OPTOELEKTRONIKA – SYSTEMY OPTOELEKTRONICZNE

Nowe technologie otrzymywania energii odnawialnej:Desertec – sieć gigantycznych elektrowni słonecznych (helioelektrowni) na Saharze:15% prądu dla Europy do 2025 r.; 50% do 2050 r.Łączna moc elektrowni 100 GW, przewidywany koszt – 400 mld Euro.Klub Rzymski – europejska organizacja działająca na rzecz popularyzacji idei zrównoważonego rozwoju (Niemiecka Agencja Kosmiczna, RWE, EON, Siemens, ABB, Abengoa, Deutsche Bank)Przesyłanie energii za pośrednictwem nowoczesnych sieci wysokiego napięcia HVDC – strata 3% na 1000 km.

OPTOELEKTRONIKA

Optoelektronika jest techniką systemów i przyrządów, które emitują, modulują, transmitują lub wykrywają światło

Badanie i wykorzystywanie zjawisk rozchodzenia się, obróbki i oddziaływania promieniowania, a także emisji oraz detekcji promieniowania optycznego do konstrukcji i budowy układów optoelektronicznych czyli takich, które pracują z dwoma rodzajami sygnałów: optycznym i elektrycznym, a także z akustycznym i magnetycznym.

Dziedziny optoelektroniki• Optoelektronika światłowodowa

– technika światłowodowa – optoelektronika zintegrowana – optotelekomunikacja

• Optoelektronika obrazowa • Optoelektronika fotowoltaiczna • Optoelektronika informatyczna • Optoelektronika laserowa Optoelektronika światłowodowa

Technika światłowodowa Światłowodowa optyka gradientowa: soczewki światłowodowe, multipleksery wielofalowe. Obrazowody światłowodowe: obrazowody wiązkowe, płytki światłowodowe, noktowizory, korektory obrazu, TV wysokiej jakości 50 linii/mm. Czujniki światłowodowe: detektory pól fizycznych i wielkości chemicznych. Transmisja dużej mocy optycznej: dla laserów NdYAG, CO2, noże chirurgiczne, spawanie przemysłowe.

• Optoelektronika zintegrowana Układy i systemy planarne dla fal optycznych będące analogiem układów elektronicznych typu VLSI. Operowanie sygnałem optycznym wielowymiarowym, np. informacja obrazowa. Elementy i układy podstawowe: lasery i fotodetektory planarne, światłowody planarne, sprzęgacze planarne, elementy optyczne, soczewki, filtry, pryzmaty, siatki dyfrakcyjne, zwierciadła, konwertery modów, deflektory, modulatory, konwolutory, korelatory, pamięci optyczne, mikroprocesory optyczne, elementy nieliniowe. Głównym celem rozwoju OZ jest budowa całkowicie optycznego regeneratora dla optotelekomunikacji oraz budowa komputerów optycznych.

• Optotelekomunikacja • Systemy transmisyjne dalekosiężne wzmacniakowe lądowe i morskie; zwiększenie:

– przepływności informacyjnej, – odległości międzywzmacniakowej, – niezawodności działania i czasu życia, – odporności na działanie środowiska.

• Lokalne sieci światłowodowe: – miejskie, – obiektowe: budynki biurowe, szpitale, okręty, samoloty... – informatyczne: połączenia wewnętrzne i komputerowe, – przemysłowe – dla bardzo trudnych warunków środowiskowych, – wojskowe.

Optoelektronika obrazowa • Poligrafia optoelektroniczna • Grafika komputerowa • Sztuczna wizja • Obróbka obrazów • Wyświetlacze Optoelektronika Fotowoltaiczna • Słoneczna Optoelektronika - energetyczna. • Problemy konwersji różnych form energii optycznej na energię elektryczną (magazynowaną). Optoelektronika informatyczna • Dziedzina korzystająca głównie z osiągnięć optoelektroniki zintegrowanej i holografii. • Cyfrowe układy optyczne o pasmach terabitowych. • Masowe pamięci optyczne. • Celem jest budowa komputera optycznego.Optoelektronika laserowa • Lasery półprzewodnikowe i dielektryczne miniaturowe dla OZ, TŚ i optotelekomunikacji. • Lasery do zastosowań medycznych i przemysłowych (mikroobróbka materiałów). • Lasery do zastosowań metrologicznych. • Elementy, układy i systemy laserowe. • Kierunki rozwoju: stabilizacja laserów, lasery bardzo dużej mocy, nowe materiały i nowe pasma pracy.Stan rozwoju nauki i techniki w dziedzinie optoelektroniki • Światłowodowe soczewki gradientowe o znacznie większych aperturach i jakości lepszej od soczewek

