8. OPTOELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY

Transkript

1 8. OPTOELEKTRONICKÉ SOUČÁSTKY Obecně optoelektroniku chápeme jako vědní obor (a oblast techniky) zabývající se zpracováním informací způsoby vyžadujícími spolupráci optických a elektronických systémů. Zabývá se tedy - principy a postupy zpracování, přenosu a záznamu informací založenými na změnách parametrů záření (většinou viditelného), - interakcí záření a elektricky nabitých částic v pevné látce. V současné době se v optoelektronice téměř nezávisle rozvíjejí dva směry: - Optický směr, jehož předmětem zájmu jsou především optické velkokapacitní paměti, zařízení pro rozpoznávání obrazů a řízená funkční prostředí. Opírá se o holografii, fotochemii, elektrooptiku a jiné jevy vznikající při vzájemném působení tuhé fáze a elektromagnetického záření. - Elektronicko-optický směr, který využívá fotoelektrický jev nebo elektroluminiscenci. V tomto předmětu budeme v souladu s dosavadní technickou praxí chápat optoelektroniku zúženě jako tento elektronicko-optický směr, tj. názvem optoelektronika budeme označovat tu část elektroniky, která se zabývá výrobou a využitím elektronických prvků pracujících v optické oblasti elektromagnetického záření (případně i v přilehlé oblasti, tj. UV a IR). Optoelektronické prvky využívají pro svoji funkci jevů, které vznikají v důsledku vzájemného působení látky se zářením. Typické příklady interakce fotonů s pevnou látkou uvádí obr Obr. 8.2 uvádí rozdělení spektra elektromagnetického záření. Před výkladem o optoelektronických součástkách je třeba se zmínit o některých pojmech z fotometrie (příp. radiometrie). Problematika je shrnuta na obr. 8.3, který ukazuje vzájemné souvislosti a definice hlavních radiometrických a foto-metrických veličin. Definiční vztahy těchto veličin a jejich jednotky uvádí obr Pro fyzikální měření používáme pojem zářivý tok, který udává množství dopadající světelné energie a jehož velikost vyjadřujeme v jednotkách energie. Protože však Obr Zobrazení typických případů interakce fotonů s pevnou látkou citlivost oka na jednotlivé vlnové ( h délky světla není stejná, jsou v ν je energie fotonu, hω q je energie fononu) kolorimetrii zavedeny zvláštní světelné jednotky. Citlivost zraku se pro světla s různou vlnovou délkou vyzařování a se stejným zářivým tokem mění podle křivky světelné účinnosti (obr. 8.5). Největší citlivost má oko na žlutozelenou barvu s vlnovou délkou 555 nm. Od této barvy citlivost na obě strany spektra klesá, takže modré světlo s vlnovou délkou pod 400 nm a červené s délkou nad 700 nm se jeví tmavé, i když je jejich zářivé toky (vyjádřené v jednotkách energie) jsou stejné jako u složek zelené nebo žluté. Světelný tok posuzujeme jako součet energií jednotlivých vlnových délek, přičemž u každého sčítance je energie vynásobena poměrnou účinností. Kap. 8. Optoelektronické součástky 183

