Сборка оптической схемы

[Lib_serg]

По делу.
Надо бы знать размер сечения оптоволокна.
Я бы сделал оптическую систему из
а) Дверного глазка, который имеет сдеклянную оптику и угол зрения 170-180 градусов
б) микроскоповского объектива (фокус и апертурное число - подберём в зависимости от диаметра волокна).

На другойстороне - аналогично.

Или я не так понял задачу?

немножко не так, луч передается по воздуху из окна в прямой видимости (оконных стекол на пути луча нет), нам всего лишь необходимы параметры линз в оптической системе для заказа на их изготовление

[Дрюша]

Тогда - за фигом мутить с рассеивающей сферой? Лазерный свет - теми ценен, что он может быть очень хорошо коллимированный. А когда он на чём-то рассеян, то уже ничемне лучше света от банальной лампочки. Я бы взял на обеих сторонах какую-нибудь подзорную трубу типа ЗРТ-457 на штативе. Сделал бы переходник, как обычно делают крепление для искателей на телескопе (в двух кольцах или цилиндре, и на шести винтах) с регулировкой по боковому сдвигу (2 степени свободы) и заклонам (ещё 2 степени свободы). Продольное положение и поворот вокруг оси - без разницы. Вот. Пускай лазер смотрит прямо в окуляр. Можно сфокусировать так, что из объектива апертурой 50-70 мм лазерный луч с расстояния 1.5 км попадал в апертуру такого же размера, то есть, - без потерь энергии (кроме поглощения в атмосфере)

[Алексей Юдин]

Вот-вот, зачем бежать выкидывать деньги на заказуху, если всё можно спокойно сделать из готовой оптики... Более того, панковать не обязательно - если надо закупать официально, то в любой рассыпушной фирме всё есть - объективы, держатели, подвижки. Тут вообще можно замутить макет следящего терминала связи с пеленгатором, благо светоделитель и вебкамера не проблема. И вот тогда то и открываются интересные вещи типа наглядной демонстрации вхождения в связь, модуляции сигнала при уходе с центрального максимума и работе на боковой полосе аппаратной функции, в реальном времени дети могут увидеть как С/Ш в тракте меняется - в общем, если хоть чуть-чуть головой подумать и творчески подойти, а не жаждать красивых стёклышек, можно очень увлечь вопросами передачи информации - как в аналоговой, так и в цифровой области. Главное правильно подойти и начать, а потом можно расширять кубиками.

[Lib_serg]

Тогда - за фигом мутить с рассеивающей сферой? Лазерный свет - теми ценен, что он может быть очень хорошо коллимированный. А когда он на чём-то рассеян, то уже ничемне лучше света от банальной лампочки. Я бы взял на обеих сторонах какую-нибудь подзорную трубу типа ЗРТ-457 на штативе. Сделал бы переходник, как обычно делают крепление для искателей на телескопе (в двух кольцах или цилиндре, и на шести винтах) с регулировкой по боковому сдвигу (2 степени свободы) и заклонам (ещё 2 степени свободы). Продольное положение и поворот вокруг оси - без разницы. Вот. Пускай лазер смотрит прямо в окуляр. Можно сфокусировать так, что из объектива апертурой 50-70 мм лазерный луч с расстояния 1.5 км попадал в апертуру такого же размера, то есть, - без потерь энергии (кроме поглощения в атмосфере)

Схема понятна, но как визуально будет виден полученный свет? Просто опять будет выходить луч? Необходимо чтобы этот луч на чем-нибудь был виден, для этого и нужна матовая полая сфера, которая будет светиться. Так как класс не маленький, нужно чтобы всем было видно, и потом дети могли сами разобрать и проанализировать систему.  В нашем лицее учатся дети заинтересованные в изучении информационных технологий вот и выдумываем наглядные пособия для лучшего понимания вопроса.

[Дрюша]

Да ушшш. Можно действительно не панковать, а всё заказать на фирме... И будет всё работать в лучшем виде. Да только...Только сами детишки - зевать будут. Играть в морской бой, писать любовные записочки... Короче, - делать всё что угодно, лишь бы ничего не делать.

