OPTOELEKTRONİK SİSTEMLER

OPTOELEKTRONİK SİSTEMLER
Kızılötesi Aydınlatma ve Gece Görüş Sistemleri : Özellikle güvenlik sistemlerinde, gerek güvenlik kameraların yerini belli etmemek, gerek çekim yapılan ortamda bulunanları rahatsız etmemek gerek ise enerji tasarrufunda bulunmak amacıyla kızılötesi ışın kaynaklarından yararlanılır. Bir kameranın görünen ışıkta bir nesneyi algılayabilmesi için nesne üzerinde en az 100watt lık bir ışın gücüne ihtiyaç vardır.kameraların kızıl ötesi ışınlara karşı duyarlılığı çok fazla olduğu için 1-2 watt’lık kızıl ötesi ışın gücü aynı nesnenin algılanması için yeterlidir.
Kızıl ötesi aydınlatma sistemlerinde ışın kaynağı olarak genellikle kızıl ötesi LED kullanılır. Bir LED 100-200mW ışın gücüne sahiptir. Aynı zamanda LEDlerin ışıma diyagramları dar bir açıya sahiptir. Bundan dolayı tek bir LED kullanılarak hem geniş alanları kapsamak olanaksızdır hem de algılanacak nesne üzerinde yeterli ışın gücünü oluşturmak olanaksızdır. Bu sorun LED’leri gruplandırarak spot haline getirilerek çözülür. Böylece hem daha geniş alanları kapsamak hem de nesne üzerinde gerekli ışın gücünü elde etmek mümkün olacaktır.
Spotlar kullanım yerine göre kare, dairesel veya sıralı olabilir. Bu spotlar kameranın üzerine monte edilir.
Burada önemli olan minimum sayıda ışın kaynağı kullanarak aydınlatmak istenen düzlemde homojen bir aydınlık düzeyi elde etmek ve karanlık noktaların kalmamasını sağlamaktır.
Ledler seri ve seri-paralel şekillerde bağlanarak spot yapılabilirler.
Açıklanan kızıl ötesi aydınlatma sistemlerinin günümüzde bir çok kullanım alanı vardır. Özellikle düşük güçte çalışması ve kullanılan malzemelerin ucuzluğu bir avantajdır. Spotların basit yapıda oluşları ve boyutlarının küçük olması kullanımı kolaylaştırmaktadır.
Gece görüş cihazlarında, görünmeyen ışınları görünene ışına çeviren sistemler kullanılmaktadır. Herhangi bir spektrumdaki ışınları başka bir spektruma çeviren sistemlere optoelektronik dönüştürücüler denir.
Şekil 37 - Gece görüş sisteminin şeması

Bu dönüştürücüler gece görüş sisteminin temelini oluşturur. Gece görüş sistemleri günümüzde çok geniş kullanım alanlarına sahiptir. Genellikle askeriyede kullanılmakla birlikte günümüzde kullanım amaçları genişlemiştir. Son zamanlarda bazı otomobillerde kullanılmaya başlanmıştır. Cranfield üniversitesi ve Texas İnstrument birlikte bir proje geliştirerek Jaguar marka otomobillere gece görüş sistemi yerleştirmişlerdir.
Şekilde sistem gösterilmiştir. Sistem bir ışık kaynağından , filtreden ve bir kızıl ötesi kameradan oluşur. Işık kaynağının yaydığı ışık filtre ile filtrelenerek kızılötesi bölgeye düşen ışığın geçmesi sağlanır. Cisimden yansıyan bu kızıl ötesi ışık bir kızıl ötesi kamera ile algılanır. Kameranın çıkışı önce dijitale çevrilir, sonra gerekli işlemler yapılmak üzere mikroişlemciye verilir. Mikroişlemcinin çıkışı ise cam üzerinde görüntü oluşturan bir displayin girişine bağlanır. Bu display cam üzerinde cismin görüntüsünü oluşturur.
Ortam özelliklerini ölçüm için geliştirilmiş dijital optoelektronik sistem : Bu optoelektronik sistem genel olarak bir ışın kaynağı ve bu ışın kaynağının ışın şiddetini, haber işareti ile modüle eden sürücüler içeren verici, vericiden çıkan ışınların yol aldığı ortam ve tekrar elektriksel işarete dönüştürüldüğü alıcıdan oluşur.
Şekil 38 - Optoelektronik sistemin blok diyagramı