2 Obr Spektrum elektromagnetického záření Světelný tok se počítá v lumenech - lm lm odpovídá jednomu wattu pro žlutozelené světlo vlnové délky 555 nm. Osvětlení plochy určitým světelným tokem se udává v luxech ( lx = lm/ m 2 ). Svítivost zdroje světla vyjadřuje světelný tok pozorovaný v jednotkovém prostorovém úhlu. Jednotkou je cd (kandela - svíčka). Jas zdroje se vyhodnocuje pro určitý směr jako svítivost vztažená na jednotkový povrch zdroje světla. Povrch zdroje se uvažuje jako průmět do roviny kolmé ke směru pozorování. Jednotkou jasu je cd/m 2. Při posuzování barev na stínítku obrazovky posuzujeme jas přímého zdroje světla, tj. zářících luminoforů. Kromě jasu potřebujeme ještě definovat druh barvy neboli chromatičnost. Pro určení chromatičnosti nestačí jen jedna veličina. Spektrální barvy, tj. barvy, které lze získat rozkladem bílého slunečního světla do spojitého spektra, můžeme označit stupnicí vlnových délek. Této veličině, určující, zda je barva sytě červená, sytě modrá, sytě zelená atd., říkáme barevný tón (tón barvy). Avšak červená barva není vždy zcela sytá, tj. není složena pouze z vlnové délky příslušné čistě (sytě) červené barvy. Může být zředěna jistým množstvím bílé barvy a pak se jeví jako více nebo méně růžová. Stejně tak zředění ostatních sytých barev bílou barvou posuzujeme podle procenta sytosti barvy. Stoprocentně sytá (čistá) barva neobsahuje bílé světlo, kdežto nulová sytost barvy představuje již barvu nepestrou, tj. bílé světlo, které podle jasové stupnice může být bílé, různě šedé až černé. Obr Vzájemná souvislost hlavních radiometrických a fotometrických veličin Obecně je tedy barevné světlo definováno třemi veličinami: jasem (cd/m 2 ), sytostí (%) a tónem (nm). Světla lze měřit na kolorimetrech porovnáváním na dvou stínítkách se světlem součtově míseným ze tří základních kolorimetrických světel (R), (G), (B). Určitá množství jejich světelných toků jsou zvolena za jednotky a měřené světlo se vyjádří různým množstvím jednotky (R), jednotky (B) a 184 Kap. 8. Optoelektronické součástky

3 jednotky (G), a to tehdy, až měřené barevné světlo souhlasí se srovnávacím barevným světlem. fotometrické veličiny radiometrické veličiny 1. světelný tok f (lumen [lm]) 1. zářivý tok f e [W] 2. plošná hustota světelného toku - na povrchu zdroje: osvětlení M [lm/m 2 ] M = f/s - na osvětlení povrchu: osvětlení E (lux [lx]) E = f/s l 3. svítivost I (kandela [cd]) I = f/w 4. jas L [cd/m 2 ] L = f/s = I/S 2. plošná hustota zářivého toku - na povrchu zdroje: intenzita vyzařování M e [W/m 2 ] M e = f e /S - na ozářeném povrchu: intenzita ozáření E e [W/m 2 ] E e = f e /S l 3. zářivost I e [W/sr] I e = f e /W 4. zář, měrná zářivost L e [W/m 2 sr] L e = f e /S = I e /S Obr Fotometrické a radiometrické veličiny a jednotky Počty jednotek základních barev nazýváme trojbarvé součinitele R, G, B. Barvu A můžeme vyjádřit rovnicí A = R(R) + G(G) + B(B). Např. A = 3,5 (R) + 1,5 (G) + 0,5 (B). To znamená, že barvu A lze nahradit světlem složeným z 3,5 dílu základního červeného světla (R), z 1,5 dílu základního zeleného světla (G) a z 0,5 dílu základního modrého světla (B). V kolorimetrii můžeme jednu barvu vytvořit součtem několika základních barev, které mohou být různě voleny. Tento jev se nazývá barevný metamerismus. Čím větší počet základních (pokud možno nejvíce sytých) barev bychom zvolili, tím větší oblast barevných tónů a sytostí (tj. chromatičnosti) bychom obsáhli. Víme, že v barevném tisku se používá šestibarevná reprodukce pro jakostní vyobrazení. V barevné televizi se vystačí se třemi základními barvami (R e ), (G e ), (B e ), které jsou vybrány se zřetelem na stejnoměrnou a dobrou účinnost; jejich polohu ve světelném spektru ukazuje obr Poznámka: Součtové a rozdílové mísení barev. Bílé sluneční světlo je dáno součtem energií od všech barevných složek, kterým říkáme barvy spektrální, Obr 8.5. Křivka citlivosti oka na různobarevná světla (neboli protože se vyskytují ve slunečním spektru. Bílé světlo křivka světelné účinnosti) můžeme však dostat i vhodnou kombinací menšího počtu barevných světel, nejméně dvou. Říkáme tomu součtové mísení barev (aditivní). Při určitém poměru zářivých toků těchto základních světelných zdrojů vznikne výsledné bílé světlo. Stejný účinek má sčítání světel malých hustě rozmístěných zdrojů základních barevných světel. Tak je tomu v barevných obrazovkách, které mají velké množství drobných kruhových nebo páskových plošek, tvořených luminofory, které při dopadu elektronových paprsků barevně září. Pravidelně se střídají plošky zářící červeně, modře a zeleně. Svítí-li všechny tři zdroje, jeví se při určitém poměru jejich světel stínítko obrazovky jako bílé. Svítí-li vždy jen dvě barevné světla, vznikají nové barvy stínítka, tzv. doplňkové barvy vzhledem k té, která nesvítí. Při současném záření červených a zelených luminoforů je stínítko zbarveno žlutě (doplňková k modré), při červeném a modrém světle je výsledná barva purpurová (doplňková k zelené) a při současně zářících modrých a zelených ploškách je výsledná barva stínítka modrozelená, zvaná tyrkysová nebo cyan (doplňková k červené). Kap. 8. Optoelektronické součástky 185