А можно... Можно и попанковать. Вернее, нехай детишки сами панкуют. Берут ножовку, электродрель, метчики-плашки...

Ах, да, и паяльник. Можно спаять так. Взять выход от COM-порта (если ещё сохранился столь древний компьютер, у которого есть такой порт). Там, помнится, есть три основные линии: TxD (выходной: передача данных), RxD (входной: приём данных) и общая сигнальная земля. Всё. Трёх проводов - достаточно. Ну, на обоих сторонах запаять накоротко CtS на RtS, DCD на DSR... То есть, порт когда сам готов, то будет думать - что та сторона готова (на самом деле ловит свои собственные сигналы). Далее. Линию TxD поставить на усилок. Потребуется только один транзистор и, возможно, резистор. Короче, пускай сигнал управляет током до 3 вольт, но силой до 70-100 ма (столько ест лазер 200 милливат). Насколько я помню, на сигнальных линиях СОМ-порта номинальное напряжение было 12 вольт, пороговое около 3 вольт, так что многие условно-совместимые устройства работали на самом деле на 5 вольтах, хотя и нестабильно на больших скоростях... Но ампераж там... Что-то типа около 2 мА, что ли... То есть, там защитное сопротивление 6 кОм, чтобы даже при коротком замыкании порт не сгорел (если что сгорит, так только само это защитное сопротивление). Так что, усилок - надо.

Далее. RxD лучше всего потключить через фоторезистор. Хотя, можно и фотоэлемент (батарею фотоэлементов). По идее, 200 милливатт, даже ослабленные раза в 2 за счёт потерь и раз в 20 за счёт КПД фотоэлемента,на пределе способны дать сигнал, который заметит COM-порт. Но,имхо, лучше - фоторезистор и усилок хотя бы на одном транзисторе. Чтоб и вольтаж, и ампераж были по номиналу. Ну, короче, на обоих сторонах - одинаковые системы. Каждая из них превращает (на самом деле управляет и модулирует) сигнал TxD в лазерныйлуч, а другой лазерный луч ловит, и преобразует в сигнал (12 вольт, до 2 мА), который направляет на RxD. Сигнальная земля - не дальше схем усиления. Схемы "здесь" и "там" гальванически развязаны.

Далее. Брутся две пары оптических систем типа телескопа (можно монокуляры типа МП 20х60 или ЗРТ-457). Одна "смотрит" в объектив другой, а третья в объектив четвёртой. Одна-другая передают-принимают сигнал TxD одногй стороны и превращают в RxD на другой, и наоборот по третьей-четвёртой сигнал идёт от другой к одной. С точки зрения программного обеспечения получается банальное нуль-подемное соединение без аппаратного управления потоками (потоками управлять придётся чисто программно).

Далее. Пускай детишки сами напишут драйвер. Лично я бы мог написать под DOS или, на худой конец, под Windows-95-98-ME. Там надо бы иметь прямой доступ к портам ввода-вывода, прерываниям и всё такое. Короче, я когда-то баловался под DOSом, и могу сказать, что обычный COM-порт чисто аппаратно можно выставитьна такую скорость передачи, что он станет передавать 1 бит за несколько секунд (или даже достаточно 2-3 бита в секунду), а один байт будет передаваться до нескольких десятков секунд (или хотя бы за 4-5 секунд). Следует учесть, что для кодирования одного байта потребуется не менее 10 бит: там ещё стартовый и стоповый кроме данных. Можно залудить ещё проверку чётности и 2 стоп-бита для надёжности. Тогда 12 бит на байт (хотя байт можно сделать 5-,6-,7- или 8-битным, но я предполагаю, что 8 бит). Настроив порт на такую нестандартную скорость (а стандартная по минимуму - то ли 110, то ли 300 бод, меньше просто бессмысленно, поэтому среди стандартных скоростей таких не предусмотрено, и операционная система их не знает, ей не объяснишь, хотячисто аппаратно - можно). Так вот. Скажем, на скорости 2-3 бита в секунду (или примерно 1 байт в 3-5 секунд) можно воочию наблюдать, как передаются биты и байты. На скоростях до 10-15, и даже до 30-40 бит в секунду будет видно мелькание, но разобрать будет трудно. Зато 1-3 байта в секунду - уже видно. Тут нажал клавишу, там через секунду что-то появилось. На более высоких скоростях (более 45-50 мельканий в секунду) глаз не заметит. Тогда уж без разницы: наглядности процесса - уже нет. Тогда уж лучше поднять скорость до стандартных 300 бод или выше. Далее. Не знаю, сколько включений-выключений в секунду реально потянут схемы усиления, сами лазеры и фотоэлементы, но есть основания полагать, что могут потянуть и все 115200 бод. Если так, то - хорошо. Это в 2 раза лучше, чем по самому хорошему телефонному модему. Можно даже Интернет по воздуху пробрасывать.

