4-sensores opticos

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Carlos Canto Q.Carlos Canto Q.

SENSORES ÓPTICOSSENSORES ÓPTICOS

Sensores ópticosSensores ópticosSensores ópticosSensores ópticos

•LA LUZ•FOTORESISTENCIA (LDR)•FOTODIODO Y FOTOTRANSISTOR•CELDAS SOLARES•SENSOR DE IMÁGEN CCD

Sensores ópticos o FotodetectoresSensores ópticos o Fotodetectores



Son aquellos dispositivos que varían algún Son aquellos dispositivos que varían algún parámetro eléctrico en función de la luz parámetro eléctrico en función de la luz recibidarecibida.

Todos los componentes fotodetectores están basados en el mismo principio. Si construimos un componente con un material semiconductor de manera que la luz pueda incidir sobre dicho material, la luz generará pares electrón - hueco.

Ejemplo de Sensores ópticos :Ejemplo de Sensores ópticos :Fotorresistencias Fotodiodos Fototransistores CCD







¿Qué es La Luz ?¿Qué es La Luz ?

http://en.wikipedia.org/wiki/Image:PrismAndLight.jpg




¿Qué es La Luz ?¿Qué es La Luz ?Es una radiación electromagnética con una Es una radiación electromagnética con una longitud de onda que es visible al ojo (luz longitud de onda que es visible al ojo (luz visible).visible). La partícula elemental que define la luz es el La partícula elemental que define la luz es el fotón. fotón.

Las tres dimensiones básicas de la luz son:Las tres dimensiones básicas de la luz son:•Intensidad (o amplitud),Intensidad (o amplitud), la cual es relacionada a la percepción humana de brillantez de la luz •Frecuencia ( o longitud de onda)Frecuencia ( o longitud de onda), percibido por el humano como el color de la luz

•Polarización ( o ángulo de vibración ),Polarización ( o ángulo de vibración ), la cual el humano solo lo percibe levemente bajo circunstancias ordinarias.

Onda ElectromagnéticaOnda Electromagnética

Las ondas de luz no necesitan de un medio para viajar, pueden viajar a través del vacío. Una onda de luz consiste de energía en la forma de un campo eléctrico y magnético. Los campos vibran en ángulos rectos a la dirección del movimiento de la onda, y en ángulos rectos uno de otro, debido a que la luz tiene ambos, campos eléctrico y magnético, también conocidos como radiación electromagnética.






La radiación electromagnética está formada por fotones. Cada fotón lleva asociada una energía que se caracteriza por su longitud de onda según la ecuación

Donde:E = energía del fotón E = energía del fotón c = velocidad de la luz 3·10 m/s c = velocidad de la luz 3·10 m/s h = constante de Planck h = constante de Planck l= longitud de onda del fotón. l= longitud de onda del fotón.

La luz, no es mas que una parte de la radiación electromagnética que es capaz de excitar las células de la retina del ojo.




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ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO




El espectro visibleEl espectro visible• La luz visible forma parte de una estrecha

franja que va desde longitudes de onda de 380 nm (violeta) hasta los 780 nm (rojo).

• Los colores del espectro se ordenan como Los colores del espectro se ordenan como en el arco iris, formando el llamado en el arco iris, formando el llamado espectro visibleespectro visible.

• Frecuencia y longitud de onda se relacionan por la expresión:




Velocidad de la luz• La velocidad de la luz en el vacío, según la Teoría de la

Relatividad de Einstein, es una constante para todos los observadores y se representa mediante la letra c (del latín celeritas). En el Sistema Internacional de Unidades se toma el valor:

c = 299,792.458 m/s c = 299,792.458 m/s • A esta increíble velocidad, ¡la luz podría girar más de A esta increíble velocidad, ¡la luz podría girar más de

siete veces alrededor de la Tierra en cada segundo!siete veces alrededor de la Tierra en cada segundo!• La luz viaja más rápidamente en el vacío, y se mueve

más lentamente en materiales como agua o vidrio.




Nuestros ojos son más sensibles a los Nuestros ojos son más sensibles a los colores del amarillo al verde. colores del amarillo al verde.