Vericiden çıkan ışınlar, iletim ortamından geçerken ortamın etkisi ile modüle edilmiş olarak alıcıya ulaşır. Bu nedenle ortamın özelliklerinin bir veya bir kaçının belirlenmesinde optoelektronik sistemlerden de yaralanılabilir.
Şu anda bu amaç için kullanılan optoelektronik sistemlerde işaret fotoalıcıdan alındıktan sonra işaret seviyesi bir kuvvetlendirici yardımı ile istenilen düzeye yükseltilir. Daha sonra bu işaret en az iki işarete ayrılır ve bu işaretlerin birbirleri arasındaki matematiksel bağıntılar bulunur. Doğal olarak bu tür sistemlerde optik kuvvetlendiricinin karakteristiği lineer olmalıdır. Ve kuvvetlendirici çok geniş alanda işaret seviyesinin değişimine ayarlanmış olmalıdır. Ayrıca bu tip sistemlere periyodik test yapılması gerekir.
Bir dalgalı optoelektronik sistemlerin bu dezavantajını ortadan kaldırmak için çok dalgalı optoelektronik sistemler kullanılır. Bu amaçla optik ışınların birinin dalga boyu, ortamın nemi, renk, yoğunluk, bulanıklık şeffaflık gibi niteliklerinden ölçülmek istenen özelliğine max. duyarlı olarak seçilir. Diğer optik ışın ise referans işareti olarak kullanılır. Bu nedenle referans ışını dalga boyu ölçülecek özelliğe duyarsız ancak ortamın toplam etkisine duyarlı seçilir
Klasik ölçü sistemlerinin lineerlikten ve elektronik devrelerden kaynaklanan ölçüm hatalarının bulunması, periyodik bakım ve ayar gereksinimleri bulunmaktadır. Ele aldığımız metotla tasarlanmış optoelektronik sistem, yapı olarak basittir. Klasik sistemdeki kuvvetlendirici, matematiksel işlem blokları gibi katlar bu sistemde mevcut değildir. Bundan dolayı bu katlardan gelecek ölçüm hataları ortadan kalkmaktadır. Hem referans işaret, hem de ölçüm için kullanılan işaret aynı fotoalıcıda algılandığı için fotoalıcının hataları dikkate alınmaz. Sistem karakteristiği kolayca lineerilize edilebilinir. Ölçüm bantı geniştir.
LED –fotodirenç çifti ile tasarlanmış optoelektronik osilatör :Klasik osilatörlerin frekanslarını , devrede kullanılan kondansatörler belirler. Düşük frekans üreten osilatörlerde kullanılan kondansatörlerin kapasitesi, dolayısıyla boyutları çok büyük olmaktadır. Bu da osilatörün entegre ve çip şeklinde tasarlanmasını engeller.
Optoelektronik osilatörlerin frekans belirleyici devrelerinde büyük boyutlu kondansatörler yerine LED-Fotoalıcı çifti kullanılır. Optoelektronik osilatör düşük frekanslı titreşimler üretmek, ışığın şiddetini frekansa dönüştürmek, bir cismin emilme veya yansıma kat sayılarını frekansa dönüştürmek amacıyla kullanılabilir.
Optoelektronik osilatör iki N-P-N tipi transistörden, dirençlerden ve LED-Fotodirenç çiftinden geliştirilmiştir. Devredeki transistörlerin çalışma rejimlerinin R1,R2,R3,R4 dirençleri ve fotodirenç-LED çifti belirler.
Şekil 39 - Optoelektronik osilatörün Şeması

Osilatörün frekansı (devrede bulunan dirençlerin değerleri sabit olmak şartıyla) fotodirencin karanlık ve ışıklandırılmış durumdaki dirençleri ve LED’in akımı ile belirlenir. Çünkü fotodirencin direnci LED’den gelen ışık ile belirlenir. LED’in ışın ise üzerinden geçen akım ile belirlenir.
İleri-Geri sayıcı Optoelektronik sistem : İleri-geri sayıcı iki bağımsız optik kanaldan oluşmaktadır. İleri ve geri sayıcının birinci kanalı IV1-FA1 den oluşmaktadır. İkinci optik kanalı ise IV2-FA2 den oluşmaktadır. Duruma göre ışın verici ile foto alıcı arasındaki mesafe çok olursa geniş açılı ışıma diyagramına sahip ışın verici ve iki fotoalıcı kullanılır.
Her bir optik kanalın çıkışında elde edilen sinyal şekilde gösterildiği gibi bir ileri geri sayıcının girişine verilmektedir.ve engellerin yönüne göre sayım yapılmaktadır
Şekil 40 - Engelin ileri geri hareketine göre fotosinyalin oluşmasını ifade eden diyagramlar

