Optick

1
Optická pojítka(Free Space Optics)

• Autori presentace Ing. Jirí Burian, Ing.
  Jaroslav Hrb, Vladimír Myslík
• Podkladem pro presentaci byla i diplomová práce
  Václava Špicáka
• Obrázky pro presentaci byly cerpány z presentace
  firmy LightPointe

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
2
Dotaz na úvodKdo z Vás se už setkal s optickými
pojítky, prípadne kdo už víte k cemu optická
pojítka slouží?
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
3
Obsah dnešní prednášky

• Vlastnosti optických pojítek
• Použití optických pojítek
• Základní stavební komponenty optických pojítek
• Vnitrní konstrukce optického pojítka
• Dusledky pusobení povetrnostních vlivu na optická
  pojítka
• Odstranení pusobení povetrnostních vlivu
• Dosah optických pojítek
• Mechanické provedení optických pojítek
• Použitá optické prvky
• Nebezpecí poškození zraku vlivem zárení optických
  pojítek
• Hygienické limity a hygienické normy pro optická
  pojítka
• Bezpecnost provozu
• Trídy laseru
• Výrobci

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
4
Optická pojítka(Free Space Optics)
Na úvod, jak takové optické pojítko vypadá.
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
5
Vlastnosti optických pojítek

• Výhody
• Vysoká prenosová rychlost v obou smerech prenosu
  (Full Duplex), daná dvema na sobe nezávislými
  prenosovými trasami (10MBit až 1GBit).
• Malý rozptyl vyzáreného paprsku, který umožnuje
  na malém prostoru použít znacné množství
  optických pojítek, aniž by se navzájem rušila(3
  až 4 RAD).
• Vysoká bezpecnost dat, která je daná malou
  možností zachycení vysílaného signálu.
• Malá latence optických spoju oproti radiovým
  spojum.
• Nevýhody
• Znacná citlivost na vlivy prostredí (mlha,
  snežení, déšt, slunecní svit).
• Vysoká cena zarízení (60.000,- Kc až 850.000,-
  Kc).
• Malý pracovní dosah (1 km až 5 km).
• Nebezpecí poškození zraku pri neodborném
  zacházení. (Zde bude pravdepodobne hlavni težište
  vaších kontrol.)

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
6
Ukázka instalace optických pojítek
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
7
Použití optických pojítek

• Na krátké vzdálenosti v místech, kde není možné
  použít optická vlákna. Pokládka optických vláken
  je nekolikanásobne dražší a casove nárocnejší než
  použití optického pojítka.
• Spojení mezi sítemi LAN.
• Vytvorení záložních spoju (pronajatých okruhu).
• Rozšírení sítí LAN, WAN.
• Prístup do sítí poskytovatelu pro koncové
  zákazníky (poslední míle).
• Distribuce signálu Telco operátoru na základové
  stanice.

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
8
Topologie optických sítí
Bod - Bod
Bod - Multibod
Sít
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
9
Základní konstrukce optického pojítka

• Optické pojítko pri pohledu zvencí z hlediska
  obsluhy
• Prijímac.
• Vysílac.
• Datové rozhranní (Ethernet).
• Indikátor síly signálu.
• Dalekohled pro zamerení.

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
10
Vnejší konstrukce optického pojítka
Pohled zepredu
Pohled zezadu
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
11
Detailní pohled na optickou cást
Ctyri 80 mm prijímací cocky
Meander topení pro odmlžení a odmrazení cocek
Klouby pro zamerení
Obal
Ctyri 30 mm vysílací cocky
Vestavený dalekohled
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
12
Vnitrní konstrukce optického pojítka

• Základní komponenty optického pojítka
• Prijímac.
• Vysílac.
• Optická cást prijímace a vysílace.
• Datové rozhraní.
• Elektrická a mechanická cást zamerovacího
  zarízení.
• Dalekohled.

