قلم نوری ۲

قلم نوری ۲

اسلاید 1: 1قلم نوریتهیه کننده:هما حیدری

اسلاید 2: (Light Pen) قلم نوری2

اسلاید 3: قلم نوری قلم نوری یک ابزار ورودی کامپیوتر میباشد (Input Device) که بوسیله سیم یا به روش بیسیم به کامپیوتر متصل میگرددو از آن برای کشیدن تصاویر گرافیکی یا برای اشاره به menue option منوهای سیستم عامل یا منوی دیگر نرم افزارها مانند ماوس استفاده می گردد .قلم نوری با ظاهری شبیه به قلم معمولی است.در نوک آن بجای گوی آغشته به جوهر ، لوازم اپتیک نوری شامل یک عدسی همگرا ، یا در نوع تکاملیافته ترکیبی از عدسیها و فیبر نوری قرار گرفته است .کاربر قلم را به سوی نقطه مورد نظر بر روی صفحه نمایش نشانه میگیرد و دکمه های کنترلی واقع بر روی بدنه قلم نوری را برای ارتباط با کامپیوتر فشار میدهد . در این سیستم قلم نوری که ابتدایی ترین نوع آن به شمار میرود ، هیچ نور یا اشعه ای از قلم نوری به صفحه تابانده نمیشود . بلکه نور از صفحه نمایش به قلم می تابد . 3

اسلاید 4: قلم نوریبوسیله عدسیها تصویری کامل ویا تنها یک یا چند پیکسل از صفحه نمایش بر روی فتوسل که در داخل قلم است انداخته می شود . درست مانند دوربینهای عکاسی که عدسی همگرا بر روی فیلم ایجاد تصویر می نماید .فوتوسل ، انرژی دریافتی از فوتون های نور را به جریان الکتریکی تبدیل می نماید و این همان پالسی است که پس از تقویت به وسیله IC تقویت کننده به قسمت پردازش و سپس کامپیوتر ارسال می شود. در قلم های نوری سازمان یافته تر وضعیتی شبیه دوربین های تصویر برداری مشاهده می کنیم . یعنی تعداد زیادی فوتوسل که حتی حساسیت به سه رنگ متفاوت قرمز ، سبز و آبی دارد . در کنار هم الگو های تصویری را به پالس های الکتریکی تبدیل می کند.بنابراین با آنها قادریم از فاصله دورتر بر روی صفحه های نمایش کار کنیم .حتی در وسایل بازی کامپیوتری ابتدایی مانند نینتندوNintendo ، قلم نوری به شکل اسلحهوجود داشت که به وسیله آن میشد به کاراکترهای بازی شلیک کرد .4

اسلاید 5: قلم نوریقلم نوری و مانیتور CRT را در تصویر مشاهده می نمایید5

اسلاید 6: قلم نوریسیستم قلم نوری مانند دیگر وسایل ورودی کامپیوتر از دو قسمت سخت افزار و نرم افزار سودمی جوید و سادگی سیستم سخت افزاری آن تا آنجاست که امکان ساخت این ابزار برای فردی باآشنایی مقدماتی به دانش الکترونیک و اپتیک وجود دارد ولی بحث نرم افزاری آن از همانابتدای پیدایش قلم نوری چالشی بزرگ می نمود زیرا مانیتورهای CRT اولیه با مشکل ایجادفرکانس متغییر همراه بودند.بدین شکل که زمان بندی اسکن اشعه کاتدی با پرش فرکانسی ناشیاز دقیق نبودن سیستم های الکترونیک متصل به سیم پیچ های اسکن مواجه می شد.این مشکل زمانی آشکار می گردد که در صفحه نمایش تصاویر به شکل عمودی بالا وپایین می شوند.حال اگر در چنین وضعیتی قلم نوری را بر روی مانیتور قرار دهیم با دریافت پالس های اشعه کاتدی سر در گم می شود و مکان نقطه را در جای دیگر به سیستم اطلاع می دهد بنابراین نرم افزارهایی نوشته شد که مبنای کار قلم نوری را از نظر تطبیق زمانی تغییر داد . در واقع کارت گرافیک با قلم نوری هماهنگ می گردد و اطلاعات دریافتی از قلم نوری با اطلاعات ارسالی از کارت گرافیک در این نرم افزار مقایسه می شود.6