İleri-geri sayıcılar ve yönü anlayan sayıcılar çeşitli amaçla kullanılabilir. Örneğin harekette bulunan cisimde bir yön anlayıcı sistem olarak, bir sayıcı olarak kullanılabilir
Şekil 41 - İleri-Geri sayıcının elektronik şeması

Elektronikte Optoelektronik elemanların kullanılması : Optoelektronik elemanlar günümüzde çok geniş kullanılan elemanlardan biridirler. Optoelektronikte genelde elektroniksel sinyal önce görünen veya kızıl ötesi ışığa çevrilir. Bu ışık ortamdan geçerek fotoalıcının ışığa duyarlı yüzeyine ulaşır. Ve burada foto sinyale çevrilir. Işın vericinin üzerinden bir akım geçerse ve bunu giriş olarak kabul edersek, çıkışı ise bir fotoalıcının akımı olursa, bu iki akım arasında optik bağlantı söz konusudur.
Bu da optoelektroniğin önemli özelliklerinden birini oluşturmaktadır. Elektriksel birimi ışığa çeviren elemana fotovericiler adı verilir. Işığı elektriksel birime çeviren elemanlara da fotoalıcılar denilir.
Elektronikte ışın verici olarak görünen veya kızıl ötesi spektrumlarına sahip yarı iletken ışın vericiler kullanılır. Bunlardan LED, geniş kullanım alanına sahip elemandır. Kullanılan yarıiletken malzemeye göre LED’ler görünen ışık ve kızıl ötesi ışık yayabilirler. Kullanılan LED’e göre LED’in spektrumuna maksimum duyarlı fotoalıcı seçilir.
Elektronikte genelde Silisyumlu fotoalıcılar seçilir. Çünkü bu fotoalıcılar diğer fotoalıcılara göre ısıdan daha az etkilenirler. Elektronikte optoelektronik elemanların kullanıldığı bazı yerler aşağıda verilmiştir.
1- MOSFET sürücü devreleri
2- IGBT sürücü devreleri
3- Elektronik devrelerinde geri besleme elemanı olarak
4-Toplayıcı olarak (iki veya daha fazla sayıdaki birbirinden bağımsız devrelerin sinyallerini bir araya getirmek için)
5- Elektronik devrelerde elemanların durumunu tespit etmek için
6- Elemanların dokunmasız ısı kontrolünü gerçekleştirmede (örneğin yüksek gerilimde çalışan güç elemanları için)
7- Devrede kullanılan sigortaların durumunu belirlemede
Kızıl ötesi Haberleşme sistemleri : Yakın mesafelerde terminaller arası haberleşme de kullanılan sitemlerden birisi, kızıl ötesi ışın yardımıyla yapılan optik haberleşmedir. Günümüzde düşük iletim kayıpları geniş frekans bandı düşük boyut ve ağırlık, dış gürültülerden min. etkilenme, düşük kuruluş maliyeti ve işaret iletimindeki güvenilirlik optik haberleşmeyi ön plana çıkarmaktadır. Optik haberleşme fiberoptik kablolar ile yapılabileceği gibi yakın mesafelerde de kablosuz olarak gerçekleştirilebilir.
Kablosuz çift taraflı haberleşme sistemi hem alıcı hem de verici optik elemanları içeren iki reflektör ve bunların kontrol devrelerinden oluşmuştur.
Şekil 42 - Kızıl ötesi haberleşme sisteminin şeması

