Dispositivos Ópticos: Conceitos e Classificação

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DISPOSITIVOS ÓPTICOS 
Introdução 
2 2 
Dispositivos ópticos 
Conceitos e princípios 
Dispositivo que cria, manipula ou mede radiação 
eletromagnética. 
Existe alguma classificação? Categoria? Tipos? Wikipedia? 
Dispositivos e/ou instrumentos? Lente, óculos, zoom, 
microscópio, telescópio, etc... 
Dispositivo óptico para mouse óptico? 
Dispositivo óptico Real? Virtual? 
• Lado óptico 
• Lado fotônico 
A fotônica é a ciência da geração, emissão, 
transmissão, modulação, processamento de sinais, 
amplificação e detecção da luz. 
3 
O que diz uma rede? 
Identificar criar, manipular ou medir radiação eletromagnética 
4 4 
http://en.wikipedia.org/wiki/Category:Optical_devices 
Category:Optical devices 
A 
•► Armoured fighting 
vehicle vision and sighting 
equipment‎ (7 P) 
•► Astronomical 
observatories‎ (12 C, 19 P) 
C 
•► Camera obscuras‎ (7 
P) 
I 
•► Optical instruments‎ (3 
P) 
•► Interferometers‎ (1 C, 
48 P) 
L 
•► Lasers‎ (10 C, 15 P) 
•► Lenses‎ (4 C, 46 P) 
M 
•► Magnifiers‎ (1 C, 7 P) 
•► Microscopes‎ (2 C, 81 
P) 
•► Mirrors‎ (62 P) 
O 
•► Optical bombsights‎ (8 
P) 
•► Optical fiber‎ (40 P) 
•► Optical filters‎ (32 P) 
•► Optoelectronics‎ (5 C, 
50 P) 
P 
•► Photography 
equipment‎ (9 C, 147 P) 
•► Planetaria‎ (6 C, 58 P) 
•► Prisms‎ (31 P) 
R 
•► Refractometers‎ (5 P) 
S 
•► Surveying instruments‎ 
(21 P) 
T 
•► Telescopes‎ (19 C, 197 
P) 
Dispoptic 2013 5 5 
Páginas na categoria “Optical devices” (192) 
A 
•Acousto-optic modulator 
•Acousto-optic programmable 
dispersive filter 
•AN/PSQ-20 
•AN/PVS-14 
•AN/PVS-22 
•AN/PVS-4 
•Arrayed waveguide grating 
•ARROW waveguide 
•Astrograph 
•Optical attenuator 
•Autocollimator 
B 
•Beam dump 
•Beam homogenizer 
•Beam splitter 
•Diffractive beam splitter 
•Binoculars 
•Binoviewer 
•Blazed grating 
•Blink comparator 
•Borescope 
•Bridge Tender's House 
 
C 
Camera 
Camera lucida 
Camera obscura 
Cast Glance 
Catadioptric system 
Cathetometer 
Catoptric cistula 
Optical cavity 
Cheshire eyepiece 
Collimator 
Collimator sight 
Colorimeter (chemistry) 
Comparison microscope 
Contact image sensor 
Copyscope 
Coronagraph 
Culpascope 
D 
Depolarizer (optics) 
Diaphragm (optics) 
Dielectric wireless receiver 
Diffraction grating 
Diffuser (optics) 
Digicon 
Dipleidoscope 
Distributed Bragg reflector 
 
Dome magnifier 
Driver's vision enhancer 
Dual speed focuser 
Dumpy level 
Dynameter 
E 
Echelle grating 
EcoSCOPE 
Electric eye 
Electro-absorption modulator 
Electro-optic modulator 
Electro-Optix 
Eye relief 
F 
Faraday rotator 
Fiberscope 
Finderscope 
Floating collimator 
Focus finder 
Foucault knife-edge test 
 
