flujo. B Determinación del flujo en un caso sencillo. θ θ I πsinθdθ π I sinθ dθ 0 θ Resolveremos la integral si conocemos la expresión matemática de I θ. θ 0 θ 14

15 Fuente Perfil de Ángulo mitad Flujo dependiendo del Flujo total intensidad ángulo θ Puntual I θ I 0 - πi 0 (1 cosθ) 4πI 0 Lambertiana I θ I 0 cosθ 60º πi 0 sin θ πi 0 Exponente n I θ I 0 cos n θ arccos 0,5 1/n n+ 1 πi0(1 cos θ) πi 0 n + 1 n + 1 B Determinación del flujo en un caso complejo. Es necesario utilizar un método numérico para realizar la integración y encontrar el flujo total. B Función de la transferencia óptica y apertura numérica. Expresan la eficiencia del acoplamiento fuente- receptor. OTF r s s : flujo total de la fuente r : flujo asociado al receptor. 15

16 N sinθ, θ Mitad del ángulo del cono del receptor (ángulo de acoplo) θ pequeño > D N d π d B Cálculo del OTF. Fuente puntual: θ pequeño > OTF OTF sin sin 4 θ ( θ) ( N) Fuente Lambertiana: ( ) 4 OTF sin θ N Fuente con perfil I θ I 0 cos n θ: OTF 1 cos n+1 θ Se calcula fácilmente a partir del ángulo de acoplo θ. 16

17 B Incidencia radiante e iluminación. B Definición de términos. Corresponden a la distribución de flujo en una superficie: R Incidencia radiante: ER [W/m ] Iluminación: P EP [lm/m ó lux] 1 lux0,099 pie-candelas 1 pie-candela10,764 lux. B Medida de la iluminación. Para medirla se necesita un luxómetro. Niveles de iluminación típicos Condición Iluminación [lx] Luz solar Día nublado Visualizador publicitario Zona de lectura 500 parcamiento 50 Luz de luna 0,4 Luz de las estrellas 0,00 17

18 B Relaciones entre medidas. Para una fuente puntual: E s I 0 cosα d E Si la fuente es perpendicular a la superficie: B Esterancia radiante y luminancia. Hacen referencia al flujo que se refleja o radia desde la fuente y es captado por nuestro ojo, brillo por área. B Medidas de esterancia radiante y luminancia. Esterancia radiante, (L R ): W/sr/m Luminancia, (L P ): cd/m o lm/sr/m I d 0 18

19 B Luminancia de una superficie. Responde a la pregunta de cuánto brilla o cuánta luminancia tiene una superficie iluminada para un observador situado en O: L Iθ ' Iθ cosθ L: luminancia (cd/m ) ó esterancia (W/sr/m ) de la superficie. B Fuente lambertiana. I cosθ cosθ I 0 0 L La esterancia o luminancia es la misma en todas direcciones (mismo brillo en toda su superficie). 19

20 Valores de luminancia de objetos comunes Fuente Luminancia [cd/m] Sol 1, Bombilla incandescente transparente (500W) Bombilla incandescente mate (500W) Tubo fluorescente Llama de una vela Fuente extendida: fuente pasiva que es iluminada. La luminancia de esta fuente se debe a la reflexión del flujo incidente. L I REF La luminancia depende de dos factores: la iluminación y el coeficiente de reflexión de la superficie. Patrón de reflexión lambertiano: L I REF π REF R π INC R E π R E π donde R es el coeficiente de reflexión de la superficie: R REF INC 0

21 B Excitancia Radiante y Luminosa B Excitancia (M). Describe la densidad de flujo desde un área radiante activa. M R R y M P P M R : excitancia radiante (W/m ) M P : excitancia fotométrica (lm/m ) B Relaciones derivadas de la Excitancia. Para una fuente Lambertiana: I 0 S M S π π Si la distancia entre fuente y receptor es mucho mayor que las dimensiones de la fuente o el receptor, el flujo en el receptor es: r I θ ω R I 0 cos θ d ' R I 0 cos θ d R cos α S cos θ π d R cos α 1

22 La iluminación sobre la superficie del receptor: E r r R I0 cosθ cosα S cosθ cosα d π d Si el área del receptor y de la fuente son perpendiculares a la línea que los conecta: E r I d 0 S π d I d 0 y r R partir de la luminancia o esterancia de la fuente, LI 0 / S : E r L cosθ cosα d L S S R y r cosθ cosα d Si el área del receptor y de la fuente son perpendiculares a la línea que los conecta: E r L d S L ω S ω S : ángulo sólido de la fuente subtendido por el receptor.