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
13
Prijímac
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
14
Vysílac
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
15
Optická cást prijímace a vysílace
Ctyri 80 mm prijímací cocky
Meander topení pro odmlžení a odmrazení cocek
Klouby pro zamerení
Obal
Ctyri 30 mm vysílací cocky
Vestavený dalekohled
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
16
Mechanická cást
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
17
Mechanická cást
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
18
Mechanická cást
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
19
Elektrická cást zamerovacíhozarízení a dalekohled
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
20
Dusledky pusobenípovetrnostních vlivu

• Pusobením teplotních zmen
• Na mechanickou konstrukci optického pojítka
  dochází ke zmene parametru optického pojítka.
• Na konstrukci budov dochází ke kroucení budov,
  které zpusobuje odklon paprsku od požadovaného
  smeru v obou rovinách.
• Pusobením vetru
• Dochází ke chvení a kývání optického pojítka a
  tím opet dochází k odklonení paprsku.
• Pusobení slunecního zárení
• Dochází k oslepení. Muže dojít až ke znicení
  optického pojítka. Problém je, že slunce zabírá
  nad obzorem znacný prostor a muže vadit v
  instalaci optického pojítka.
• Pusobením vodních par
• Dochází k zamlžení, následne k zarosení optiky.
  Prípadne k zavátí optiky snehem.
• Dochází ke znacnému zvýšení útlumu prenosové
  trasy (mlhy, sníh, déšt).
• Pusobením námrazy
• Dochází ke zvýšení útlumu prenosové trasy
  zamrznutím optiky.

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
21
Vodní srážky K cemu je treba výkonová rezerva 30
dB?
Opar MrakyHustá mlha Mlha - mrholení Déšt Prumer
kapicek vodních par
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
22
Nutný rozptyl paprsku Mechanická stabilita trasy
prenosu
Kroucení budov vlivem tepla 2 mrad Ohýbání
budov vlivem tepla 1 mrad
Aktivní plocha prijímace 4?50 cm2
Prumer ozárené plochy 300 cm Velikost ozárené
plochy 70686 cm2
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
23
Útlum prenosové trasy Fyzické omezení optického
prenosu

Výkon vysílace 10 mW (10 dBm) Citlivost
prijímace -45 dBm (0,5 uW) Saturace
prijímace -12 dBm Dynamický rozsah prijímace
-12 dB (-45 dB) 33 dB
Aktivní plocha prijímace 4?50 cm2
Rozptyl paprsku 3 mrad
Vzdálenost 1 km
Pomer vysílací/prijímací plochy 350 Útlum
prenosové trasy -25 dB Maximum receiving power
10 dBm (-25 dB) -15 dBm Výkonová
rezerva trasy -15 dBm (-45 dBm) 30 dBm
Prumer ozárené plochy 300 cm Velikost ozárené
plochy 70686 cm2
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
24
Nutný rozptyl paprsku Mechanická stabilita trasy
prenosu
Kroucení budov vlivem tepla 2 mrad Ohýbání
budov vlivem tepla 1 mrad
Prumer ozárené plochy 300 cm
Kroucení budov vlivem tepla 2 mrad (2
m/km) Ohýbání budov vlivem tepla 1 mrad (1 m/km)
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
25
Nutný rozptyl paprsku Mechanická stabilita trasy
prenosu

Kroucení budov vlivem tepla 2 mrad Ohýbání
budov vlivem tepla 1 mrad
Prumer ozárené plochy 300 cm
Kroucení budov vlivem tepla 2 mrad (2
m/km) Ohýbání budov vlivem tepla 1 mrad (1 m/km)
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
26
Odstranení pusobenípovetrnostních vlivu

• Rozšírení optického paprsku laserové diody na 3
  až 4 mRAD. Nevýhodou tohoto rešení je snížení
  dosahu optického pojítka vlivem snížení hustoty
  optického svazku.
• Použití více laserových diod pro zvetšení ozárené
  plochy na strane prijímace a zvýšení hodnoty
  intenzity ozárené plochy. Výhodou je zvýšení
  dosahu optického pojítka.
• Použití vetších rozmeru cocky na prijímaci pro
  dosažení vyšší citlivosti. Prípadne použití
  fresnelovy cocky.
• Použití citlivejší APD fotodiody v prijímaci.
• Použití mechanické clony k zastínení príjímací
  diody a použití nekolikanásobne vyššího
  vysílacího výkonu. Následne pri zvýšení útlumu
  prenosové trasy mlhou se otvírá mechanická clona.
• Použití spektrálních filtru, které potlací
  nežádoucí zárení.
• Použití automatického vychylování paprsku pro
  eliminaci pohybu budov.