4 R i (E) E E Obr Náhradní schéma fotodiody a její AV charakteristika s vyznačenými pracovními oblastmi Obr AV charakteristika křemíkové fotodiody 1PP75 ve IV. kvadrantu Druhý způsob mísení barev je rozdílový (subtraktivní). Různými způsoby, ať již barevným tiskem, mícháním barev a jejich nanášením na povrch těles, nebo změnou barevných filtrů, se z dopadajícího nebo procházejícího bílého světla odčítají určité barevné složky, takže odražené nebo prosté světlo poskytuje oku dojem barevného povrchu. Při rozdílovém mísení barev platí jiné vztahy než při součtovém mísení. Směs nebo přetisk barvy modré a žluté odráží z bílého světla nejvíce barvu zelenou. Smísí-li se najednou barvy červená, modrá a žlutá, je výslednou barvou tmavě hnědá, neboť výsledný činitel odrazu (je součinem všech tří činitelů odrazu) je po celém rozsahu barevného spektra téměř nulový. Optoelektronické prvky rozdělujeme zpravidla (podle jejich funkce a využití) do tří základních skupin: detektory záření, což jsou všechny prvky, jejichž vlastnosti jsou závislé na dopadajícím záření, např. fotorezistory, fotodiody; u některých vnitřní struktura umožňuje i zesílení signálu (lavinové fotodiody, fototranzistory, fototyristory); zdroje záření, které dále rozdělujeme na: - nekoherentní (luminiscenční diody), - koherentní (lasery); speciální struktury, k nimž počítáme zejména displeje, optoelektronické prvky pracující na principu kapalných krystalů, páskové i vláknové světlovody. Každý optoelektronický prvek charakterizujeme jednou nebo několika veličinami, které udávají vztah mezi optickými a elektrickými veličinami. U detektorů je to citlivost na dopadající záření (tj. vztah mezi hodnotou fotoelektrického proudu a osvětlením), u zdrojů je to vyzářený výkon, u světlovodů je to útlum (tj. vztah mezi vystupujícím a vstupujícím světelným výkonem). Tyto veličiny se mohou udávat pro bílé světlo nebo pro světlo určité vlnové délky. Obr Čidlo složené z více elementů (tzv. čtyřkvadrantová dioda) a tvar výstupního signálu při rovnoměrném a nerovnoměrném osvětlení impulzním signálem 186 Kap. 8. Optoelektronické součástky

5 Dále se uvádí tzv. spektrální charakteristika, což je v grafické formě vyjádřená závislost charakteristické veličiny (např. citlivosti) na vlnové délce. Může se uvádět i v relativním měřítku. Někdy se uvádí pouze vlnová délka, pro kterou má charakteristická veličina nejvyšší hodnotu (tedy extrém spektrální charakteristiky). Časová odezva elektrické veličiny na jednotkový skok optické veličiny nebo naopak se nazývá přechodová charakteristika. Ta je popsána buď svojí časovou konstantou nebo dobou náběhu a doběhu. Fotorezistor je lineární symetrický dvojpól, jehož odpor výrazně závisí na osvětlení. Fotodioda využívá ke své činnosti generaci párů elektron-díra v blízkosti přechodu PN. Obvodem fotodiody teče proud i D (proud za tmy) a fotoproud i L = SE, kde S je citlivost a E je (intenzita) osvětlení. Fotodiody lze do vnějšího elektrického obvodu zapojit dvojím způsobem. Je-li zapojena v závěrném směru v sérii se zdrojem ss napětí a rezistorem R L, posouvá se pracovní bod dle intenzity osvětlení po odporové přímce R L, a dioda se chová jako rezistor řízený osvětlením (na obr. 8.6 ve III. kvadrantu). Takovýto režim diody označujeme jako odporový, dioda se Fototranzistor Lavinová fotodioda Fotodioda chová jako spotřebič. Obr Základní mechanismy elektroluminiscenční emise. Kap. 8. Optoelektronické součástky 187