اسلاید 7: قلم نوری حال اگر در چنین وضعیتی قلم نوری را بر روی مانیتور قرار دهیم با دریافت پالس های اشعه کاتدی سر در گم می شود و مکان نقطه را در جای دیگر به سیستم اطلاع می دهد بنابراین نرم افزارهایی نوشته شد که مبنای کار قلم نوری را از نظر تطبیق زمانی تغییر داد . در واقع کارت گرافیک با قلم نوری هماهنگ می گردد و اطلاعات دریافتی از قلم نوری با اطلاعات ارسالی از کارت گرافیک در این نرم افزار مقایسه می شود.از آنجا که تمامی صفحه های نمایش اولیه از نوع CRT ( Catod Ray Tube ) ( لامپ اشعه کاتدی ) بودند قلم های نوری نیز برای کار بر روی آنها و با توجه به روش کار آنها ایجاد گردیدند . بنابراین برای درک روش کار قلم نوری باید با تکنیک CRT و نحوه کار آن آشنا شویم .و سپس به بررسی عملکرد آن می پردازیم .7

اسلاید 8: قلم نوریمانیتورCRT ( Catod Ray Tube )وسیله ای است که قلم نوری برای آن ساخته شد . مانیتورها یا صفحات نمایش CRT عبارتند از محفظه ای شیشه ای به شکل هرم یا در مدل ابتدایی مخروطی شکل این محفظه شیشه ای مانند یک بطری میباشد . که در ته آن صفحه نمایش قرار گرفته است .صفحه نمایش شیشه ی اندود شده با مواد فسفرسانس است و در ناحیه گلوی بطری تفنگ اشعه کاتدی وجود دارد .8

اسلاید 9: قلم نوری9تکنولوژی CRTکنولوژی CRT از یک استوانه ایجاد شده است که شامل تفنگ شلیک الکترون و یک صفحه فلوورسانس است .به همراه سیم پیچ های داخلی یا خارجی که جهت حرکت دادن اشعه الکترون ایجاد شده است . از CRT برای ایجاد تصاویر بر روی صفحه نمایش فلوورسانس با توجه به این نکته که اشعه الکترونی کاتدی باعث ایجاد درخشش بر روی صفحه فلوورسانس میگردد . صفحه نمایش CRT در شکل ساده تر به عنوان اسیلوسکوپ برای نشان دادن شکل موج الکترونیک استفاده میگردد و در شکل پیچیده تر برای ایجاد تصاویر از آنها در تلویزیون و مانیتور کامپیوتر استفاده شده است .صفحه نمایش رادار RADAR نیز از آنها برای نمایش اهداف به شکل نقاطی نورانی بهره میجوید . تنها یک اشعه الکترونی تابش شده از تفنگ الکترون لامپ CRT می تواند برای نمایش تصاویر متحرک رنگی به کار آید

اسلاید 10: قلم نوری10سیستمهای CRT ناگزیرند از یک بطری شیشه ای عمیق ، بزرگ ، سنگین و حجیم استفاده کنند . همین نکته منفی باعث شد تکنولوژی جدید به دنبال راهی بهتر باشد و صفحه های نمایش تخت پلاسما ، مانیتورهای LCD ( کریستال مایع ) ، DLP و OLED اختراع شدند . و اینها هم اکنون در حال جایگزینی کامل به جای CRT میباشند و میتوانیم با قیمتی کمتر از قیمت CRT های قدیم آنها را خریداری نماییم .ابتدایی ترین لامپ اشعه کاتدی

اسلاید 11: قلم نوری11اولین صفحه نمایش CRT به وسیله فیزیکدان آلمانی Fredinand Braun در سال 1897 اختراع گردید و به همین دلیل استوانه براون نامیده شد . آن یک دیود کاتدی سرد بود یعنی در آن از گرما برای تقویت تابش اشعه کاتدی استفاده نشده بود . در سیستمهای جدیدتر ، از سیمپیچ ملتهب برای ایجاد گرما و افزایش قدرت اشعه استفاده گردید . تفنگ الکترونی در CRT های جدید