Я думаю, что если детишки всё это сделают сами, (ну, под чутким руководством),то понимание предмета у них будет достаточно полное. Цель (изучение информатики) будет достигнута.

[Дрюша]

Схема понятна, но как визуально будет виден полученный свет? Просто опять будет выходить луч?

А чё? Дажеот 100-милливаттного лазера в сумерках сам луч хорошо виден. Ну, если затянуться сигаретой и напустить чуть-чуть дыма (или можно попроситького-нибудь из самых отпетых хулиганов устроить "дымолуху", как мы в своё время баловались), то лазерный луч будет виден оченьхорошо всему классу. И не на какой-то там "сфере в вакууме" (которая - ещё не факт, что имеет какое-то отношение к приёму-передаче данных), а непосредственно исходящий из коллиматора (подзорной трубы). То есть, - сам рабочий луч.

Но если что, сейчас продаются зелёные лазеры и на 500 и на 1000 милливатт. С фокусировкой и встроенным литий-ионным аккуммулятором. Уж 1000 милливатт, я думаю, будет красиво смотреться даже в освещённом фонарями грорде. Особенно - во время снегопада. Гораздо красивше какой-то глупой сферы.

[Алексей Юдин]

Это несколько другой вид занятий - это физический кружок получается. Это безусловно очень хорошо, но увы надеяться что нынешняя школота, даже отобранная по конкурсу в лицей, потянет это в разумные сроки, увы, не приходится... Скорее всего это придётся делать педагогам-энтузиастам, а это наверняка означает закупку готовых компонент, т.к. сейчас жаждущие стать быдлокодером подростки ох как падки на понты... Для них всё должно быть фрезеровано, зачернено и просветлено...

[Дрюша]

Далее. Пускай детишки сами напишут драйвер. Лично я бы мог написать под DOS или, на худой конец, под Windows-95-98-ME.

Кстати. Чтобы не грузить детишек фигнёй, предложение - такое. На базе отдельного компьютера (например, взять древний-древний ноутбук с COM-портами) на котором установлена примитивная операционная система типа MS-DOS или Windows-95, и выполняется одна конкретная программа (которая грузится автоматически через AUTOEXEC.BAT). Этот компьютер имеет по крайней мере 2 СОМ-порта. Выполняемую на нём прогу (я мог бы написать такую сам) можно регулировать руками (например, выставлять нестандартные скорости), а можно не регулировать. Эта же прога буферизирует данные, регулирует скорость приёма-передачи, и может даже поддерживать систему команд Hayes-совместимого модема (хотя бы самого примитивного, то есть, - самую базовую систему AT-команд). Ну, он же будет управлять усилками, лазерами, туда-сюда... И не жалко, если сгорит. А для другого компа, с которым он связывается по другому COM-порту обычным нуль-модемным кабелем, он будет выглядеть как банальный Hаyes-совместимый модем. Комп, к которому он будет подключаться, даже в принципе не отличит его от модема (то есть, поймав сигнал просто подключения по DTR/DSR сразу спросит: "Ты кто?", а он ответит: "Я модем Hayes!", а тот - поверит). Тогда любая операционка, хоть Windows-7, хоть Linux подцепит его за милую душу. Можно пробрасывать локалку (удалённый доступ), давать доступ в Интернет...