6 a) Vlastní elektroluminiscence (Destriauův jev), 1 - volný elektron je urychlen elektrickým polem, 2 - nepružná srážka s luminiscenčním centrem, 3 - ionizace centra, 4 - rekombinace vyraženého elektronu s centrem a vyzáření kvanta hν. b) Injekční elektroluminiscence při přechodu PN (Lossevův jev), 1 - nezářivá rekombinace elektronu s dírou, 2,3 - zářivé rekombinace, 4 - zářivý přechod přes hladinu příměsi hν2 < Wg. Obr Elektroluminiscenční dioda vyrobená z GaAs 1-x P x. a) struktura, b) konstrukční uspořádání Obr Obvyklé pouzdro luminiscenční diody a používané způsoby označení anody a katody (na druhém obrázku zleva je princip zjištění polarity LED pohledem proti světlu. Krystalek je vždy připájen na vývodu katody). Obr Ampérvoltové charakteristiky diod z různých materiálů a vlnová délka generovaného záření báze v blízkosti emitorového přechodu. Fototyristor a optotyristor byl již uveden V hradlovém (fotovoltaickém) režimu (obr. 8.6 ve IV. kvadrantu) se fotodioda chová jako zdroj fotonapětí. Podle volby zatěžovacího odporu R L rozlišujeme 3 významné případy: hradlový režim nakrátko, naprázdno a výkonově optimální (vyšrafovaná oblast má největší plochu). Fototranzistor je optoelektronický detekční prvek, v němž je fotoproud vznikající generací nosičů náboje vlivem dopadajícího záření zesílen tranzistorovým jevem. Jde o bipolární tranzistor. Báze nebývá vyvedena. Pouzdro musí mít okénko, kterým prochází záření do Vlnová délka záření emitovaného sou-částkami z materiálu GaAs 1-x P x závisí na slo-žení tohoto polovodiče, tedy na velikosti x. Volbou složení je možno dosáhnout toho, aby dioda vyzařovala v požadované oblasti spektra omezené z jedné strany hodnotou 900 nm (infračervená oblast - případ čistého GaAs, tj. x=0) a z druhé strany hodnotou 500 nm (zelená barva - případ čistého GaP, tj. x=1). Dioda z GaAs emituje tedy infračervené záření a má úbytek napětí asi 1,3 V. Diody z GaAs 1-x P x mohou mít barvu červenou (x=0,65 a úbytek napětí 1,6 V), oranžovou (x=0,75 a úbytek napětí 2,0 V) nebo žlutou (x=0,85 a úbytek napětí 2,5 V). Zelená dioda z GaP má úbytek napětí 3,0 V. U elektroluminiscenčních diod, které používají binární sloučeniny, je vlnová délka emitovaného světla dána vhodnou volbou příměsí. Tak např. GaP dotovaný zinkem a kyslíkem může emitovat světlo na rozhraní infračervené a červené oblasti s maximem poblíž 700 nm. V případě dotace dusíkem mohou diody z GaP emitovat zelené světlo 188 Kap. 8. Optoelektronické součástky