اسلاید 12: قلم نوری. اولین اشعه کاتدی گرم بوسیله John B Johnson توسعه داده شد . کسی که نامش بر روی قانون مشهور noise نهاده شده است . و به وسیله Harry Weiner از موسسه الکتریک غربی ( western Electric ) به عنوان یک محصول تجاری در سال 1922 تولید گردید . اشعه کاتدی هم اکنون به عنوان یکدسته الکترون منتشر شده از یک کاتود گرم شناخته شده است . که در سر یک استوانه فاقد هوا وجود دارد و به وسیله پتانسیل الکتریکی متفاوتی که میان کاتود وآنود وجود دارد کار میکند .صفحه نمایش CRT به وسیله مواد فسفورسانس پوشانده شده است . اغلب اوقات بر روی آن ذرات فلز وجود دارد یا آنکه المنتهای اتصال زمین آنرا پوشانده است و زمانی که الکترونهای پر انرژی از کاتود به سمت آنود می آیند با توجه به اینکه آنود همان ذرات فلز یا المنت اتصال زمین در مجاورت پوشش فلوورسانس است اشعه کاتدی باعث ایجاد درخشش بر روی لایه فلوورسانس میشود .اگر این اشعه کاتدی ثابت باشد یک لکه پرنور بر روی صفحه فلوورسانس ایجاد میکند 12

اسلاید 13: اسکنرها اما میتوانیم به وسیله فیلد الکتریکی که شامل سیم پیچهای حاوی جریان الکتریسیته است با توجه به بار منفی الکترون اشعه کاتودی را حرکت دهیم و در نتیجه باعث حرکت نقطه نورانی بر روی صفحه شویم . دستگاههای تلویزیون و مانیتورهای کامپیوتر به وسیله اسکن کننده سازمان یافته ای به نام Raster باعث ایجاد اسکن یا روبش صفحه فلوورسانس به وسیله اشعه کاتودی میشوند یک تصویر با این تکنیک در CRT ایجاد میشود که : سیگنال ویدیوای به تفنگ الکترونی دستور شلیک الکترون میدهد. در تلویزونهای CRT اولیه ، اشعه الکترونی به وسیله سیم پیچهای Deflector خمیده میشد که سر تاسر لامپ تصویر را از Gun تا صفحه نمایش پوشانده بود .در مدلهای جدیدتر این سیم پیچها در نزدیکی تفنگ شلیک کننده الکترون، تجمع یافتند.به تدریج با تکامل آنها اشعه کاتدی قدرتمندتر با قدرت تمرکز و فوکوس بیشتر ایجاد شد. و بنابراین صفحه نمایش آنها از حالت محدب به حالت تخت تبدیل گردید .آنچه گفته شد مقدمه ای برای درک چگونگی ایجاد تصویر در CRT است . 13

اسلاید 14: قلم نوری14وقتی یک فیلم در تلویزیون تماشا میکنیم در حقیقت تعدادی تصویر ثابت مربوط به هم است که بلافاصله پشت سر هم بر روی صفحه نمایش پدیدار میگردند . هر تصویر نیز برای جلوگیری از تداخل اشعه کاتدی به دو تصویر فرد و زوج (Odd & Even ) تقسیم میشوند . تعداد تصاویر ایجادکننده فیلم در ثانیه در سیستمهای مختلف تلویزیونی متفاوت است. در استاتدارد تصویری PAL مانند کشور خورمان 25 فریم (تصویر ) در ثانیه FPS 25 و در سیستم NTSC ، FPS 30 نشان داده میشود . چون هر تصویر از دو فیلد زوج و فرد برای جلوگیری از تداخل ایجاد میشود این بدان معنی است که در سیستم PAL دو ضربدر 25 یعنی 50 فیلد در ثانیه داریم و در NTSC در هر ثانیه 60 فیلد تصویری متناوبا بر روی صفحه ایجاد میشود .