Las ondas de luz tienen longitudes de onda entre 400 y 700 nanómetros (4 000 y 7 000 Å). A medida que el arcoiris se llena de matices, nuestros ojos perciben diferentes longitudes de ondas de luz. La luz roja tiene longitudes de onda relativamente largas, aprox. 700 nm (10 metros) de largo.




La luz azul y la luz morada tienen ondas cortas, aprox. 400 nm.La luz azul y la luz morada tienen ondas cortas, aprox. 400 nm. Las ondas más cortas vibran a mayores frecuencias, y tienen energías Las ondas más cortas vibran a mayores frecuencias, y tienen energías más elevadas.más elevadas. Las luz roja tiene una frecuencia aproximada de 430 terahertz, Las luz roja tiene una frecuencia aproximada de 430 terahertz, mientras que la frecuencia de la luz azul es de aproximadamente 750 mientras que la frecuencia de la luz azul es de aproximadamente 750 terahertz.terahertz.

Respuesta del ojo humanoRespuesta del ojo humano

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En la retina tenemos dos tipos de sensoresEn la retina tenemos dos tipos de sensores:

• CONOS: CONOS: concentrados en el área central de la retina (conocida como fóvea) y se caracterizan porque 'ven' los colores y tienen una sensibilidad media (definiendo la sensibilidad como la luz mínima apreciable)

• BASTONES:BASTONES: Se concentran en el resto de la retina. Al contrario que los conos, los bastones 'ven' en blanco y negro y su sensibilidad es mucho mayor.

En condiciones de luminosidad normales lo que más se usan son En condiciones de luminosidad normales lo que más se usan son los conos. En esta situación el iris está dilatado y por tanto sólo los conos. En esta situación el iris está dilatado y por tanto sólo usamos la fóvea para ver. Por tanto la fóvea la podemos ver como usamos la fóvea para ver. Por tanto la fóvea la podemos ver como la zona donde la resolución del ojo es máxima (y se denomina la zona donde la resolución del ojo es máxima (y se denomina visión foveal)visión foveal)

A oscuras, el iris se contrae y vemos con los bastones. Por eso a A oscuras, el iris se contrae y vemos con los bastones. Por eso a oscuras 'todos los gatos son pardos' como quien dice :)oscuras 'todos los gatos son pardos' como quien dice :)




Respuesta del ojo humanoRespuesta del ojo humano

Visión escotópica y fotópicaVisión escotópica y fotópica

• Los bastones son sensibles a niveles muy bajos de Los bastones son sensibles a niveles muy bajos de iluminación y iluminación y son los responsables de nuestra son los responsables de nuestra capacidad de ver con poca luz (visión escotópica).capacidad de ver con poca luz (visión escotópica).

• Contienen un pigmento cuyo máximo de sensibilidad Contienen un pigmento cuyo máximo de sensibilidad se halla en la zona de los 510 nanómetros (o sea, la se halla en la zona de los 510 nanómetros (o sea, la zona de los verdes).zona de los verdes).

• Al pigmento de los bastones, la rodopsina, suele Al pigmento de los bastones, la rodopsina, suele llamarse 'púrpura visual', ya que cuando los químicos llamarse 'púrpura visual', ya que cuando los químicos logran extraerlo en cantidad suficiente, tienen una logran extraerlo en cantidad suficiente, tienen una apariencia púrpura.apariencia púrpura.

• La visión La visión escotópicaescotópica carece de colorcarece de color, ya que una , ya que una función de sensibilidad con un espectro único es ajena función de sensibilidad con un espectro único es ajena al color, por lo que la visión escotópica es al color, por lo que la visión escotópica es monocromáticamonocromática..




Respuesta del ojo Respuesta del ojo humanohumano




• Los conos son los que proporcionan la visión en color (visión fotópica).

• Hay tres clases de conos. Cada una de ellos contiene un pigmento fotosensible distinto. Los tres pigmentos tienen su capacidad máxima de absorción hacia los 430, 530 y 560 nanómetros de longitud de onda, respectivamente.

• Por eso se les llama "azules", "verdes" y "rojos“, por el supuesto 'color de la luz' al que tienen una sensibilidad óptima.