Páginas na categoria “Optical devices” (191) 
....... Páginas na categoria “Optical devices” (192)....... 
Dispoptic 2013 6 
G 
Golf mirror 
Graphoscope 
Ground glass 
Gyro gunsight 
Gyrotron 
H 
Haploscope 
Hartmann mask 
Head-up display 
Herschel wedge 
Hinman collator 
Hollow-cathode lamp 
Holographic grating 
Holographic weapon sight 
HoloVID 
Hydroscope 
I 
Image intensifier 
Image-stabilized binoculars 
Optical instrument 
Optical interleaver 
 
J 
Jeffree cell 
K 
Kaleidoscope 
Klevtsov–Cassegrain telescope 
Korean Commander's 
Panoramic Sight 
L 
Laser beam profiler 
Laser microphone 
Lens (optics) 
Light pulse generator 
Light table 
Light-field camera 
Liquid mirror telescope 
Littrow prism 
Loupe 
Lovibond comparator 
Lyot stop 
M 
Maser 
Megalethoscope 
METATOY 
Mirror mount 
Modulating retro-reflector 
Optical modulator 
Monochromator 
 
Monocular 
Moviola 
N 
Nanolaser 
Night vision device 
Null corrector 
Nuller 
O 
Occulting disk 
Opera glasses 
Optical amplifier 
Optical axis grating 
Optical circulator 
Optical flat 
Optical isolator 
Optical microcavity 
Optical modulators using 
semiconductor nano-structures 
Optical power meter 
Optical reader 
Optical ring resonators 
Optical Wizard 
Optode 
Optoform 
P 
Panoramagram 
Passive infrared sensor 
 
Dispoptic 2013 7 
....... Páginas na categoria “Optical devices” (191)........ 
P cont. 
Periscope 
Phased-array optics 
Photodetector 
Photodiode 
Photometer 
Photomultiplier 
Photon sieve 
Photoresistor 
Phototube 
Polarimeter 
Polarimetry 
Polarizer 
Polychromator 
Polyrama Panoptique 
Pound–Drever–Hall technique 
Primary mirror 
Prism (optics) 
Prism coupler 
Pseudoscope 
Q 
Q-Spoil 
Quantum well infrared 
photodetector 
 
R 
Reflector sight 
Refractometer 
Remote camera 
Resonant-cavity-enhanced 
photo detector 
Retroreflector 
Rhinoscope 
Ring laser gyroscope 
Rolling shutter 
S 
Scioptric ball 
Sight (device) 
Silver halide 
Spatial filter 
Spatial light modulator 
Spectrophotometer 
William Spencer (navigational 
instrument maker) 
Stanhope (optical bijou) 
Star diagonal 
Stereoscope 
Submarine periscope 
Sun photometer 
T 
Optical table 
 
Tachistoscope 
Teleidoscope 
Theodolite 
Time stretch analog-to-digital 
converter 
Tiny ionospheric photometer 
Total station 
Tower Optical 
Tower viewer 
Traditional handheld 
refractometer 
Tristimulus colorimeter 
Turbinlite 
U 
Ultrafast monochromator 
V 
Video camera 
Video magnifier 
Videoscope 
W 
Wadsworth constant deviation 
system 
Wavelength selective switching 
Waveplate 
Winston cone 
Wright camera 
 
8 
....... Páginas na categoria “Optical devices” (191) 
Z 
Zograscope 
Zone plate 
 
10 10 
Importância 
• No atual momento das comunicações e 
sensoriamento, os dispositivos ópticos tem 
uma relevância enorme no desenvolvimento 
de novas técnicas através de novos 
materiais (meta-materiais, nanoestruturas, 
etc) 
• Óptica e Fotônica 
11 11 
Uma revisão geral 
 
