スライド 1

Size: px

Start display at page:

Download "スライド 1"

れれおおかわち
5 years ago
Views:

1 スクーリング ( 教養科目 : 物理が拓いた世界 ) 今井元 4. 光自然光効果太陽光生物光紫外線 : 殺菌など赤外線 : 暖房など人工光蛍光燐光レーザ LEDの発明 1

2 光についての考察太陽光 : 連続スペクトル離散的なスペクトルの集積 E = Σm n= 1 h ν n 2

3 参考 1. 黒体輻射黒体の温度 1000 K 縦軸輻射密度 [J/m 3 ] 用いた式プランクの式ウイ-ンの式レイレイジ-ンズの式プランクの公式 dw( ν ) = 8πV c 3 hν 3 ( hν kt ) exp ( hν kt 1 e ) dν 3

4 4

5 波長 [nm] 振動数 [Hz] 紫 (violet/purple) 青 (blue) 緑 (green) 黄 (yellow) 橙 (orange) 赤 (red)

6 波長領域振動数電波 (radio) mm,cm,m,km ~10 12 Hz 赤外線 (infrared) μm ~10 13 可視光線 (visual) 0.5μm ~10 14 紫外線 (ultraviolet) nm,μm ~10 16 X 線 (X-ray) A,0.1nm ~10 19 γ 線 (gamma-ray) 0.001nm ~

7 光の混合 (1)1 波の場合 λ 1 λ

8 光の混合 (2)2 波の場合例 λ 2 λ 1 λ

9 光の混合 (2)2 波の場合例 λ 1 λ 10 λ

10 光の混合 (2)2 波の場合例 λ1 λ 20 λ

11 光の混合 (3)3 波の場合 λ 1 λ 10 λ 20 λ

12 光の混合 (4)20 波の場合 λ λ 20 λ

13 参考 2. 光の強度と電界の関係 I : E I = ε c 0 2 E 2 強度は電界の 2 乗に比例する 13

14 光速 (C) について c = λ ν 位相速度 υ = = p c 0 光波の速度 ω k ν λ c : 振動数 : 波長 : 速さ群速度パルス光の移動速度 υ g = dω dk = 1 υ k p dυ p dω 14

半導体レーザによる高速測定伝播距離 :7.52m 光速を 5% の精度で決定計算値 8 7.

15 半導体レーザによる高速測定伝播距離 :7.52m 光速を 5% の精度で決定計算値 [ m ] 25.5[ ns] = [ m/ s] ( [m / s]) 15

16 0 よく間違えること周期 X=a t 波数 : k 角周波数 :ω 2π ω = = λ c 2πν = 0 波長 x E = i E 0 e ( ωt kx ) t 時間で x=a の場所での波は x=0 の光を a/c 時間前に通過した波が届いている 16

17 光の直進性レーザ光 : ガウス型ビーム d θ λ d (rad) θ 地球新ピンポン玉 (40mm) 地球と月の比較 38 万 4400km 1m10cm 月パチンコ玉 (11mm) 月まで届くとおよそ 100km の広がり 17

18 紫外線について X 線紫外線 C 紫外線 B 紫外線 A 可視光線赤外線波長 [nm] 紫外線 A(320~400[nm]) 紫外線 B(280~320[nm]) 紫外線 C(280 以下 [nm]) 皮膚の内部まで届く皮膚の表面まで届く地表には届かない 18