اسلاید 15: فیلد تصویری چیست ؟ در سیستم PAL هر تصویر شامل 720 در 576 نقطه تصویری یا پیکسل است . یعنی اشعه کاتدی باید در یک بیست و پنجم ثانیه بوسیله میدان مغناطیسی 576 خط افقی را از بالا تا پایین جاروب کند ولی چون خطوط بسیار به هم نزدیکند و باعث ایجاد تداخل میگردد در ابتدا خطوط فرد در یک پنجاهم ثانیه اول و سپس خطوط زوج در یک پنجاهم ثانیه دوم اسکن ( جاروب ) میشوند که در جمع 50/1 + 50/1 از نظرزمانی 25/1 ثانیه کل خطوط اسکن گردیده است . پس دانستیم زمانی که بر روی تلویزیون یا مانیتور کامپیوتر ، فیلم یا تصویری را مشاهده مینماییم یک پالس الکتریکی در یک زمان مشخص باعث ایجاد نور یا تاریکی بر روی مانیتور میگردد . حال زمانی که قلم نوری را روی صفحه نمایش میگیریم ، به مجرد رسیدن اشعه کاتدی به مکان قلم نوری و ایجاد لکه نور بر روی صفحه فلوورسانس ، آن نور توسط Lightpen دریافت میشود .

اسلاید 16: همانطور که قبلا گفته شد قلم نوری در واقع نور را به پالس الکتریکی تبدیل مینماید . با تقویت این پالس الکتریکی و ارسال آن به کامپیوتر از آنجا که خود کامپیوتر مختصات pixleهای تشکیل دهنده تصویر که متناظر آن پیکسلهای مانیتور میباشند را میداند ، از مقایسه پالس الکتریکی دریافتی از قلم نوری با پالس تصویری که در همان زمان دستور ایجاد آنرا به تفنگ الکترونی داده متوجه موقعیت مختصاتی دکارتی قلم نوری بر روی صفحه نمایش میشود و این ایده بزرگ باعث شد قلم نوری به راحتی ماوس برای کار با منوهای نرم افزارها و ترسیم نقاشیهای گرافیک کامپیوتر مورد استفاده قرار گیرد .

اسلاید 17: در تصاویر زیربالا یک قلم نوری ابتدایی را مشاهده مینمایید که بر روی CRT هم عصر خود آزمایش میشود و در پایین قلم نوری جدید و پیشرفته با تکنولوژی نو بر روی صفحه نمایش کریستال مایع یا LCD . قلم نوری قدیمی بر روی CRT آزمایش میشود

اسلاید 18:   از آنجا که قلم نوری و سیستم اپتیک آن از عدسی یا دیگر لوازم انکساری بهره می جوید به معرفی و بررسی اثر آیینه ها ، منشورها و عدسی ها بر نور میپردازیم . نورنور یک نوع انرژی است و توسط ایجاد موج در اتر یا فضای مابین اجسام منتقل میگردد . نور دارای طبیعتی دوگانه و آشکار است . طبیعت نور این امکان را فراهم می آورد که یا به عنوان یک پدیده موجی و یا به عنوان یک جریان شارمانند متشکل از بسته های کوچک انرژی به نام فوتونها شناخته شود . فوتون ها در نتیجه تغییر سطوح انرژی الکترونهای اتم آزاد می گردند ، مانند فوتونهایی که در اثر گرما یا تحریکهای مختلف دیگر ایجاد میشوند .همه فوتونهای فعال ( در حال حرکت ) دارای پارامترهایی مثل فرکانس ، سرعت ، طول موج در فضای آزاد و جرم هستند . و بنایراین میزان انرژی آنها محدود است . بررسی ناحیه اپتیک قلم نوری 

