Гэрэл Мэдрэгч: Гэрлийг Хэрхэн Мэдэрдэг вэ?

Гэрэл гэж яг юу вэ?

Физикийн утгаар гэрэл — цахилгаан соронзон долгионы тодорхой мужид харгалзах энергийн хэлбэр юм. Долгионы уртаар хэмжигддэг бөгөөд хүний нүдэнд харагдах муж нь 400–700 нанометр (nm) хооронд байдаг.

Гэрэл бол нэгэн зэрэг долгион (wave) болон бөөм (particle) шинжтэй. Энэ хоёрдмол шинжийг долгион-бөөмийн дуализм гэнэ. Сенсорын тогтолцоонд бөөмийн шинж — фотон — голлон үүрэг гүйцэтгэнэ.

Фотон нь гэрлийн хамгийн жижиг нэгж бөгөөд масс-гүй, харин энерги агуулдаг. Түүний энергийг Планкийн томьёогоор тодорхойлно:

Планкийн энергийн томьёо

E=h·f     эсвэл     E=h·c/λ

E— фотоны энерги (J)  

h— Планкийн тогтмол (6.626×10⁻³⁴ Js)  

f— давтамж (Hz)

c— гэрлийн хурд (3×10⁸ m/s)  

λ— долгионы урт (m)

Долгионы урт богиносох тусам энерги нэмэгддэг. Тиймээс хэт улаан туяа (IR) нь харагдах гэрлээс бага энергитэй, хэт ягаан туяа (UV) нь илүү их энергитэй байдаг. Хэт улаан IR >700nm Харагдах гэрэл 400nm 700nm Хэт ягаан UV <380nm Ягаан Цэнхэр Ногоон Шар Улаан Цахилгаан соронзон цацаргалтын харагдах муж ба түүний хил зааг

Гэрлийг яаж мэдэрдэг вэ?

Гэрэл мэдрэгч сенсорын гол үндэс нь фотоэлектрийн үзэгдэл юм. 1905 онд Альберт Эйнштейн энэ үзэгдлийг тайлбарлаж, Нобелийн шагнал хүртсэн.

Фотон металл буюу хагас дамжуулагч материалын гадаргуунд тусахад электрон сулраад гарч болно. Гарах эсэхийг фотоны энерги.

Хагас дамжуулагч материалд фотон тусахад түүний энерги электроныг валентын зурвасаас дамжуулалтын зурвас руу шилжүүлдэг. Энэ нь цахилгаан гүйдэл үүсгэдэг яг л гэрэл мэдрэх механизм нь энд оршдог.

Фотоэлектрийн гол тэгш байдал

E_{кинетик}=hf−Φ

hf— фотоны энерги  

Φ— гаргалтын ажил (материалаас хамаарна)  

E_кин— суллагдсан электроны кинетик энерги

Хагас дамжуулагчид хоёр төрлийн гэрлийн хариу урвал явагддаг:

Дотоод фотоэлектрийн үзэгдэл: Электрон материалаас гарахгүй, харин чөлөөт дамжуулагч болж хувирна. Ийм аргаар фотодиод, фотоэлемент ажилладаг.

Гадаад фотоэлектрийн үзэгдэл: Электрон материалын гадаргуунаас бүрэн тусдаана. Гэрэл үржүүлэх хоолой (фотомультиплиер) энэ зарчмаар ажилладаг.

Гэрэл мэдрэгдэх хүчин зүйлс

Гэрэл мэдрэгч сенсорын гаралтын утгад нөлөөлдөг хэд хэдэн физик, орчны хүчин зүйлс байдаг:

• Гэрлийн өнгө буюу долгионы урт

  • Өөр өөр өнгийн гэрэл өөр өөр хэмжээний давтамжтай байдаг. Сенсор бүр нэг тодорхой өнгийн гэрэлд хамгийн сайн хариу үзүүлдэг. Жишээлбэл, утасны камерт хэрэглэгддэг кремний сенсор хүний нүдэнд үл харагдах хэт улаан туяанд(infrared) 900–1000nm хамгийн мэдрэмтгий байдаг. Тиймдээ л зурагтын удирдлага камераар харвал цагаан гэрэл гэрэлтэж харагддаг.