[Astrocaster]

По поводу линз, то уберите у лазера его оптику, купите Beam Expander в компаниях торгующих лазерами и лазерным оборудованием, а лучше поставьте задачу им, изготовление оптики под заказ для такой вот системы нерационально. Все рвно выйдет дорого.

С особо мощными лазерами, используя BeamExpander можно получить приемлемую концентрацию энергии на расстоянии до 25км, даже тесты проводились.

[Astrocaster]

Да, а если он будет очень дорог, то купите дешевый телескоп и с его помощью сделайте тот же BeamExpander
Только в них (BeamExpander) вместо окуляра обычно используется отрицательная линза, расхождение луча будет намного ниже чем у обычной указки.

[Дрюша]

По поводу линз, то уберите у лазера его оптику, купите Beam Expander в компаниях торгующих лазерами и лазерным оборудованием, а лучше поставьте задачу им, изготовление оптики под заказ для такой вот системы нерационально. Все рвно выйдет дорого.

С особо мощными лазерами, используя BeamExpander можно получить приемлемую концентрацию энергии на расстоянии до 25км, даже тесты проводились.

Такыж задача насамом деле - не так ставится. А ставится она так, чтобы прое , тьфу, освоить денежные средства, выделенные спонсорами или по грантам... Ппрчём, потратить намного больше, чем это стоит на самом деле (за что от подрядчика или поставщика получить откат), но чтобы отчётность была оформлена так, что комар носа не подточит.

[knoleg]

Такыж задача насамом деле - не так ставится. А ставится она так, чтобы прое , тьфу, освоить денежные средства, выделенные спонсорами или по грантам... Ппрчём, потратить намного больше, чем это стоит на самом деле (за что от подрядчика или поставщика получить откат), но чтобы отчётность была оформлена так, что комар носа не подточит.

Злые  вы 

[Okub62]

Что за тенденция всё усложнять? Я бы проще поступил. На входе поставил бы фоторезистор (фотодиод, -транзистор ...), затем простую усилительную схему с лампочкой на выходе, окрашенной в цвет луча лазера. Всё это - в матовый шар (от старого светильника "шар" или аналогичного). При попадании на фотоприёмник модулированного лазерного луча лампочка будет мигать синхронно с ним, как будто это луч "распушился". Дёшево и сердито. И наглядно, без ненавистных компьютеров и мониторов.
Как популярная некогда цветомузыка.

[Piter_Korn]

Лампочка - она инерционная! Только СветлоДиод спасет отцов! А мне синий бОльше нравится. В свое время, лет 35 назад Морзянку принимали по морганию неоновой лампочки, скорость была до 100 зн./мин. (грубо говоря 2-е буквы в сек.) Лампочка (накаливания) так не сможет!

[Алексей Юдин]

Тут как раз задача сделать всё медленно, чтобы школьники себя почувствовали ремарковской женщиной!

[Okub62]

Лампочка - она инерционная! Только СветлоДиод спасет отцов! А мне синий бОльше нравится.

Да, какая разница. Можно и светодиоды, можно тактовую частоту модуляции низкую сделать, это же демонстратор, а не деловой прибор с максимально возможной скоростью передачи. Дело в принципе.

[Piter_Korn]

Все равно: лампочка - не кошерно! А вдруг вундеркинг объявится и будет моргания в текст "на лету" перекодировать!?

[Дрюша]

Можно и так. Только подозрение может закрасться, что тебя омманывають. А то бы - и всё можно было бы программно имитировать.

Я ещё вот что подумал. Ну, у китайских лазерных указок, тамобычно написано, что расходимость луча, дескать, не более 1'. Да только - наврано обычно бывает. Если простым глазом видно размер и форму пятнышка, то расходимость никак не 1', а в лучшемслучае - минуты 3-4. Незнаю, может быть в более мощных указках (которые не 100-200, а 500-1000 мВт), у которых есть ручная фокусировка, можно поточнее сфокусировать, и получить-таки 1'... Может быть, а может - не быть (если дело не в расфокусировке, а в аберрациях, разъюстировках и неточности изготовления оптики). А ещё "светящееся тело" у твердотельного лазера имеет конечные размеры... Ну а минута... Это было бы уже близко к дифракционному качеству оптики при том диаметре луча света, который фактически выходит из лазера (на глаз где-то около 2-3 мм). Точнее - при всём жедании сфокусировать не удастся, будь точность оптики хоть 1/100 лямбды, хоть молекулярной точности при идеальной фокусировке.