اسلاید 19:  1- ابزارهای موثر بر اشعه نوراشعه نور مریی و IR به راحتی به کمک ابزارهای نوری ساده ای چون آیینه ها ، منعکس کننده های موازی ، منشورها و عدسی ها منعکس یا شکسته میشوند . در اینجا اصول اولیه عملکرد و کاربرد چنین ابزارهایی را شرح میدهیم .آینه هاساده ترین آینه یک شیشه معمولی تخت و کاملا انعکاس دهنده است که پشت آن نقره اندود گردیده. اگر یک اشعه باریک نور به سمت شیشه تابیده شود و به سطح انعکاسی چنین آیینه ای اصابت کند ،اشعه منعکس شده ، همیشه از قانون بازتابش تبعیت میکند . این قانون در شکل زیر 5-9 نشان داده شده و بیان میدارد که زاویه تابش و زاویه بازتابش کاملا با یکدیگر برابر هستند . منشورهادر مباحث مربوط به نور، یک منشور مجموعه ای از مواد شفاف است که دو یا بیشتر از دو سطح صاف (تخت) دارد . منشورها ذاتا قابلیت خم کردن مسیر نور را دارند . یک صفحه تخت شیشه ای یک منشور بسیار ساده است . وقتی که نور به جای آنکه از فضای آزاد عبور کند از درون یک ماده شفاف یا نیم شفاف بگذرد ، سرعت v1 و طول موج آن نسبت به فضای آزاد کمتر میشود . بنابراین پدیده شکست نور رخ میدهد . در برخی قلمهای نوری پیشرفته برای جدا نمودن سه طول موج RGB یعنی رنگهای قرمز – سبز و آبی رنگهای اصلی نور در پیکسلهای مانیتور از منشورها استفاده گردیده است .

اسلاید 20: عدسی هاکاربرد عدسیها در قلم نوری بیشتر از سایر موارد و ابزارهای نوری یاد شده میباشد .با عدسیهای محدب همگی کم و بیش آشنایی داریم .عدسی تصویری معکوس از جسم یا در مورد light pen تصویر پیکسل نورانی را از مانیتور بر روی سلول دایود نوری منتقل مینماید و این از دو نظر مهم است . یکی اینکه باعث ایجاد یک تصویر دقیق میشود و دیگر آنکه شدت نور تابانده شده بر روی فتوسل را افزایش می دهد .2 – حسگرهای نورییک حسگر نوری ابزاری است که وقتی با نور مریی ، مادون قرمز یا IR و ماورا بنفش (UV) تحریک شود نوعی عکس العمل الکتریکی تولید میکند . پرکاربردترین انواع ساخته شده این حسگرهای نوری LDR ها ( مقاومتهای وابسته به نور ) دیود نوری ، ترانزیستور نوری و سلول خورشیدی هستند . نوع دیگر حسگرهای نوری که کاربرد وسیعی دارند ولی خیلی تخصصی میباشند ، آشکارسازهای پیروالکتریک مادون قرمز هستند . این ابزارها اساس کار همه سیستمهای حفاظتی جدید و آشکارساز حرکت PIR را تشکیل میدهند

اسلاید 21: حسگرهای نوری الکترونیکی ابزاری هستند که در هنگام وجود نور مریی مشخصات الکتریکی خود را تغییر میدهند . معروفترین این نوع ابزارها LDR ها ( مقاومتهای وابسته به نور ) دیود نوری ، ترانزیستور نوری و حسگرهای PIR ( مادون قرمز غیر فعال ) هستند . عملکرد LDR بر این واقعیت استوار است که مقاومت هدایتی یک فیلم سولفید کادمیوم Cd S)) با چگالی نوری که به سطح فیلم میرسد ، تغییر میکند . این مقاومت در شرایط کم نور یا تاریک ، بسیار زیاد و تحت شرایط روشن و پر نور ، بسیار کم است . شکل زیر نماد مداری LDR و ساختار اساسی آن را نشان میدهد این ابزار شامل یک جفت اتصال فیلم فلزی است که توسط یک مسیر مارپیچی از فیلم سولفید کادمیوم حساس به نور ، از هم جدا شده اند . این مسیر به نحوی طراحی شده که حداکثر سطح تماس ممکن را با دو فیلم فلزی داشته باشد .این مجموعه در یک پوشش پلاستیکی یا لاکی قرار گرفته تا آزادانه به نور خروجی دسترسی داشته باشد ..