Informações 
Dispoptic 2013 12 12 
Fibras Ópticas 
 Um pouco de história: 
1. Sinais de fogo, fumaça, códigos visuais 
2. Século 4 AC – antiga Grécia, telégrafo hidráulico + fogo 
3. 1790 Claude Chappe, Paris-Lille (230 Km), Semáforo = 
telegrafo óptico 
4. 1794 Tornado real 
5. 1870 John Tyndall – jato de água 
6. Alexander Graham Bell, Charles SumnerTainter - 1880 – 
Fotofone 
13 13- 
Semáforo – telegrafo óptico - código 
5 minutos para transmitir a uma distância de 190 km 
Dispoptic 2013 14 14 
Mapa da França com semáforo 
Dispoptic 2013 15 15 
O homem que 
guiou a luz. 
Daniel Colladon 
(38) professor na 
Universidade de 
Genebra 
demonstrou 
como guiar a luz 
em 1841. 
Dispoptic 2013 16 16 
John Tyndall 1854, demonstração da reflexão interna total (TIR) 
Dispoptic 2013 17 17 
Detalhes históricos 
•‎Reflexão‎Total‎Interna(TIR)‎é‎atribuída‎a‎John‎Tyndall‎(1854‎experimento‎em‎
Londres). Daniel Colladon o precursor não chegou a mostrar a TIR, mas 
simplesmente como a luz pode ser guiada. 
•‎Livro‎City‎of‎Light‎(Jeff‎Hecht,‎1999)‎relata‎a‎historia‎do‎TIR. 
•‎Primeira‎demonstração‎em‎Genebra‎em‎1841‎por‎Daniel‎Colladon 
(Comptes Rendus, vol. 15, pp. 800-802, Oct. 24, 1842). 
•‎A‎luz‎fica‎confinada‎ao‎longo‎do‎caimento‎da‎água.‎ 
Dispoptic 2013 18 18 
Graham Bell 1880 - fotofone primeira transmissão de voz, 
através de luz não guiada 
Dispoptic 2013 19 19 
Dispoptic 2013 20 20 
Dispoptic 2013 21 21 
E o telefone? 
•Fixo =========== via fio de cobre, ponto a ponto 
•Sem fio ========= ondas de radio, celulares 
•Via satélite ====== satélites geoestacionários 
•VoIP =========== Voice Over Internet Protocol 
 1870 Elisha Gray e Alexander Graham Bell 
Bem antes do fotofone! 
Pq o fotofone não evoluiu? 
• Que tipos de dificuldades para enviar a luz? 
• O que houve com os fios de cobre? 
• Atualmente ~10% ou mais das redes utilizam 
fibra óptica 
• Novos desenvolvimentos: VoIP, IPTV e FTTH 
Dispoptic 2013 24 24 
FIBRAS ÓPTICAS 
• 1920 Independentemente - John Logie Baird (UK) e 
Clarence W. Hansell (USA) – patentes sobre o uso de 
arranjos de encanamentos ou tarugos transparentes 
para transmissão de imagens. 
• 1954 Independentemente - Abraham Van Heel 
(Dinamarca) e Harold H. Hopkins (UK) – uso de maço 
de fibras revestidas e não revestidas no transporte de 
imagens. 
25 25 
Fibras 
Vantagens 
1. baixa atenuação 
2. largura de banda 
3. Imunidade à interferência eletromagnética 
4. baixo peso (rvidro~2,5 g/cm
3, rcobre ~8,9 g/cm
3) 
5. sigilo 
6. isolação elétrica 
Existe alguma forma de quebrar o sigilo da transmissão por fibra óptica? Procurem 
ver para próxima aula 
Guia de onda de luz 
26 
27 27 
Guias de onda de luz 
Duas categorias: 
1. Bloco dielétrico – sanduíche 
n1 
n2 
n3 
Confinamento da propagação planar em n1 
28 28 
Guias de onda de luz 
2. Fibras ópticas: 
– De vidro ou plástico, de simetria cilíndrica 
– Com secção transversal anular 
n1 
n2 
n1 > n2 
GRIN 
29 
O que ocorre na forma diferencial num GRIN 
30 30 
FIBRAS ÓPTICAS 
• Duas categorias: 
1. Índice de refração degrau (n1 é constante) 
2. Índice de refração gradiente (GRIN). 
Diferentes tipos de gradientes conforme 
objetivos. 
• Propriedades: 
1. Propagação confinada ao núcleo, n1, por reflexão 
total interna, mesmo assim quando a fibra é 
envergada ou enrolada 
31 31 
GRIN 
• GRIN – GRadient INdex 
O índice de refração é função do raio 
= diferença de índice relativo 
a = raio do núcleo 
a = tipo de perfil do GRIN 
a = 1 perfil triangular 
a = 2 perfil parabólico 
a = ∞ perfil degrau 
Trabalho: qual é a equação de propagação dos raios dentro da fibra para 
um caso do núcleo com índice de refração parabólico? 
Perfil de índice de refração 
32 
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
1.0
1.5
2.0
 a=1
 a=2
 r > a
 a=inf
n(
r)
r (unidades arbitrarias)
n~1.34
33 33 
Teoria de propagação 
Ar 
no 
Todos os raios que incidem com ângulo 
menor que qa se propagam na guia de 
onda por reflexão interna total. 
n1 
n2 
n1 > n2 
Abertura numérica NA de uma guia de 
onda, uma espécie de medida ou 
característica que mostra o quanto que 
a guia de onda consegue receber luz 
Meio externo da fibra: Ar 
Fibra com índice de refração degrau 
Aplicação da Lei de Snell em cada 
interface 
A medida que q0 diminui qi .......... Até 
atingir o ângulo qc 
qo = qa qdo qi = qc 
34 pela Lei de Snell sinqc=n2/n1 
 