¿QUÉ ES EL INFRARROJO?¿QUÉ ES EL INFRARROJO?

• Nuestros ojos son detectores que han ido Nuestros ojos son detectores que han ido evolucionando para detectar ondas de luz visible.evolucionando para detectar ondas de luz visible.

• La luz visible es uno de los pocos tipos de radiación La luz visible es uno de los pocos tipos de radiación que puede penetrar nuestra atmósfera y que es que puede penetrar nuestra atmósfera y que es posible detectar desde la superficie de la Tierraposible detectar desde la superficie de la Tierra

• también llegan a la superficie de la tierra desde el también llegan a la superficie de la tierra desde el espacio ondas de radio, una parte del espectro espacio ondas de radio, una parte del espectro infrarrojo y una parte muy pequeña de radiación infrarrojo y una parte muy pequeña de radiación ultravioleta.ultravioleta.

• Afortunadamente, nuestra atmósfera bloquea el resto Afortunadamente, nuestra atmósfera bloquea el resto de la radiación, la cual es muy peligrosa y hasta de la radiación, la cual es muy peligrosa y hasta mortal para las formas de vida en la Tierramortal para las formas de vida en la Tierra




• Los vecinos de la luz visible en el espectro EM son la radiación Los vecinos de la luz visible en el espectro EM son la radiación infrarroja de un lado, y luz ultravioleta del otro lado. infrarroja de un lado, y luz ultravioleta del otro lado.

• La radiación infrarroja tiene longitudes de ondas más largas La radiación infrarroja tiene longitudes de ondas más largas que la luz roja, es por esto que oscila a una frecuencia menor que la luz roja, es por esto que oscila a una frecuencia menor y lleva consigo menor energía. y lleva consigo menor energía.

• La radiación ultravioleta tiene longitudes de ondas más cortas La radiación ultravioleta tiene longitudes de ondas más cortas que la luz azul o violeta, por lo que oscila más rápidamente, y que la luz azul o violeta, por lo que oscila más rápidamente, y porta mayor cantidad de energía por protón que la luz visible. porta mayor cantidad de energía por protón que la luz visible.





• El término El término infrarrojo cercanoinfrarrojo cercano se refiere a la parte del se refiere a la parte del espectro infrarrojo que se encuentra más próxima a espectro infrarrojo que se encuentra más próxima a la luz visiblela luz visible

• el término el término infrarrojo lejanoinfrarrojo lejano denomina la sección más denomina la sección más cercana a la región de las microondas. cercana a la región de las microondas.

• La fuente primaria de la radiación infrarroja es el La fuente primaria de la radiación infrarroja es el calor o radiación térmicacalor o radiación térmica. .





• Cualquier objeto que tenga una Cualquier objeto que tenga una temperatura superior al cero temperatura superior al cero absoluto (-273,15 °C, o 0 grados absoluto (-273,15 °C, o 0 grados Kelvin), irradia ondas en la banda Kelvin), irradia ondas en la banda infrarroja. infrarroja.

• Incluso los objetos que Incluso los objetos que consideramos muy fríos -por consideramos muy fríos -por ejemplo, un trozo de hielo-, emiten ejemplo, un trozo de hielo-, emiten en el infrarrojo. en el infrarrojo.

• Cuando un objeto no es Cuando un objeto no es suficientemente caliente para suficientemente caliente para irradiar ondas en el espectro irradiar ondas en el espectro visible, emite la mayoría de su visible, emite la mayoría de su energía como ondas infrarrojasenergía como ondas infrarrojas.





•Por ejemplo, es posible que un trozo de carbón Por ejemplo, es posible que un trozo de carbón encendido no emita luz visible, pero que sí emita la encendido no emita luz visible, pero que sí emita la radiación infrarroja que sentimos como calor. radiación infrarroja que sentimos como calor. Mientras más caliente se encuentre un objeto, tanta Mientras más caliente se encuentre un objeto, tanta más radiación infrarroja emitirá.más radiación infrarroja emitirá.

• En la oscuridad, los detectores infrarrojos En la oscuridad, los detectores infrarrojos pueden ver objetos que no es posible ver con pueden ver objetos que no es posible ver con luz visible, gracias a que dichos objetos luz visible, gracias a que dichos objetos irradian calor.irradian calor.