• Гэрлийн хүч буюу эрчим

  • Гэрэл хурц тод байх тусам сенсорт илүү олон фотон тусаж, улмаар илүү их цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Энэ хамаарал шулуун шугаман байдаг. Гэрэл 2 дахин нэмэгдвэл гүйдэл ч ойролцоогоор 2 дахин нэмэгддэг. Гэхдээ хэт их гэрэл тусвал сенсор ханалтад хүрч, улам гэрэл нэмсэн ч гаралт нэмэгдэхгүй болдог. Яг л аяга усаар дүүрсний дараа улам их ус хийвэл асгардагтай адил.

• Температур

  • Дулаан нэмэгдэхэд хагас дамжуулагч доторх атомууд илүү их хөдөлж, гэрэл огт тусаагүй байсан ч санамсаргүй цахилгаан гүйдэл үүсгэж эхэлдэг. Хэмжих ёстой жинхэнэ дохионы утга алдаатай болдог. Тиймдээ л нарийн телескоп, эмнэлгийн тоног төхөөрөмжийн сенсорыг хөргөж ажиллуулдаг.

• Тусах өнцөг

  • Нарны туяа газарт шулуун перпендикуляр тусах үед дулаан хамгийн их мэдрэгддэг, харин өдрийн эхэнд налуу тусахад сул мэдрэгддэгтэй яг адилхан зарчим. Гэрэл сенсорт шулуун тусах үед бүх фотон нэг цэгт төвлөрдөг тул хэмжилтийн утга илүү нарийн байна. Налуу тусах үед ижил хэмжээний гэрэл илүү том талбайд тархдаг тул нэгж талбайд хүрэх фотон цөөрч хэмжилтийн утгын нарийвчлал багасна .

• Дохио ба шуугиан

  • Радиог чанга дуугаар тавихад дуу хөгжим тодорхой сонсогддог, харин дуу нь намхан байхад ар талын шуугиан давамгайлж, яг юу дуулж байгааг ялгахад бэрх болдог. Сенсорт мөн адил зүйл тохиолддог. Хэмжих гэж байгаа жинхэнэ дохио болон цахилгаан хэлхээнд байнга үүсдэг санамсаргүй шуугианы харьцаа чухал байдаг. Энэ харьцааг SNR (Signal-to-Noise Ratio) гэнэ. SNR бага байх тусам сенсор илүү нарийн хэмждэг.

Мэдрэгчийн бүтэц, материал ба төрлүүд

Гэрэл мэдрэгч сенсор хийхэд хагас дамжуулагч материал хэрэглэдэг. Хагас дамжуулагч гэдэг нь зэс шиг цахилгаан сайн дамжуулдаг ч биш, резин шиг огт дамжуулдаггүй ч биш дунд зэргийн материал. Гэрэл тусахад дотор нь электрон суларч, цахилгаан гүйдэл урсдаг онцлогтой учир сенсорт тохиромжтой.

Ямар материал хэрэглэдэг вэ?

Материал бүр өөр өөр өнгийн гэрэлд мэдрэмтгий байдаг. Хэрэгцээнээс шалтгаалан зөв материалыг сонгодог:

• Цахиур — Si (400–1100nm)

  • Хамгийн өргөн хэрэглэгддэг материал. Харагдах гэрэл болон хэт улаан туяаны зарим хэсгийг мэдэрдэг. Утасны камер, нарны зай, гэр ахуйн ихэнх сенсор энэ материалаар хийгдсэн байдаг. Үйлдвэрлэхэд хямд, найдвартай.

• Германи — Ge (600–1600nm)

  • Хэт улаан туяанд (IR) илүү мэдрэмтгий. Шөнийн харааны камер, дулааны сенсорт хэрэглэгддэг. Цахиур-аас үнэтэй ч IR мужид хавьгүй давуу.

• Галли арсенид — GaAs

  • Гэрэл ялгаруулах диод (LED) болон нарны зайд тохиромжтой. Нарны зайн үр ашгийн хувьд цахиур - аас илүү. Сансрын хиймэл дагуулын нарны зайд голчлон хэрэглэдэг.