klasycznych, refrakcyjna szerokopasmowa korekcja aberracji. • Wiązkowe obrazowody koherentne o rozdzielczości optycznej do 150 par linii/mm. • Ekrany telewizyjne o powierzchni kilku metrów kwadratowych. Zalety Optoelektroniki • możliwość wytworzenia emiterów i detektorów • wysoka pojemność informatyczna kanału • mała tłumienność • duża dobroć układu • jednokierunkowość sprzężenia • izolacja galwaniczna • izolacja kanałów komunikacyjnych • duża obciążalność • taniość i dostępność surowca

Zastosowania Optoelektroniki

• telekomunikacja światłowodowa • czujniki dla potrzeb metrologii, automatyki i robotyki • komputerowe sieci odporne na zakłócenia • przekształcanie informacji obrazowych z obszaru widma niewidzialnego na widzialne • wzmacnianie kontrastowości i jaskrawości obrazu • mikrobróbka laserowa układów elektronicznych • obróbka tworzyw za pomocą wysokoenergetycznych wiązek laserowych • tworzenie nowych narzędzi i metod chirurgicznych • technika holograficzna • przetwarzanie energii promieniowania słonecznego na energię elektryczną • konstrukcja płaskich monitorów (ciekłokrystaliczne i diodowe) • magazynowanie danych (cd-rom, dvd) • światła sygnalizacyjne i ostrzegawcze o dużej jasności i niezawodności

Literatura

K. Booth, S. Hill "Optoelektronika", WKŁ 2001 J. Siuzdak "Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej", WKŁ 1999 G. P. Agrawal "Fiber Optic Communication Systems", 1999 Alfreda Graczyk i in. "Fotodynamiczna metoda rozpoznawania i leczenia nowotworów", Bellona 1999 Wiesław F. Wyrębski "Laserowa technika wojskowa", MON 1982 Rajiv Ramaswami,Kumar N. Sivarajan, „Optical Networks”, Morgan Kaufman Publishers, Paris, 2002

Systemy optoelektroniczne

Elementy systemów optoelektronicznych

• Elementy dyspersyjne, siatka Bragga, elementy optyki nieliniowej, wytwarzanie II harmonicznej światła, elementy i struktury fotonowe.

• Światłowody specjalne - analizatory widma, światłowody polaryzacyjne, kompensatory dyspersji, żyroskop światłowodowy. Czujniki światłowodowe. Optyczne elementy przełączające i pamiętające.

• Elementy optoelektroniczne aktywne, wzmacniacze w tym światłowodowe, generatory, generatory parametryczne OPO. Elementy objętościowe i falowodowe.

Systemy optoelektroniczne

• - Przetworniki obrazu, termowizyjne i noktowizyjne, współczesne elementy i systemy oświetleniowe.

• - Systemy optoelektroniczne w telekomunikacji, łączność światłowodowa, elementy nadawcze i odbiorcze, pojemność kanału, systemy wielokanałowe (WDM, TDM, SCM, etc.). Optoelektroniczne łącza bezprzewodowe, system IrDa.

• - Systemy optoelektronicznej obróbki sygnałów i elementy logiki optycznej, korelacja optyczna, rozpoznawanie obrazów.

• - Systemy optoelektroniczne w sprzęcie komputerowym, odczytywanie dysków optycznych, drukarka laserowa. Systemy audiowizualne z wykorzystaniem źródeł laserowych.

• - Optoelektroniczny system analizy kodu kreskowego, zabezpieczenia przed błędami odczytu. • - Pasywny czujnik naruszenia strefy, systemy obróbki sygnału i ochrony przed zakłóceniem. • - Optoelektroniczne systemy metrologiczne - dalmierze geodezyjne i laserowe, detekcja

podszumowa, anemometr laserowy. • - Systemy optoelektroniczne w zastosowaniach militarnych, naprowadzanie na wiązkę laserową i

prowadzenie w wiązce. • - Systemy optoelektroniczne w medycynie, systemy endoskopowe, system wykrywania i

niszczenia komórek nowotworowych technika PDT.