7 vlnovou délkou poblíž 560 nm. Silná dotace GaP dusíkem umožňuje realizaci žlutě svítících diod. Ke generaci modrého a fialového světla se užívá nitridu galia GaN a karbidu křemíku, který má šířku zakázaného pásma 2,5 ev. Při hodnocení materiálů vhodných pro elektroluminiscenční diody musíme uvažovat nejen účinnost (poměr počtu vyzářených fotonů při rekombinaci k celkovému počtu rekombinací elektronů s dírami - tzv. kvantová účinnost), ale i citlivost lidského oka pro různé vlnové délky. Lidské oko je nejcitlivější pro zelenou barvu, na červenou je třicetkrát méně citlivé. Pro aplikace je třeba počítat s tím, že luminiscenční diody mají špatné závěrné vlastnosti (průrazné napětí cca 3 až 5 V). Strmý tvar závěrné charakteristiky při průrazu umožňuje využít luminiscenční diodu jako náhradu Zenerovy diody. Obr Principiální uspořádání laseru Polovodičové lasery mají složitější konstrukci než luminiscenční diody. Činnost laserů je založena na stimulované rekombinaci nosičů náboje při velkých proudových hustotách. Základní strukturu vidíme na obr Stěny hranolu rovnoběžné s přechodem PN jsou opatřeny ohmickými kontakty pro přívod proudu. Čelní plochy, kterými vychází generované záření, jsou přesně zabroušené a vyleštěné na velký lesk a dostatečnou optickou rovnoběžnost (tvoří zrcadlový rezonátor). Zbývající boční stěny se opracovávají hrubě, aby jimi nevycházelo generované záření. Takto upravená struktura se při malých proudech chová jako luminiscenční dioda a vydává nekoherentní záření, jehož intenzita se zvětšuje úměrně s proudem. Ke generaci koherentního záření dojde, Obr Základní struktura polovodičového laseru Obr Struktura polovodičového laseru s dvojitou heterostrukturou až proudová hustota přechodem PN překročí tzv. prahovou hodnotu, rovnou přibližně 10 5 A/cm 2. Materiál se při těchto proudových hustotách značně zahřívá a musí být vhodně chlazen. První laser byl zkonstruován začátkem šedesátých let, a to jako laser plynový. Za objev jeho fyzikální podstaty obdrželi Nobelovu cenu C. H. Townes, N. G. Basov a A. M. Prochorov. Světlovody. Přenosový systém s optickou vazbou musí kromě vhodného zdroje a detektoru záření obsahovat přenosové prostředí, jehož parametry jsou málo závislé na podmínkách, ve kterých systém pracuje. Jelikož přenos signálu atmosférou je funkcí řady člověkem nezvládnutelných procesů, jeví se atmosféra nespolehlivým přenosovým prostředím. (Užívá se jen v některých případech - dálkové ovládání v bytech, při komunikaci mezi kosmonauty na Měsíci nebo v zabezpečovacích zařízeních, kde se vyhodnocuje "narušení" přenosového prostředí). Univerzálním a spolehlivým přenosovým prostředím v systémech s fotonovou vazbou jsou optické světlovody, jež můžeme porovnávat s vlnovody. Světlovody rozdělujeme na dvě základní skupiny, podle jejich provedení a délky. Do prvé skupiny zařazujeme planární dielektrické světlovody, obr. 8.16a, určené pro přenos optického signálu na krátké vzdálenosti. Jak je z obrázku zřejmé, tvoří strukturu světlovodu tři základní média: substrát, dielektrická vrstva a vzduch o indexech lomu n 1, n 2, n 3. Druhou skupinu tvoří vláknové světlovody, obr. 8.16b. Kap. 8. Optoelektronické součástky 189

8 Obr Základní uspořádání: a) planárního světlovodu, b) vláknového světlovodu Obr Systém přenosu po optickém vláknu: a) princip, b) obvyklé provedení vysílače (nebo přijímače), c) detail provedení firmy Motorola a) b) Obr Systémy přenosu bez optického vlákna: a) komunikace na krátkou vzdálenost, b) zabezpečovací zařízení Vláknové světlovody se využívají k přenosu světelných signálů na velké vzdálenosti a jejich útlum je poměrně malý, dosahuje řádově jednotek db/km. Je tvořen vlastním přenosovým médiem s indexem lomu n 1 a pláštěm s indexem lomu n 2. Materiály musí být voleny tak, aby platila nerovnost n 1 < n 2. (Ve skutečnosti bývá změna indexu lomu plynulá a vzniká speciálním postupem při tažení skleněného vlákna.) 190 Kap. 8. Optoelektronické součástky