• Индий галий арсенид — InGaAs (900–1700nm)

  • Шилэн кабелийн интернет дамжуулалтад ашигладаг долгионы мужид хамгийн сайн ажилладаг. Өндөр хурдны интернет холбооны бараг бүх шилэн кабелийн сенсор InGaAs материалтай.

Дээр дурдсан материалуудын ихэнхэд нэг нийтлэг бүтэц байдаг P-N Junction. Үүнийг ойлгоход л ихэнх сенсорын ажиллах зарчим тодорхой болно.

Сенсорын төрлүүд — хэрэгцээнээс шалтгаалсан хувилбарууд

• Фоторезистор (LDR)

  • Гэрэл тусахад эсэргүүцэл нь буурдаг гэрэл ихсэх тусам цахилгаан илүү сайн дамжина. Хамгийн энгийн бүтэцтэй, хямд учир гэрэлтүүлгийн автомат унтраалга, хүүхдийн тоглоом зэрэгт өргөн хэрэглэгддэг. P-N junction биш, өөр зарчмаар ажилладаг цорын ганц төрөл.

• Фотодиод

  • P-N junction хамгийн цэвэр хэлбэр. Гэрэл тусахад шууд цахилгаан гүйдэл үүсдэг. Хариу урвал маш хурдан (наносекунд) тул лазерын дохио хүлээн авах, оптик холбоо, нарийн хэмжилтэнд хэрэглэдэг.

• Фототранзистор

  • Фотодиодтой адил гэрлийг мэдэрдэг ч доторх транзистор дохиог автоматаар 100–1000 дахин өсгөдөг. Сул гэрэлд ч тодорхой дохио гарддаг. Гэхдээ хурд харьцангуй удаан. Тоологч, дохиолол зэрэгт хэрэглэдэг.

• CCD / CMOS сенсор

  • Сая сая жижиг фотодиодыг нэг чипэн дэр хавтгай дарааллаар байрлуулсан матриц. Пиксель бүр тусдаа гэрлийн хэмжилт хийж, нийлүүлснээр дүрс үүсдэг. Таны утасны камерын сенсор ийм бүтэцтэй.

• Avalanche фотодиод (APD)

  • Нэг ганц фотон тусахад ч илрүүлж чадах хамгийн мэдрэмтгий сенсор. Фотоноос суларсан электрон хурдасч, өөр электронуудыг "цохиж" гинжин урвал үүсгэдэ. Ингэж маш бага дохиог асар өндөр өсгөлтөөр томруулдаг. LIDAR, квантын харилцаа холбоонд хэрэглэдэг.

Амьдрал дээр яаж ашигладаг вэ?

• ---

  Гар утасны дэлгэцийн гэрэл тохируулга

  • Ambient light sensor нь орчны гэрлийг хэмжиж, дэлгэцийн тод байдлыг автоматаар тохируулна. Нүдний ядаргаа бага болж, батерейг хэмнэдэг.

• Автомашиний их гэрэл

  • Фоторезистор буюу фотодиод орчны гэрлийн хэмжигдэхүүнийг байнга хянаж, харанхуй болмогц гэрлийг автоматаар асаадаг.

• Үйлдвэрийн шугамын хяналт

  • Гэрлийн хориг (photointerrupter) ашиглан конвейерийн шугам дах бүтээгдэхүүний тоо, байрлал, хэмжээг нарийн хэмждэг.

• Утааны мэдрэгч

  • Photoelectric smoke detector нь гэрлийн туяаг тогтмол илгээж, утааны бөөмс тусах үед гэрэл тархалт өөрчлөгдөхийг илрүүлнэ.

• Ухаалаг хөдөө аж ахуй

  • PAR (Photosynthetically Active Radiation) сенсор нь ургамлын фотосинтезэд ашиглагдах гэрлийн тунг хэмжиж, хиймэл гэрэлтүүлгийг оновчтой удирдана.

• Гэх мэт олон технологид гэрэл мэдрэгчийг ашигладаг

https://youtu.be/aPsiI7XygRs?si=tFdf0DIUIreD-xIY