Burada: OS-osilatör, M-modülatör, GK-güç katı, PA-kuvvetlendiricidir. Reflektörün verici kısmında ışın verici olarak LED veya Lazer diyot kullanılabilir. Işınlar bir mercek yardımıyla yönlendirilmiştir. Alıcı kısmında ise reflektörün odak noktasına yerleştirilmiş bir fotoalıcı bulunur. Fotoalıcının duyarlı yüzeyi reflektörün yansıyan ışığına doğru yönlendirilmiştir.
Kontrol devresi ise, verici kısım için LED’leri sürmek amacıyla bipolar transistör veya FET’ten oluşan bir güç katı ve bu güç katını kontrol eden bir modülatörden oluşur.
Alıcı kısmında ise fotoalıcıdan alınan işaretler bir ön kuvvetlendiriciye girer. Hem modülatör hem de ön kuvvetlendirici bir osilatör tarafından kontrol edilir. Haberleşme mesafesine etki eden en önemli faktör, haberleşme ortamında ışığın şiddetinin zayıflamasıdır. Zayıflamaya en çok etki eden faktör, ortamdaki su buharı,kabondioksit gazıdır.
Sistemde reflektörler karşılıklı yerleştirilirler, birbirlerinin ışınları maksimum olacak şekilde ayarlanır. Bu ayarlama sırasında test işaretleri kullanılır.
Haberleşme sırasında verici reflektörün modülatörüne haber işareti uygulanır. Bu işaret güç katı yardımıyla LED’in ışının modüle eder. Modüle edilmiş bu ışın ikinci reflektöre yönlendirilir. Alıcı konumundaki reflektörün odağında bulunan fotoalıcı ile tekrar elektriksel işarete çevrilir. Çok düşük seviyede olan bu işaret ön kuvvetlendirici ile istenilen seviyeye ulaştırılır. Her iki reflektörde de alıcı ve vericilerin bulunması, karşılıklı haberleşme olanağı verir.
Sistem bağımsız haberleşme olanağı verir. Sistemde herhangi bir elektromanyetik dalga yaylımı yoktur. Kablo ile bağlantı olması istenilen her yere monte edilme imkanı verir. Çok düşük enerji gereksinimi ile pille bile beslenebilme olanağı verir.
Böyle bir sistem, analog ve sayısal işaretleri transfer edebilir. Bu özelliği ile analog haberleşmede, bilgisayarlar arası iletişimde, alarm sistemlerinde , çok gizli haberleşme de güvenle kullanılabilir.
Kısa mesafede yüksek hızlı haberleşmede kızılötesi sistemler önemli avantajlara sahiptirler. Kızıl ötesi sistemlerde bant genişliği çok geniştir. Bu da yüksek bit hızına ulaşma imkanını verir. Eğer bir odadaki bilgisayarlar kızıl ötesi sistemle birbirine bağlanmış ise bu odadaki bilgisayarlar diğer odadaki bilgisayarı etkilemez, aynı zamanda diğer odadaki bilgisayardan etkilenmez.
Şekil 43 - Kızılötesi ışınlar ile bilgisayarlar arası haberleşme sistemi

Renk Algılama Sistemleri
Renk algılamanın temeli her rengin belli bir dalga boyuna sahip olmasıdır. Genelde renk tekniğinde üç farklı renk kullanılmaktadır. Bunlar mavi (?=430nm ), yeşil (?=500nm ), kırmızı (?=650nm ) renkleridir. Bu temel renkler ile çeşitli renkler oluşturulabilirler. Bu renklerin karıştırılması ile diğer renkler elde edilir. Örneğin yeşil ile kırmızının karıştırılması ile sarı renk elde edilir.
Günümüzde çeşitli alanlarda renk algılama problemleri vardır. Bu problemi çözmek için renk algılayıcı sistemlere ihtiyaç vardır.
Renk algılama olayı iki yolla çözülebilir: 1- Analog yöntem 2- dijital yöntem Şekilde analog renk algılama sisteminin spektrum diyagramları ve şeması gösterilmiştir. Burada ışın verici olarak geniş spektrumlu kullanılmaktadır. Burada IV; ışın verici KF; kesici filtre; Fm, Fy, Fk; mavi yeşil ve kırmızı spektrumlu filtreler, FA1, FA2, FA3; fotoalıcılar K1, K2, K3 ;kuvvetlendiriciler Um, Uy, Uk; mavi yeşil ve kırmızı renklere ait çıkış gerilimleridir.
Işın vericiden gelen ışınlar renkli cismin üzerine düşmektedir. Cisimden yansıyan ışınlar fotoalıcılar ile elektriksel işarete dönüştürülür ve kuvvetlendirilerek çıkışa verilmektedir. Örneğin cisim kırmızı renkli ise yansıyan ışınlar kırmızı renge duyarlı fotoalıcı ile algılanır. Ve bu renge ait çıkışta bir gerilim oluşmaktadır.
Şekil 44 - Analog renk algılama sisteminin şeması ve spektrum diyagramı

Renk tesbiti dijital olarak ta gerçekleştirilebilir, bunun için üç farklı renkte monokromatik ışın vericilere ihtiyaç vardır. Burada ışın verici olarak lazerler veya LEDler kullanılabilir. Her bir ışın vericinin ışınları bu ışınlara duyarlı fotoalıcılar ile algılanır. Dijital renk algılama sisteminde ışın verici olarak lazerler veya LEDler kullanıldığından çok hızlı renk algılama sistemleri geliştirilebilir