Lotnicze systemy optoelektroniczne

Współczesne konflikty asymetryczne, misje wymuszania i utrzymania pokoju to przede wszystkim intensywne wykorzystanie wojsk aeromobilnych. Helikoptery stały się głównym środkiem uderzeniowym i transportowym z kilku względów. Głównym czynnikiem jest fakt dekoncentracji zagrożeń (celów) oraz sił własnych na współczesnym polu walki. Inny to dynamiczne kształtowanie się linii frontu, często oznaczające po prostu rajdy uderzeniowe w głąb terytorium wroga po przełamaniu jego linii obrony. Uważnie analizując powyższe czynniki Cenrex we współpracy z partnerami krajowymi i zagranicznymi przygotował kompleksową ofertę skoncentrowaną na helikopterach.Celem zwiększenia zdolności bojowych, przetrwania na współczesnym polu walki oraz  podwyższenia możliwości współpracy wojsk lądowych z aeromobilnymi nasza firma oferuje: •Systemy opancerzenia helikopterów Mi-8 oraz Mi-17; •Lotnicze systemy optroniczne; •Systemy  naprowadzania wsparcia lotniczego; •Lotnicze systemy łączności satelitarnej;

Systemy kierowanie ogniem dla strzelców pokładowych

                                        

     

Systemy laserowe dla śmigłowców bojowych 

Systemy laserowe dla UAV

                                

             

Wskazywanie celu z kokpitu

Optyczne radary

Pierwszym polskim okrętem, który otrzyma optoelektroniczny system obserwacyjny, będzie korweta Gawron. Jaki to będzie system – jeszcze nie wiadomo, jednak już dzisiaj można z dużym prawdopodobieństwem określić, jakimi parametrami będzie się on musiał charakteryzować i jakie sensory będą w nim zintegrowane.

 

 

O ile początkowo optoelektroniczne systemy obserwacyjne traktowano jako urządzenia rezerwowe w odniesieniu do radarów, o tyle obecnie ich ranga znacznie wzrosła. Co więcej, na wielu jednostkach pływających i statkach powietrznych montuje się tylko systemy pracujące w podczerwieni (EO/IR) ze względu na to, że są tańsze, mniejsze, nie promieniują (a więc nie zdradzają pozycji) i pozwalają na identyfikację obserwowanego obiektu, eliminując możliwość ostrzelania własnej lub neutralnej jednostki. Ponadto natychmiastowe uzyskanie obrazu obserwowanego obiektu skraca czas potrzebny na podjęcie decyzji przez wyeliminowanie procesu kojarzenia danych z innych źródeł informacji, potrzebnego w przypadku radarów i sonarów. A przecież o zmniejszenie czasu reakcji obecnie najbardziej chodzi. Przyczyną zmiany w podejściu do szeroko pojętej „optyki” jest przede wszystkim obserwowany w ostatnich latach ogromny postęp techniczny, którego efektem była miniaturyzacja, uproszczenie, a co najważniejsze – zmniejszenie się ceny systemów optoelektronicznych. Pomimo tego widocznego na całym świecie „boomu”, w Marynarce Wojennej RP pierwszy z prawdziwego zdarzenia system EO/IR pojawił się dopiero wraz z wprowadzeniem do brzegowych jednostek przeciwlotniczych systemu kierowania ogniem artyleryjskim S-60 Blenda (nie mówimy tu o lotniczych systemach pokładowych). Jego głównym elementem jest pojazd dowodzenia wyposażony w głowicę optoelektroniczną ZGS-158 z kamerą TV, kamerą termowizyjną, dalmierzem laserowym i radiolokacyjnym urządzeniem zapytującym (interrogatorem). Okręty polskie były natomiast jeszcze do niedawna wyposażane tylko w kamery TV i to czarno–białe, z niewielkimi możliwościami regulacji obrazu. Takie proste systemy optyczne – kontroli, a nie kierowania strzelaniem – miały między innymi radary kierowania uzbrojeniem MR-123 Wympieł na małych okrętach  rakietowych projektu 1241RE (Tarantul I). Prawdziwe urządzenia EO/IR pojawiły się na okrętach MW RP dopiero po modernizacji jednostek typu Orkan w ramach projektu Żeglarek. Okręty te zostały bowiem doposażone między innymi w systemy kierowania uzbrojeniem artyleryjskim Sting EO, które poza samym radarem posiadają głowicę optoelektroniczną, przymocowaną z lewej strony anteny radaru i obracającą się z nią w azymucie na tej samej podstawie. Nie jest to jednak typowy system obserwacyjny EO/IR, na który przyjdzie nam poczekać do czasu wprowadzenia do linii korwety Gawron.