19 測定原理検出の仕方散乱光源反射光源キセノンランプタングステンランプ試料 ( セル ) 試料透過試料日焼け止め PA+ PA+++ 19

20 紫外領域透過スペクトル 0.1 透過率 0.05 PA+++ PA+ 紫外線 A 波長 [nm] 20

21 紫外領域散乱スペクトル 0.5 散乱率 0.25 PA+ PA 紫外線 A 400 波長 [nm] 21

22 紫外領域反射スペクトル 0.1 反射率 0.05 PA+ PA 紫外線 A 400 波長 [nm] 22

23 物体の色光源反射光相互作用物体吸収反射光が目の網膜に結像色 23

24 光源による違い白熱灯蛍光灯黄緑色緑色光源により色は異なる 24

25 色と光の対応短い波長 ( 一つの波の長さ ) 長い紫外線 380nm 可視光 780nm 赤外線紫緑赤波長に対する強度分布の違いスペクトル色 25

26 色の認識について網膜で受光視細胞桿体 - 光の明暗錐体 - 色の識別錐体は 3 種類波長により感度が異なる刺激量の相対関係で色の見え方が決まる 26

27 27

28 目の感度相対強度色に対する目 ( 錐体 ) の感度 y (λ) z(λ) x (λ) 色の計算 X = Y = Z = L( λ) p L( λ) p L( λ) p ( λ) x( λ) ( λ) y( λ) dλ dλ ( λ) z( λ) dλ 波長 [nm] 色光源目の感度物体の特性 28

29 色度座標と色度図色度座標色度図 x y = = X X X + Y Y + Y + + Z Z X Y Z: 三刺激値 29

30 情報通信の過去 ~ 昔々 ~ 11 世紀半ば中国元時代のろしが考えられる 16 世紀日本では武田信玄ののろしによる情報通信網山梨を中心としたのろしによる情報伝達経路をつくった印はのろし台の位置現代の新幹線とあまり変わらない伝達速度須玉町歴史資料館より北杜市観光協会より 30

31 オフィス 1 通信ネットワーク Terabit capacity 家庭 2 幹線局 ISP2 ISP1 家庭 1 ローカル局 ( ルータ ) オフィス 2 31

コンピュータの歴史 1 1820 年イギリスのバベッジ階差機関 1834 年同バベッジ解析機関 (

32 コンピュータの歴史年イギリスのバベッジ階差機関 1834 年同バベッジ解析機関 ( 現在のコンピュータの原形 ) 時代は流れて 1940 年代真空管を使った最初のコンピュータが作られる 32

33 コンピュータの歴史 2 左の図に示すしくみが新しい部品 ( デバイス ) で進化していきました真空管リレートランジスタ IC ( 集積回路 ) LSI ( 大規模集積回路 ) さらに進化しています 33

34 電磁波について 1K 10K 100K 1M 10M 100M 1G 10G 100G 1T 10T 振動数 Hz 超波長長波中波短波 TV VHF UHF SHF EHF マイクロ波ミリ波サブミリ波電波 100T 1P 10P 100P 1E 10E 100E 赤外線可視光線紫外線 X 線 α 線 34

35 メディアの違いに対する伝送周波数の依存性使用周波数幅伝送周波数 ( デジタル ) 音声 ~20kHz 6.4kbps( 圧縮 ) 80Kbps 必要画像 4MHz 32Mbps ハイビジョン 32MHz 256Mbps 35

36 海底ケーブルシステム KDDI 36

37 37

38 光ファイバ通信システムの特徴 (1) 光ファイバ入力信号送信機受信機出力信号 IC 半導体レーザ (LED) PD IC 光ファイバ特徴適用分野石英材料軽量細い低損失広帯域豊富な資源電磁誘導に強いケーブル化敷設が容易長距離大容量光アクセス LAN 幹線系海底ケーブル 38

39 光通信の特徴雑音電磁誘導に強い中継距離が長い軽い ( 光ファイバ ) 小さい電気的に絶縁できる地球 ( 参考 ) 衛星通信 6 倍 4 万 Km 6 千 Km 電波の往復 ~0.3 秒 39

40 光の導波 ( ガイド ) 光の導波路石英ロッド光ファイバ金属管 ( 内部鏡面 ) 40

41 光ファイバ層型光ファイバケーブルマルチモード 1 ステップインデックス (SI) 2 グレデッドインデックス (GI) シングルモード 3 ステップインデックス (SI) 41

42 量子力学から誕生したもの (2) レーザ (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 固体レーザ活性媒体が固体ガスレーザ半導体レーザ量子井戸量子ドット 42