Teoria de propagação 
Ar Ar 
no 
n1 
n2 
n1 > n2 
35 35 
Parâmetros numa fibra 
Diferença de índice de refração entre 
núcleo e revestimento 
Parâmetro V que determina o número de 
modos suportados por uma fibra. Caso 
específico V<2.405 →‎monomodo 
a é o raio do núcleo 
36 36 
1.- Uma fibra óptica com um núcleo de vidro flint denso, n1 = 1,66, e 
um recobrimento de vidro crown, n2 = 1,52. Qual é o maior ângulo 
de abertura (metade do ângulo do cone de luz que entra na fibra) 
para que a luz que seja transmitida ao longo da fibra? 
Exemplos 
Dispoptic 2013 
37 37 
.....cont 
q3 ≥ qc onde qc é o ângulo crítico para que o feixe 
de luz seja totalmente refletido para dentro do 
núcleo. 
n1 
n2 
Notar que aumentando q1 diminui q3 
A solução será .......... 
Dispoptic 2013 
Colocando q3 = qc para determinar q1 utilizando a 
lei de Snell 
38 38 
....cont 
n1 
n2 
Substituindo na primeira eq: 
Em A: 
Em B: 
Dispoptic 2013 Sendo n1 = 1,66 e n2 = 1,56 O valor calculado de q1 é 42
o 
39 39 
Outro exemplo 
2.- Qual é o raio de menor curvatura que podemos dobrar numa 
fibra óptica com núcleo de 0,05mm sem perder luz? O índice 
de refração do núcleo é 1,66 e da cobertura é de 1,52 
Dispoptic 2013 
Adotamos a suposição de que um feixe de luz ABCDE incide de forma 
colimada na fibra. 
Observamos que o feixe E incide com o menor ângulo na interface 
núcleo/cobertura. 
40 40 
.......Cont. 
Adotamos a suposição de que um feixe de luz ABCDE incide de forma 
colimada na fibra. 
Observamos que o feixe E incide com o menor ângulo na interface 
núcleo/cobertura. 
Basta colocar esse ângulo como se fosse o ângulo crítico, evitando 
perdas. 
Pela geometria 
Pela definição 
41 41 
Várias configurações de fabricação 
Dispoptic 2013 
42 
Notação, nomenclatura 
Capa externa (jacket) 
Revestimento (coating) 
Núcleo (core) 
Casca (cladding) 
Elementos de tração ou de resistência 
(strength members) (opcionais) 
Constituição de um cabo óptico monofibra 
Dispoptic 2013 
43 
Fibra que preserva a polarização da luz 
incidente 
44 
PMF = Polarization-maintaining optical fiber 
Não polariza que nem polarizador, mantém a polarização de entrada