Przemysłowe urządzenia i systemy optoelektroniczne

VIGO System S.A. jest światowym liderem w produkcji niechłodzonych, fotonowych detektorów podczerwieni. Firma jest członkiem - założycielem Polskiej Izby Gospodarczej Zaawansowanych Technologii. Naszą misją jest zastąpienie chłodzonych kriogenicznie, fotonowych detektorów średniej i dalekiej podczerewieni, detektorami nowej generacji.

Nasza oferta:produkcja detektorów promieniowania podczerwonego prace badawczo- rozwojowe w dziedzinie techniki podczerwieni produkcja urządzeń optoelektronicznych budowa i modernizacja stanowisk pomiarowych sterowanych mikroprocesorowo doradztwo techniczne pośrednictwo w zakupie podzespołów, urządzeń i systemów optoelektronicznych

Urządzenia i systemy do zastosowań przemysłowych:kamery termograficzne przetworniki, rejestratory wilgotności, punktu rosy firmy Vaisala (Finlandia) pirometry do zdalnych pomiarów temperatury firmy Raytek Inc. (USA) analizatory gazów firm Edinburgh Instruments (Wielka Brytania) oraz Vaisala (Finlandia) barometry analogowe i cyfrowe firmy Vaisala (Finlandia)

Podzespoły i urządzenia dla techniki podczerwieni:chłodziarki termoelektryczne firmy Marlow Industries (USA) detektory termoparowe firmy Dexter (USA) mierniki promieniowania podczerwonego firmy Terahertz Technologies Inc. (USA)

                                                                                      Przemysłowe systemy bezpieczeństwaW zautomatyzowanej produkcji oraz logistyce najważniejsza jest skuteczna ochrona przed wypadkami. Jako specjalista w dziedzinie produkcji czujników firma SICK w ciągu wielu lat opracowała i wyprodukowała wiele nowatorskich produktów mających na celu ochronę w niebezpiecznych obszarach oraz ochronę dostępu: bariery świetlne, kurtyny świetlne, skanery laserowe, zamki bezpieczeństwa oraz interfejsy, które zapewniają bezpieczeństwo w czasie pracy.Firma SICK dostarcza kompletne rozwiązania w zakresie bezpieczeństwa w miejscu pracy, takie jak systemy optoelektroniczne, przełączniki, a także oprogramowanie do projektowania, umożliwiające wdrożenie dyrektywy europejskiej dotyczącej maszyn. Oprócz tego, seria produktów "intelliface" firmy SICK oferuje również szeroki asortyment interfejsów przetwarzających sygnały wyjściowe. Wszystkie produkty spełniają wymagania międzynarodowych standardów bezpieczeństwa i są zatwierdzone przez odpowiednie organizacje.

Optyczne urządzenia bezpieczeństwaInteligentne, optyczne urządzenia bezpieczeństwa takie jak skanery laserowe, kurtyny i bariery mogą być używane do ochrony niebezpiecznego punktu, obszaru i kontroli dostępu - zarówno pionowo jak i poziomo. Te bezkontaktowe urządzenia są samo-monitorujące, mogą być testowane i odpowiadają międzynarodowym wymaganiom bezpieczeństwa.

Bezkontaktowe zamki bezpieczeństwaSurowe wymagania bezpieczeństwa i zabezpieczenia przed manipulacją, tworzą współczesne zamki bezpieczeństwa niezbędnymi. Zamki SICK otwierają wiele nowych możliwości.