• Las víboras de la familia de los crótalos, Las víboras de la familia de los crótalos, tales como las serpientes de cascabel, tienen tales como las serpientes de cascabel, tienen una hendidura sensorial entre los ojos y la una hendidura sensorial entre los ojos y la nariz que utilizan para detectar luz infrarrojanariz que utilizan para detectar luz infrarroja. .

• Así, la cascabel puede detectar animales de Así, la cascabel puede detectar animales de sangre caliente por el calor infrarrojo que sangre caliente por el calor infrarrojo que irradian, incluso en la oscuridad. irradian, incluso en la oscuridad.

• Se cree que víboras que tienen dos Se cree que víboras que tienen dos hendiduras sensoriales perciben una visión hendiduras sensoriales perciben una visión en tres dimensiones en el infrarrojo. en tres dimensiones en el infrarrojo.





PROPIEDADES ÓPTICAS DE LA LUZ

• Cuando la luz incide sobre un cuerpo, su comportamiento varía según sea la superficie y constitución de dicho cuerpo, y la inclinación de los rayos incidentes, dando lugar a los siguientes fenómenos físicos:




ABSORCIÓN: Al incidir un rayo de luz visible sobre una superficie negra, mate y opaca, es absorbido prácticamente en su totalidad, transformándose en calor.




REFLEXIÓN: Cuando la luz incide sobre una superficie lisa y brillante, se refleja totalmente en un ángulo igual al de incidencia (REFLEXIÓN ESPECULAR). Si la superficie no es del todo lisa, y brillante, refleja sólo parte de la luz que le llega y además lo hace en todas direcciones. A este fenómeno se le conoce con el nombre de REFLEXIÓN DIFUSA, y es la base de la. Teoría del Color

La Teoría del Color, dice que: al incidir sobre un objeto un haz de ondas de distinta longitud, absorbe unas y refleja otras, siendo estas últimas las que en conjunto determinan el color del objeto




Es el fenómeno por el cual la luz puede atravesar objetos no opacos. La transmisión es DIRECTA cuando el haz de luz se desplaza en el nuevo medio íntegramente y de forma lineal. A estos medios se les conoce como TRANSPARENTES.




Existe un tercer tipo de transmisión, la SELECTIVA que ocurre cuando ciertos materiales, vidrios, plásticos o gelatinas coloreadas dejan pasar sólo ciertas longitudes de onda y absorben otras, como es el caso de los filtros fotográficos.

La transmisión es DIFUSA, si en el interior del cuerpo el rayo se dispersa en varias direcciones, tal como ocurre en el vidrio opal, ciertos plásticos, papel vegetal, etc. A estos materiales se les denomina TRANSLUCIENTES.

Cuando los rayos luminosos inciden oblicuamente sobre un medio transparente, o pasan de un medio a otro de distinta densidad, experimentan un cambio de dirección que está en función del ángulo de incidencia ( a mayor ángulo mayor refracción), de la longitud de onda incidente ( a menor longitud de onda mayor refracción), y del índice de refracción de un medio respecto al otro.










Uno de los factores que afectaban a la refracción, era la longitud de onda de la luz incidente. Como la luz blanca es un conjunto de diversas longitudes de onda, si un rayo cambia oblicuamente de medio, cada una de las radiaciones se refractará de forma desigual, produciéndose un separación de las mismas, desviándose menos las de onda larga como el rojo y más las cercanas al violeta. Un prisma produce mayor difracción porque además, al no ser sus caras paralelas, los rayos refractados han de recorrer un camino aún mayor que provoca, al salir el rayo, una refracción más exagerada .




Es la desviación de los rayos luminosos cuando inciden sobre el borde de un objeto opaco . El fenómeno es más intenso cuando el borde es afilado. Aunque la luz se propaga en línea recta, sigue teniendo naturaleza ondulatoria y, al chocar con un borde afilado, se produce un segundo tren de ondas circular, al igual que en un estanque. Esto da lugar a una zona de penumbra que destruye la nitidez entre las zonas de luz y sombra.




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