Coerência temporal: Uma característica importante

A coerência temporal de uma fonte de luz é determinada pela sua largura de banda espectral e descreve a forma como os trens de ondas emitidas interfererem

Exercício: Calcule o comprimento de coerência das seguintes fontes de luz:

Lâmpada espectral: temos tipicamente λ = 5000 Å e Δλ ~ 1Å.

Luz branca: agora temos λ = 5500 Å e Δλ ~ 1500 Å,

Radiação coerente (laser): um valor típico para Δν é de 104 Hz .

Fotodetectores

• Os fotodetectores são também dispositivos semicondutores, porém, com uma função inversa àquela dos lasers semicondutores, ou seja, em vez da geração de luz a partir de uma corrente elétrica, estes dispositivos convertem luz em corrente.

Os detectores mais comuns podem ser classificados da seguinte forma:

A. Os detectores térmicos

1. Termopares e termopilhas2. Bolômetros e termistores3. piroelétricos4. Pneumático ou Golay

B. Detectores Quânticos

1. fotoemissivos - fototubos e fotomultiplicadoras 2. fotocondutivos3. Fotovoltaica 4. fotográfico

Termopar

termopilha

(Termopar feitos de materiais diferentes (linhas claras e escuras) unidos nos pontos T1 e T2, onde a diferença de temperatura produz uma fementre os terminais V1 e V2.

Termopilha feito de termoparpares em série. A radiação é absorvida nas junções T1 em contato térmico com um absorvedor de preto e termicamente isolado das junções T2.

fotomultiplicadoras

O efeito fotoelétrico fornece evidências para a natureza de partícula da luz -

“quantização”.

Einstein supôs que a luz trafega em pacotes de energiadenominados fótons.

A energia do fóton é dada por: ν= hE

O princípio de funcionamento da fotomultiplicadora é baseado no efeito fotoelétrico

Sua energia cinética, EC, é proporcional à frequência do luz incidente, ν, ou seja, a sua cor. Há uma frequência mínima, o que corresponde a uma energia mínima, chamada de função trabalho, W, que é necessária para libertar elétrons da superfície. Isto é descrito pela equação de Einstein

Quando a luz atinge um (metal) placa, fotoelétrons são liberados a partir da superfície do material.

CE h Wν= −

Uma consequência importante dessa equação é que a energia cinética dos fotoelétrons não depende da intensidade da luz.

As fotomultiplicadoras são caracterizadas por sua eficiência quântica dependente do comprimento de onda, η (λ), ou seja, a razão entre o número de fotoelétrons emitidos e o número de fótons incidentes. Quando S λ é a sensibilidade espectral do fotocátodo em A / W, e com o comprimento de onda dado em nm, a eficiência quântica pode ser calculada por

Fotodiodos

• Os fotodiodos podem ser divididos em dois dipos diferentes: PIN e avalanche

• Os fotodiodos do tipo PIN possuem uma região quase intrínseca tipo "n" entre duas regiões altamente dopadas "p" e "n" (por isso "pin")

• Os fotodiodos de avalanche possuem uma estrutura "pin" mais sofisticada de maneira que possa produzir campos elétricos extremamente intensos.

Exemplos de Fotodiodos

Eficiência do fotodiodo

0

/Número de Pares Elétron-Buraco livres gerados e coletados

Número de Fótons /phI e

P hfη = =

A eficiência do processo de conversão de receber fótons e gerar pares elétron-buraco é medido pela eficiência quântica (EQ) do detector:

Responsividade

A responsividade R de um fotodiodo caracteriza sua performance em termos da

fotocorrente gerada por potência óptica incidente num dado comprimento de onda,

( )( ) 0

Fotocorrente

Potência Óptica incidente phIA

RW P

= =

Relacionando com Eficiência quântica

e eR

hf hc

λη η= =

Curvas típicas

Detectores de imagem

• Usados em situações que se deseja ter resolução espacial (arranjo de fotodiodos)

Sensor CCD(Charged Coupled Device)

CCD

Como funciona o CCD

Este é o

CCD

Como funciona o CCD

Como funciona o CCD

Desenvolvido nos anos 70

como um chip de memória,

o CCD hoje trabalha como um

“chip de imagem” – um sensor

responsável por registrar a

imagem 'vista' pelos

equipamentos de captura de

imagem (câmeras de vídeo,

câmeras fotográficas e

scanners, por exemplo).

As lentes da câmera projetam

sobre o CCD a imagem, que é

convertida em impulsos

elétricos, gerando assim o

sinal de vídeo.

Como funciona o CCD

O funcionamento do CCD

Vamos do início então:

um CCD traz em sua

estrutura uma tela

gradeada, onde cada

quadradinho dessa tela

corresponde à 1 pixel –

em computação, 1 pixel é

a menor medida dentro de

uma imagem digital.

1 pixel

Como funciona o CCD

O funcionamento do CCD

Cada pixel faz o registro da intensidade de luz que é captada

da imagem visualizada / focada pela câmera, ou na mesa do

scanner, da seguinte forma: nós sabemos que qualquer

imagem é constituída por áreas distintas, com áreas mais

claras e áreas mais escuras.

Como funciona o CCD

O funcionamento do CCD

No CCD a imagem é capturada pela tela gradeada. A partir

dessa captura, cada pixel vai fazer a leitura da intensidade de

luz captada – quanto mais escuro, mas preto vai ser; quanto

mais clara, mais branca. Essa leitura, ou codificação, se dá

através de intensidade elétrica.

Como funciona o CCD

O funcionamento do CCD

Como resposta, teremos uma imagem formada por pixels

claros e escuros, a partir das áreas identificadas na imagem.

Para finalizar, cada intensidade elétrica é codificada no sistema

binário – bits responsáveis por representar a gradação entre as

áreas claras e escuras.

Comparação CCD e CMOS(Complementary Metal Oxide Semicondutor)

CCD CMOS

PixelGeração e integração de

cargas

Geração e integração de cargas e conversão de carga para

tensão

+

FotodiodoFotodiodo Amplificador

Leitura do arranjo Transferência de carga

de pixel para pixel

Multiplexação das voltagens dos pixels:

Amplificadores conectados

sucessivamentes a um barramento

comum

Sensor OutputAmplificador de saída realiza a conversão de carga-para-tensão

Várias opções possíveis: Nenhum circuito a mais (saída

analógica) amplificadores adicionais (saída

analógica) Conversão A / D (saída digital)

Comparativo de diferentes tipos de fotodetectores

Elementos ópticos

No modelo de óptica geométrica, a luz se propaga num meio homogêneo em trajetórias retilíneas, com velocidade c=3×108m/s no vácuo e com velocidades menores fora dele. A trajetória da luz pode ser representada por raios.

Define-se o índice de refração de um meio material como

cn

v=

Princípios básicos da óptica geométrica

Reflexão

Refração

Materiais Ópticos

• Indice de refração complexo

Espectros

Quartzo

Filtros Ópticos

Filtros ópScos são usados sempre que as larguras de banda de fontes de luz

deve ser limitada ou quando intensidades de luz devem ser reduzidas.

Filtros de cor

Filtros de densidade neutra