اسلاید 22: LDR های کاربردی در اندازه ها و بسته بندیهای مختلف در دسترس میباشند .قطر سطح مقطع در معروفترین نوع آنها 10 mm است . LDR ها ابزارهایی حساس ، ارزان و در دسترس می باشند که ویژگیهای رفتاری ولتاژ و توان در آنها شبیه مقاومتهای عادی است . تنها ایراد عمده این ابزارها آن است که نسبتا کند عمل می کنند . یعنی دهها یا صدها میلی ثانیه طول میکشد تا به تغییرات ناگهانی در میزان نور واکنش نشان دهند . LDR ها به شکل مفیدی در قلم نوری کلیدها و آژیرهای فعال در نور یا در تاریکی ، آژیرهای اشعه نوری ، آژیرهای انعکاسی دود و ... به کار میروند .هر کدام از این مدارها در عمل میتواند از یک LDR معمولی استفاده کند که قطر مقطع آن در محدوده mm 3 تا mm 12 است . بجز قلم نوری که نیاز به LDR با ابعاد کوچکتر و حساسیت زمانی بالا دارد .

اسلاید 23: قلمهای نوری نوین با تکنولوژی متفاوت از CRTهمان طور که قبلا گفته شد سیستم های CRT به مرور کنار گذاشته شدند .دلایلی چون سنگینی ، حجیم بودن و حتی مضرات اشعه های تابشی آن باعث ایجاد تکنولوژی های نوین مانند پلاسما ،LCD و دایود OLED گشت . از آنجا که قلم نوری سنتی بر پایه و اساس تکنیک مانیتور های CRT کار می کند ، برای سیستم های نمایشی جدید پاسخگو نمی باشد و این باعث ایجاد قلم های نوری جدید گشت که در اینجا به معرفی چند نمونه آن میپردازیم .قلم نوری لیزری با طول موج مادون قرمز(IR645) این قلم نوری علامت گذار یک سیستم تابش مادون قرمز دارد و به همراه فرستنده و گیرنده ای که از طریق USB Receiver اطلاعات را به کامپیوتر انتقال می دهد . یک علامت گذار(pointer) لیزر رنگی (یک مکان نمای لیزر قرمز ) و LED روشن کننده برای اتاق های کنفرانس تاریک که همه آنها در یک واحد مجتمع به شکل یک قلم عرضه گردیده است.قسمت USB Receiver یا گیرنده USB به شکل سر قلم تعبیه شده است تا از گم شدن آن جلوگیری به عمل آید برای راه اندازی قلم و تامین انرژی آن یک باتری قلمی سایز AAA کفایت می کند.

اسلاید 24: به سادگی گیرنده USB را پورت USB کامپیوتر وصل می نماییم . اکنون می توانیم بر روی صفحه نمایشی که از طریق دیتا پروژکتور به بینندگان کنفرانس نمایش می دهیم با این قلم نوری اشاره می کنیم وبا دکمه های موس مانندی که بر روی آن تعبیه شده است تصاویر روی پرده را به شکل اعجاب برانگیزی کنترل نماییم یا حتی با آن بر روی پرده نمایش عریض عباراتی بنویسیم و پاک کنیم .این ابزار هم برای PC و هم مکینتاش طراحی شده است و قابل استفاده بر روی تصاویر سیاه و سفید یا رنگی میباشد . روش کار این گروه از قلمهای نوری لیزری معمولا به این طریق است که از تداخل اشعه مادون قرمز و لیزر بهره میجوید . و بازتاب آن دو را از طریق یک لنز در نوک قلم دریافت مینماید . پراش یا تداخل ایجاد شده از اشعه تک فرکانس لیزر در حسگرهای نوری قلم توسط پردازنده ها جهت حرکت قلم را مشخص میکند .از طرفی یک دوربین دیجیتال میکرو نیز میتواند در شناخت مکان نشانگر لیزر بر روی پیکسلهای پرده نمابش دیتاپروجکتور بکار آید . قلم نوری لیزری با طول موج مادون قرمز(IR645)

اسلاید 25: پایان