Urządzenia sterowania bezpieczeństwemUrządzenia sterowania bezpieczeństwa są najważniejszym interfejsem pomiędzy maszyną i człowiekiem w zastosowaniach przemysłowych. Z urządzeniami sterowania bezpieczeństwem SICK, niebezpieczny ruch może zostać bezpiecznie zatrzymany, a funkcje maszyny mogą być bezpiecznie uruchomione podczas gdy urządzenie ochronne jest otwarte.

sens:Control - kontrolowane bezpieczeństwoW środowisku automatyki, wciąż rośnie znaczenie zintegrowanych inteligentnych systemów bezpieczeństwa. Z Inteliface - technologią inteligentnych interfejsów dla inżynierii bezpieczeństwa, SICK dostarcza Ci szeroki zakres produktów które były opracowane specjalnie do połączenia produktów bezpieczeństwa z maszyną.

Systemy obserwacyjne

Do urządzeń stosowanych w systemach obserwacyjnych należy zaliczyć: kamery TV światła dziennego, kamery niskiego poziomu oświetlenia (L3TV), noktowizory i kamery termowizyjne. Widmowy zakres pracy obserwacyjnych urządzeń optoelektronicznych obejmuje podczerwień (IR), zakres widzialny (VIS) i ultrafiolet (UV). Gwałtownie rozwijane są też technologie fal submilimetrowych w zakresie THz. Pasmo to zwane dawniej daleką podczerwienią, leży w obszarze częstotliwości 0,3 THz÷10 THz, inaczej od 300 GHz do 10 000 GHz widma fal elektromagnetycznych. Wypełnia ono obszar widmowy pomiędzy mikrofalami a podczerwienią.

Badania spektroskopowe w dziedzinie fal terahercowych pozwalają na wykrywanie różnego rodzaju substancji niebezpiecznych (np. materiałów wybuchowych) i narkotyków. Promieniowanie terahercowe przenika przez niektóre materiały (tekstylia, cienkie ścianki działowe), co zostało wykorzystane do konstrukcji urządzeń stosowanych w monitorowaniu zagrożeń bezpieczeństwa.

Widmowe pasmo podczerwieni podzielono umownie na cztery obszary. Pierwszy obszar (bliskiej podczerwieni NIR) ograniczony jest długościami fal 0.7 m do 1.1 m i jest zdominowany przez promieniowanie odbite słońca. W tym obszarze widma pracują systemy telewizji niskiego poziomu oświetlenia (L3TV), wzmacniacze obrazu oraz nocne systemy wizyjne. Drugi obszar ograniczony jest długościami fal od 1.1 m do 2.5 m i nazywany krótkofalowym obszarem podczerwieni (SWIR). Trzeci obszar średniofalowej podczerwieni (MWIR) ograniczony jest długościami fal od 2.5 m do 7.0 m. Zwykle obszar ten jest definiowany w granicach od 3 m do 5 m, ponieważ tłumienie atmosfery silnie ogranicza robocze pasmo tego obszaru. Podczerwień MWIR wykorzystywana głównie do wykrywania i obserwacji obiektów o podwyższonych temperaturach. Długofalowy obszar podczerwieni (LWIR) ograniczony jest długościami fal od 7 m do 14 m, ale również wykorzystywane praktycznie jest węższe pasmo tj. od 8 m do 12 m, głównie do wykrywania i obserwacji obiektów niskotemperaturowych.

Tak, jak obrazy kolorowe dają znacznie więcej użytecznych informacji niż czarno-białe, obrazowanie przy pomocy detektorów multispektralnych, czy nawet hiperspektralnych pracujących na wielu pasmach widmowych dostarcza więcej informacji niż konwencjonalne obrazy trójbarwne. Dlatego we współczesnych systemach obserwacyjnych do pasm widzialnych dodane są pasma w podczerwieni i w ultrafiolecie.