9 Zobrazovací jednotky. Pojmem zobrazovací jednotky - tzv. displeje - označujeme elektrickými signály ovládaná zařízení, zprostředkující pozorovateli určitou vizuální informaci. Můžeme je rozdělit na dvě základní skupiny: a) s malou hustotou informace, kam patří číslicové nebo alfanumerické (obecně znakové) zobrazovací jednotky, dovolující zobrazit jednotlivé číslice, písmena a znaky. Jejich geometrické rozměry jsou malé a zaujímají plochu Obr Zobrazovací prvky z více elementů: a) sedmisegmentová zobrazovací jednotka b) maticová zobrazovací jednotka, c) dvojbarevná luminiscenční dioda pouze několika cm 2, b) s velkou hustotou informace, kam patří televizní nebo oscilografické obrazovky kromě klasických vakuových také s kapalnými krystaly (obr. 8.23) a elektroforetické (využívající změny odrazových barev suspenze vlivem elektroforetického pohybu nabitých pigmentových částic), světelné noviny, zobrazovací panely nebo stěny (žárovkové). S ohledem na aplikaci v elektronice se budeme zabývat pouze zobrazovacími jednotkami příslušejícími prvé skupině. Při jejich použití, zda-li je určený typ vhodný k danému účelu, je nutné přihlížet k následujícím kritériím: - viditelnost: posuzuje se snadnost čtení informace, která je ovlivněna tvarem, jasem, kontrastem, barvou atd., - spotřeba: posuzuje se velikost napájecího napětí a spotřebovaný výkon pro vytvoření jednoho symbolu, - rychlost odezvy: je čas potřebný ke vzniku nebo vymazání symbolu. Zobrazovací jednotky s luminiscenčními diodami. Základem jsou luminiscenční diody uspořádané do segmentů nebo do bodové matice. Obvyklý je tvar matice 5 * 7 bodů a sedmisegmentová forma (7 segmentů uspořádaných ve tvaru číslice 8 dovoluje znázornit všechny číslice 0 až Obr Jedno možné uspořádání a značení vývodů sedmisegmentové číslicovky s levostrannou desetinnou tečkou Obr Zobrazovací jednotka s kapalnými krystaly DR401 nebo DT401 Kap. 8. Optoelektronické součástky 191

10 Obr Princip zobrazovací buňky s nematickým kapalným krystalem 9 a některá písmena velké i malé abecedy). Poznámka: Každý segment číslic může být pokládán za jednu diodu; přitom je lhostejné, zda jde skutečně o jednu diodu, či je-li složen z více diod. První číslicovky tohoto druhu měly skutečně segmenty z diodového "hřebínku" z minimálně dvou diod. Teprve luminiscenční diodové číslicovky tzv. druhé generace používají pro jeden každý segment jednu diodu, přičemž úsečkového, pokud možno homogenně prosvětleného tvaru segmentu se dosahuje využitím tzv. techniky světelných kanálů (poznáme podle úbytku napětí na segmentu). Zobrazovací jednotky s kapalnými krystaly. Některé organické sloučeniny se v kapalné fázi shlukují do protáhlých molekul, kterým říkáme kapalné krystaly. Krystaly mohou být uvnitř kapaliny uspořádány třemi základními způsoby, podle textury kapalných krystalů. Zobrazovací jednotky se vytvářejí ve tvaru dvou rovnoběžných skleněných destiček, vzdálených od sebe přibližně 10 až 20µm. Mezi destičkami je uzavřen kapalný krystal v tzv. nematické fázi. Na skleněných destičkách je napařena průhledná vodivá vrstva, tvořící na jedné destičce reliéf požadovaných zobrazovaných segmentů, na druhé destičce společnou elektrodu. Vývody jednotlivých segmentů a společné elektrody jsou provedeny technikou tenké kovové vrstvy na skle. Z obou stran úplné součástky jsou nalepeny polarizační fólie. Bez těchto fólií není zobrazení patrné. Protože kapalné krystaly nevyzařují světelnou energii (princip funkce spočívá ve změně kontrastu působením el. pole), potřebují popisované součástky ke své funkci osvětlení denním nebo umělým světlem. Bez přiloženého vnějšího napětí vykazuje celá jednotka stejné optické vlastnosti a je průhledná. Při přiložení napětí mezi elektrody (řádově jednotky voltů) dojde v místech, kde působí el. pole, ke vzniku turbulentního proudění krystalů a kapalina se zakalí, neboť na neuspořádaných vířících molekulách "krystalu" dojde k rozptylu. Zobrazený symbol nelze tedy sledovat, nedopadá-li na displej světlo. Doba odezvy je značná a dosahuje desítek ms. Velkou výhodou displejů s kapalnými krystaly je jejich extrémně malý příkon (asi 1 µa na segment), protože mají charakter struktury řízené el. polem. Zobrazovací součástka může být provedena jako odrazná (reflexní) - zadní polarizační fólie je upravena jako odrazná. Součástka se musí osvětlit zepředu. Zobrazovací součástka může být také provedena jako prostupná (transmisní) - obě polarizační fólie jsou průhledné. Součástka se musí osvětlit zezadu zpravidla zvláštním světelným 192 Kap. 8. Optoelektronické součástky