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
27
Dosahy vyrábených pojítek v mílích
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
28
Maximální dosahované vzdálenosti

• Profesionálové v noci na poušti pres 400 km.
• Amatéri pri dálkovém pokusu 106 km
• 660nm Laser- Transceiver by DB6NTRX
  Interference filter - OPT 210 - 120 mm Lens TX
  GaAs Diode 5 to (50) mW output MOD FM (32 kHz) -
  AM - CW ADJ Hor. / Vert. Mikrometer screw adj.
  ODX 71,7 km 59 with DG8EB and DA 5 FR / p at
  03.06.2002 ODX DB6NT DB2NP in JO 50 RK
  (Wetzstein) DG8EB DG0EG in JO 60 LK
  (Fichtelberg)106 km 21.04.2004, 19,00 UTC

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
29
Maximální dosahované vzdálenosti
106 km
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
30
Dosahované prenosové rychlosti
1.25 Gbps FlightPath 1.25/300 FlightPath 1.25/300 FlightSpectrum 1.25/1000 FlightSpectrum 1.25/1000
1 Gbps FlightPath 1.25/300 FlightPath 1.25/300 FlightSpectrum 1.25/1000 FlightSpectrum 1.25/1000
622 Mbps FlightPath 622/300 FlightPath 622/300 FlightSpectrum 622/1000 FlightSpectrum 622/1000
155 Mbps FlightPath 155/300 155/600 FlightPath 155/300 155/600 FlightPath 155/300 155/600 FlightPath 155/300 155/600 FlightSpectrum 155/1000 155/2000 FlightSpectrum 155/1000 155/2000 FlightSpectrum 155/1000 155/2000
100 Mbps FlightPath 155/300 155/600 FlightPath 155/300 155/600 FlightPath 155/300 155/600 FlightPath 155/300 155/600 FlightSpectrum 155/1000 155/2000 FlightSpectrum 155/1000 155/2000 FlightSpectrum 155/1000 155/2000
20 Mbps FlightPath 20/200 20/600 FlightPath 20/200 20/600 FlightPath 20/200 20/600 FlightPath 20/200 20/600 FlightSpectrum 20/2000 FlightSpectrum 20/2000 FlightSpectrum 20/2000 Flight-Spectrum 20/4000
10 Mbps FlightLite 350 FlightLite 350 FlightLite 350 FlightSpectrum 20/2000 FlightSpectrum 20/2000 FlightSpectrum 20/2000 Flight-Spectrum 20/4000
2 Mbps FlightSpectrum 20/2000 FlightSpectrum 20/2000 FlightSpectrum 20/2000 Flight-Spectrum 20/4000
50 m 200 m 350 m 600 m 1000 m 1000 m 2000 m 4000 m
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
31
Mechanické provedeníoptických pojítek

• Mechanické provedení pojítek
• musí být robustní, aby odolalo vetru. Je nevhodná
  montáž na trubkové stožáry.
• musí umožnit presné nastavení v horizontální i
  vertikální rovine s minimální presností na
  desetiny mRAD

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
32
Realizace
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
33
Príklad zákaznické montáže
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
34
Umístení optických pojítek
Z okna do okna
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
35
Použité optické prvky

• Vysílac
• LED diody, ve viditelném spektru.
• LED diody v neviditelném infra spektru.
• Laserové polovodicové diody 650 nm, 850 nm a 1300
  nm.
• Prijímac
• APD diody, mají vetší citlivost než dríve
  používané PIN diody. Vyžadují však napájení 200V.