43 LED の概念図 43

44 レーザの概念図 44

45 レーザ光の特徴単一波長直進性高輝度 45

46 46

47 47

48 光通信レーザメスと内視鏡の併用緑内障のレーザ治療 4 光波混合実験レーザの応用加工 48

49 レーザの種類 (1) (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) 種類例波長 (μm) 発振形式出力 (W/J) 効率 (%) 用途例固体レーザ半導体レーザ液体レーザ気体レーザルビー 0.69 P ~20J ~1 穴あけガラス 1.06 P ~90J ~4 YAG 1.06 P/CW GaAs,InGaA sp など色素レーザなど 0.6~1.6 P/CW CW ~ 1kW, P~150J CW ~ 50mW ~3 ~100 穴あけ, 核融合穴あけ, 切断, 溶接通信, 計測, 情報処理 0.4~0.7 P ~100J ~0.3 分光, 研究 He-Ne 0.63 CW ~1mW ~1 計測, ディスプレイなど Ar 0.51 CW ~25W ~0.1 穴あけ, 計測エキシマ 0.15~0.35 P ~900mJ ~15 CO P/CW CW ~40kW ~20 化学, 医学, 加工, その他多数穴あけ, 切断, 溶接, 熱処理 49

50 レーザの種類 (2) N 2 レーザ YAG レーザ半導体レーザ色素レーザ He-Ne レーザエキシマレーザ 50

振動に応じて炭素の粉と粉の間の圧力が変わります圧力が変わるとこの部分の抵抗値が変わります 4 抵抗値の変化に従って電気の流れ方が変わります

51 現在使われている技術を見てみよう電話のしくみ ( 原理は 100 年前から同じ ) 音声電気信号電話線電気信号音声 1 送話器の前でしゃべると空気が振動してその振動が振動板に伝わります 2 振動板の裏には炭素が詰まっていて振動と一緒に振動します 3 振動に応じて炭素の粉と粉の間の圧力が変わります圧力が変わるとこの部分の抵抗値が変わります 4 抵抗値の変化に従って電気の流れ方が変わりますつまり人の声に従って振動する電流信号が伝わっていきます 5 送話器からの電流が受話器に入ると受話器についている磁石が電流の強弱によって振動板を振動させ元の音声を作り出します 51 電気の歴史イラスト館より

52 電話の登場 ~110 年ほど昔から ~ 1876 年 ( 明治 9 年 ) アメリカのグラハムベルによって電話が発明される 1890 年 ( 明治 23 年 ) 東京 115 加入横浜 42 加入で電話サービスがスタート明治 11 年に作られた国産第一号電話機電話交換嬢が話したい相手の番号を聞きつなぎかえる ( 当時の花形職業!) 現在のプッシュ式電話機 52

53 携帯電話登場 ~ つい最近?~ 1979 年 ~ 自動車電話無線の歴史をチョット : 1985 年ショルダーホン重さ 3Kg!! 現在の携帯は小型軽量多機能 ( 情報端末カメラワンセグ ) 1895 年イタリアのマルコーニが電波を使った無線通信を発明 1912 年タイタニック号からの無線電信による救助信号どこでも使える携帯電話は 1979 年自動車電話から 2008 年 6 月日本で約 1 億人が契約 ( 電気通信事業者協会調べ ) 53

54 携帯電話のしくみ ( 位置登録 ) 携帯自動車電話のシステムの概要携帯電話に電源が入っている時には自分が今どこの位置にいるのかわかるようにいつも電波を出しています電話をもって移動するたび携帯電話と基地局で連絡を取り合いながら一番近い基地局はどこなのか調べ位置登録されますそれで移動しても途切れないしどこにいても携帯電話が掛かってくるのでした 54

55 指紋認証 55

ＬＥＤの光度調整について

ＬＥＤの光度調整について光測定と単位について目次 1. 概要 2. 色とは 3. 放射量と測光量 4. 放射束 5. 視感度 6. 放射束と光束の関係 7. 光度と立体角 8. 照度 9. 照度と光束の関係 10. 各単位の関係 11. まとめ 1/6 1. 概要 LED の性質を表すには光の強さ明るさ等が重要となりこれらはその LED をどのようなアプリケーションに使用するかを決定するために必須のものになることが殆どです