11 zdrojem. Na obr jsou písmeny A,B,..., G označeny jednotlivé segmenty, písmenem H je označena desetinná tečka, X společná elektroda, číslicí 1 polarizační fólie a číslicí 2 je označena orientační značka barvou. Optrony (optoelektronické vazební členy, optoizolátory) jsou dvojbrany s fotonovou vazbou. V jednom pouzdru obsahují zdroj záření (vysílač) a přijímač záření, které jsou vzájemně vázány optickým prostředím. Zdrojem záření bývá nejčastěji elektroluminiscenční dioda, přijímačem může být fotodpor, fototyristor, ale nejčastěji se používá fotodioda nebo fototranzistor. Vysílač a přijímač záření musí být spektrálně přizpůsobeny. Uvedený požadavek je dobře splněn právě použitím luminiscenční diody a křemíkového přijímače, přičemž touto kombinací se dosahuje i největších rychlostí. Většinou se používá GaAs diod vyzařujících infračervené záření, na něž jsou právě křemíkové fotoelementy nejcitlivější. Základní vlastnosti optoelektronických vazebních členů je galvanické oddělení vstupní a výstupní části členu (bývají proto zkráceně nazývány optoizolátory). Galvanické oddělení má za následek vysokou odolnost systémů používajících optoizolátorů proti rušení a tato vlastnost určuje jejich aplikační oblast. Optoizolátory nacházejí použití všude, kde je třeba přenést signál (spojitý nebo diskrétní) mezi dvěma galvanicky oddělenými soustavami a slouží tedy k přerušení zemních smyček, k oddělení země výkonových členů apod. například v průmyslových řídicích systémech, měřicích zařízeních a jiných prostorově rozlehlých systémech, a to jako přijímače dlouhých Obr Plochá obrazovka s buňkami z kapalných krystalů (a thin-film liquid-crystal display): a) průřez základní buňkou (tzv. pixel), b) princip adresování základníhc buněk pomocí tenkovrstvých tranzistorů z a-si:h, c) řez A-A (ITO = indium thin oxide) vedení, pro izolaci systémů TTL, jako impulsní transformátory nebo bezkontaktní relé atd. a dále pro izolaci v lékařských zařízeních a na telefonních linkách. Relé jsou pomalé a spolu s transformátory jsou špatně slučitelné s moderními obvody. Přijímače vedení jsou sice dostatečně rychlé, ale jsou schopny pracovat při souhlasném rušivém napětí (common mode voltage) asi do 3 V. Při vyšších hodnotách neposkytují dostatečnou ochranu proti rušení zemních smyček. Optoizolátory tyto nevýhody nemají. Rychlostí a spolehlivostí a rozměry jsou srovnatelné s ostatními polovodičovými součástkami a poskytují stejnosměrnou i stř-ídavou izolaci srovnatelnou s elektromechanickými relé. Kap. 8. Optoelektronické součástky 193

12 Optrony Základními parametry optoizo- látorů jsou - izolační napětí, - izolační odpor, - šířka pásma, - rychlost nebo zpoždění, - jmenovitý vstupní proud, - proudový přenos. Proudový přenos je poměr mezi vstupním a výstupním proudem a bývá udáván v procentech. Jednoduché optrony typu luminiscenční dioda-fototranzistor mají hodnoty proudového přenosu nízké Obr Optoelektronická čidla: transmisní (vlevo) a reflexní (vpravo) - od desetin do desítek procent. Dalším problémem těchto jednoduchých optronů je šířka pásma, která je omezena v nejlepším případě asi na 100 khz. Nevýhodou je, že jak detekce fotonů, tak zesílení výsledného proudu probíhá v téže fyzikální struktuře fototranzistoru. Hlavní limitující faktor je velká zpětnovazební kapacita mezi kolektorem a bází fototranzistoru. Proto byly vyvinuty složitější optrony, které se vyrábějí jako integrované členy nejčastěji v plastických pouzdrech DIL. Jako vysílač záření zůstává luminiscenční dioda, přijímač bývá v podobě integrované Darlingtonovy dvojice fototranzistor - tranzistor nebo fotodioda - operační zesilovač - logické hradlo. Optrony s Darlingtonovou dvojicí dosahují proudových přenosů až 400%, členy s logickým hradlem až 700%. Posledně jmenované členy jsou přímo kompatibilní s TTL a používají se v číslicových systémech k přenosu diskrétních signálů. Použití optoelektronických vazebních prvků je možno rozdělit do dvou základních skupin. Jednak je to použití při přenosu impulsních signálů, jednak použití při přenosu analogových signálů. Zatímco použití pro signály impulsního charakteru se stalo zcela běžné, je použití těchto vazebních členů pro analogové signály poměrně obtížné (nelinearita přenosové funkce optronu a stabilita zařízení, vlastní šum). Obr Možná použití optoelktronických čidel Obr Typická vnitřní zapojení optronů 194 Kap. 8. Optoelektronické součástky