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
36
Nebezpecí poškození zraku

• LED diody, ve viditelném spektru i neviditelném
  spektru jsou již vyrábeny LED diody s príkonem až
  1W. Infra zárení sice nemuže poškodit sítnici,
  muže však dojít k povrchovému poškození oka.
• Laserové polovodicové diody 650nm, 850m a 1300nm.
  Nejnebezpecnejší je vlnová délka 650nm. Pro
  výkonná optická pojítka se proto používají vlnové
  délky 850nm a 1300nm, která jsou pro oko méne
  nebezpecná.
• U laserového zárení hrozí nevratné poškození
  zraku s možností úplné ztráty zraku, pokud by
  došlo k poškození slepé skvrny na sítnici oka.
  Nebezpecí tkví v tom, že pokud zárení laseru
  dopadá na slepou skvrnu, tak je v podstate pro
  oko neviditelné.

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
37
Citlivost oka na celé použité spektrum
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
38
Citlivost oka na viditelné spektrum
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
39
Propustnost atmosférypro ruzné vlnové délky
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
40
Propustnost oka pro ruznévlnové délky
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
41
Anatomie lidského oka
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
42
Hygienické limity

• Pro vlnové délky 700 nm až 1050 nm je maximální
  prípustná hodnota hustoty vyzarovaného výkonu v
  závislosti na dobe expozice dána vztahem
• 0,75
• S18Ct Jm?²
• S hustota výkonu
• t doba expozice
• C 2 pro 850 nm
• Pro 1000 s expozice je nejvyšší prípustná plošná
  hodnota hustoty vyzarovaného výkonu 6,4 Wm?²

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
43
Hygienické smernice a normy

• Vyhláška Ceského úradu bezpecnosti práce c. 125 z
  roku 1982, doplnená Smernicí c. 61/1982 Sb.
• Hygienické predpisy MZ
• DIN norma DIN EN60825-1.
• Narízení vlády c.480/2000 o ochrane zdraví pred
  neionizujícím zárením.
• Norma Velké Británie BS7192 z roku 1989
• IEC norma IEC825 z roku 1984

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
44
Bezpecnost provozu

• Pro vlnové délky 700 nm až 1050 nm je maximální
  hodnota expozice na sítnici oka dána vztahem
• 0,75
• S18Ct Jm?²
• S hustota výkonu
• t doba expozice
• C 2 pro 850 nm
• Pro 1000 s je plošná hodnota hustoty vyzarovaného
  výkonu 6,4 Wm?²

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
45
Trídy laseru

• Trídy laseru specifikuje Smernice MZ c.61 z roku
  1982
• Trída 1- Možnost pozorování dalekohledem
• Trída 2 Lasery vyzarující viditelné zárení,
  možnost pozorování dalekohledem (geodetické
  práce), laserová ukazovátka,
• Trída 3A zárivý tok neprekracuje hodnotu 5mW,
  hustota zárivého toku nepresahuje 25mW/m2,
  možnost pozorování pouhým okem bez optiky
• Trída 3B zárivý tok nad hustotu 25mW/m2
  vyzáreného výkonu
• Trída 3R vyžadují zahranicní normy
• Trída 4
• Trída 3a a 4 vyžaduje zvláštní ochranná
  opatrení, ochranu pred nepovolanou osobou,
  prostory oznacené cedulemi, v dráze paprsku nesmí
  být predmety odrážející paprsky, nutnost použít
  ochranné brýle, zarízení musí být vybaveno
  svetelnou nebo akustickou signalizací chodu,
  pricemž svetelná signalizace musí být videt pres
  ochranné brýle

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
46
Záver

• Nekterí výrobci optických pojítek
• LaserBit
• LightPoint
• Ocean
• Terescope

jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz
47
Dekujeme za pozornost.
Ing. Jirí BurianIng. Jaroslav Hrb
jiri.burian_at_deltax.cz jarda_at_mudrc.cz
xmyslik_at_aldebaran.feld.cvut.cz