Building Management Systems

Nowoczesne budynki wyposażone są w szereg instalacji alarmowych oraz technicznych systemów zapewniających bezpieczeństwo funkcjonowania budynku. Systemy zarządzania bezpieczeństwem budynków - Building Management Systems (BMS) integrują:a) systemy bezpieczeństwa (system przeciwpożarowy, system napadowo-włamaniowy, system kontroli dostępu, system telewizji dozorowej),b) teleinformatyczne systemy bezpieczeństwa (system bezpieczeństwa zasobów komputerów, system bezpieczeństwa transmisji danych, system ochrony fizycznej urządzeń teleinformatycznych),c) systemy sterujące automatyką budynku (klimatyzacja, praca wind, oświetlenie, zasilanie w media - woda, gaz, elektryczność).BMS zapewnia techniczne narzędzia zarządzania bezpieczeństwem i komfortem pracy w budynku w warunkach codziennej eksploatacji i w sytuacjach awaryjnych. BMS nie zabezpiecza bezpieczeństwa budynku w sytuacji kryzysowej, gdy uszkodzenia infrastruktury i urządzeń technicznych spowodują dezintegrację systemu. W takich wypadach konieczna jest pomoc z zewnątrz w postaci zarządzania kryzysowego, które jest zespołem wcześniej opracowanych procedur postępowania, informacji wprowadzanych na bieżąco w oparciu o dane służb meteorologicznych, ratowniczych i rozpoznania oraz procedur opracowanych dla minimalizacji skutków zagrożenia (chemicznego, biologicznego, radiologicznego, powodziowego itp.). Wymaga to prowadzenia i koordynowania prac w wielu kierunkach zarówno studiów systemowych, jak też doboru i badania bazy czujnikowej.

4000.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

600

2

1

a)

c)

b)

800

D Ł U G O Ś Ć F A L I [nm]

INT

ENS

YW

NO

ŚĆ

[je

dn.

wzg

l.]

1000 1200 1400

10%

100 280 315 400 760 140 0 3000

10% 21% 17% 8%

20% 32% 37% 65% 65% 28%

l [nm ]

naskó rek

skóraw łaściw a

w ars tw apod skórna

SZKLIWO

OKO

CEMENT

ZÊBINA

2000

20

0

40

60

80

100

3000 6000 10 00 0

D Ł U G O Ś Ć F A L I [nm]

T R

A N

S M

I S

J A

[%

]

Lase

r Er:YA

G

Lase

r CO

2

1 0-9

10 -3

FOTODESTRUK

CJA

C Z A S O D D Z I A Ł Y W A N I A [ sek]

G Ę

S T

O Ś

Ć

E N

E R

G I

I

[J/

cm2

]

G Ę S T O Ś Ć M O C Y [W/ cm 2]

FOTOABLACJA

ODPARO

WANIE

KOAGULAC

JA

REAKCJE

FOTOCHE M

ICZNE

10 0

10 3

1 03

10 6

1 061091012

1 0- 6 10-3 100

Nowotwór

dożylne wprowadzeniesensybi lizatoraHPD, PHOTOFRIN, PPdAA

HP kumuluje się selektywnie w tkankach nowotworowychpo 24 - 48 godz.

Światłowód

źródło światła 670-700 nm (Laser, lampa halogenowalub ksenonowa)

O O

O

O O

O

O OO

O

O

22

2

2 2

2

22

2

2

2

II

I

II

I

II

I

I

I

Cytotoksyczne działanie O 2I

sens + h sens* I

I

I

I

sens*

sens*

sens*

3

3

3+ O

2O + sens

O

I

I2

2+ substrat utlenianie substratu

sens = HPD, PHOTOFRIN, PPdAA

Medycyna

4 000

20

40

60

80

1 00

A R G ON4 88 5 14

WOD A

ME L ANI N A

H E MO GLOBI NA

H e -N e6 3 3

IR82 0 90 4

Nd :Y AG1 064

600 800 1000 1200 1400 10600

D ŁUG OŚ Ć FALI [nm]

A B

S O

R P

C J

A

[%

]

W wykładzie wykorzystano niektóre opracowania dokonane w Instytucie Optoelektroniki WAT, m.in. Z. Mierczyk., A. Gietka, „Zaawasowane technologie monitorowania zagrożeń bezpieczeństwa” oraz A. Graczyk i in. "Fotodynamiczna metoda rozpoznawania i leczenia nowotworów", Bellona 1999 i W. F. Wyrębski "Laserowa technika wojskowa", MON 1982,

a także oferty prezentowane na stronach internetowych firm: Cenrex, Vigo, SICK