13 Poznámka: Optron můžeme chápat jako přenosový systém s minimální vzdáleností přijímače nebo vysílače, jeho modifikací můžeme obdržet tzv. transmisní nebo reflexní optoelektronické čidlo (obr. 8.25). Součástky pro snímání čárového kódu Informace v čárovém (čárkovém, proužkovém) kódu (angl. bar code) jsou jednorozměrně kódované šířkou čárek a mezer. Princip použití spočívá v rozdílné Obr Tužkový snímač čárkového kódu; 1 - svazek optických vláken, chování tmavé či světlé plochy (čárky nebo 2 - zdroj světla, 3 - detektor světla, 4 - kovové válcové stínění mezery) při osvětlení světelným (např. laserovým) paprskem, a to při pohybu světelného zdroje nebo tištěného záznamu. Osvětlená tmavá plocha světlo pohlcuje, zatímco světlá plocha odráží zpět do detektoru snímače. Širší čárka pak pohlcuje světlo delší dobu než čárka tenčí, obdobně zase širší mezera odráží světlo déle než mezera užší (lineární rozteč proužků je rovnocenná časovému intervalu a úroveň odraženého světla bílou černou barvou je ekvivalentní vysoké a nízké úrovni elektrického signálu). Výstupní signály ze snímacího zařízení, které jsou v podstatě analogové, jsou potom v řídicí jednotce převáděny na digitální signály, jež podle algoritmu příslušného čárkového kódu umožňují rozpoznání jednotlivých znaků (obr. 8.29). Jedním z hlavních důvodů značného rozšíření čárkového kódu byla jednoduchost jeho snímání a de-kódování. Existuje nekonečně mnoho způsobů, jak vytvořit kódový systém pro čárkový kód. Nicméně se užívají jen tzv. dvojúrovňové kódy, kde Obr Ruční snímač čárového kódu široká čárka nebo mezera reprezentují binární jedničku a úzká čárka nebo mezera binární nulu (popř. naopak). První dva proužky Obr Průběh výstupního signálu ze snímače čárkového kódu Obr Etiketa výrobku s uvedením významu jednotlivých skupin a symbolů znakového pole jsou obvykle vyhrazeny k definici hodnoty úzké šířky, tj. binární nuly. Všechny další čárky a mezery čtené snímačem jsou vztaženy k této hodnotě (přiřazení hodnot odpovídajících nulám a jedničkám závisí pak na šířce jednotlivých čárek). Čtení může probíhat buď jedním směrem nebo i obousměrně. Obecně se užívá čtyřúrovňový univerzální kód pro označení výrobků UPC (Universal Product Code), v Evropě označovaný jako EAN (European Article Number, Europäische Artikel Nummer), kterým je značeno zboží potravinářských a jiných obchodech. V něm jsou číselné znaky definovány dvěma čárkami a dvěma mezerami. Každá čárka nebo mezera je široká jedno-, dvou-, tří- nebo čtyřnásobek základního modulu a celková šíře jednoho znaku musí být sedmimodulová. Spolehlivost kódu EAN je dosahována paritním bitem a kontrolním číslem na konci značkového pole. Kap. 8. Optoelektronické součástky 195

14 Svislými čárkami je zpravidla zakódováno 13 číslic. První dvě nebo tři označují stát, ze kterého zboží pochází. Následuje pětimístný (čtyřmístný) kód výrobce a kód výrobku. Zbývající, závěrečná číslice slouží ke kontrole správnosti čtení celého kódu. 196 Kap. 8. Optoelektronické součástky

15 Kap. 8. Optoelektronické součástky 197