Ну ладно. Пускай даже расходимость лазерного луча из указки - и взабыль составляет 1'. Тогда на расстоянии 1500 метров даст пятно рассеяния размером примерно 43 сантиметра. Если же брать реально, то есть, расходимость 3-4 минуты, то пятно будет метр-полтора. То есть, с тосностью до окна. Но. Если взять этот луч и пропустить сквозь хотя бы обычный ширпотребовский наблюдательный прибор (монокуляр, телескопчик, подзорную трубу), направив его в окуляр, то из объектива будет исходить более широкий, но более качественно коллимированный луч. К тому же, если даже примитивная лазерная указка не имеет ручной фокусировки, то за счёт возможностей фокусировочного устройства оптического прибора - можно сфокусировать пучок хоть на полтора километра, хоть на сколько. И пятно рассеяния в первом приближении будет во столько раз меньше, во сколько увеличивает этот прибор. Предположим, у нас это монокуляр МП 20х60 (ЗОМЗ, Салават). У него диаметр объектива 60 мм, а выходной зрачок 3 мм (во столько же раз меньше, во сколько увеличение). Лазерный луч из указки на выходе имеет диаметр - тоже примерно 3 мм. Если его достаточно точно позиционировать на выходной зрачок, то на выходе из объектива монокуляра он будет иметь диаметр 60 мм, но точность фокусировки - примерно в 20 раз выше. Ну, правда, там могут добавиться аберрации самого оптического прибора, но всё равно, пускай нам не удастся сфокусировать луч в пятнышко размером 22 мм (теоретически возможный предел), но в 60 мм (почто в три раза больше) - это запросто. Лазерный луч диаметром 60 мм, конечно, не так эффектен, как диаметром 3 мм, но зато на дистанции 1500 м практически не уширяется. И в темноте + туман, изморось, снегопад или сигаретный дым, - тоже виден довольно отчётливо. И если не том конце - тоже оптический прибор (на базе такого же монокуляра или фотообъектива) с апертурой тоже примерно 60 мм, то этот луч можно поймать практически целиком. Этого достаточно чтобы даже днём, при ярком солнце, соотношение сигнал/шум было бы более чем приемлемым. На том конце следует поставить или очень сильное окулярное увеличение (несколько десятков крат, эквивалентный фокус примерно 10 метров, относительный фокус примерно 1:150) и в фокальной плоскости - отверстие размером порядка 0.5 мм, либо без окулярного увеличения, просто отверстие диаметром 30-50 мкм. Это может быть отверстие, наколотое иголкой в металлической фольге. Короче, сделав такой прибор, можно отселектить свет, поступающий из полутора-километровой дали. Ну, положим, на все потери уйдёт 75-80%, а 20-25% попадут - туда куда надо. Тогда от 200-милливаттного лазера 40-50 милливатт - тоже нехило. Соотношение сигнал/шум даже для яркого солнечного дня будет в сотни тысяч раз. Можно ещё засадить туда светофильтр и полярифильтр (лазерный свет, как правило, - поляризованный). Но обычного селенового фотоэлемента, имхо, - маловато будет. Надо либо фоторезистор, либо от элемента - дополнительная усилительная схема. Надо посмотреть ещё, какие из конкретных фотоэлементов имеют какую инерционность. Мне кажется, что даже 40-50 милливатт - более чем достаточно, чтобы взять детектор, пускай, не самый чувствительный, но - безынерционный. Чтобы мог работать на сотнях мегагерц (я думаю, что такой можно выломать из старого сидюка/дивидюка).

Теперь по протоколу сигнала. Тут можно взять за основу - либо асинхронный протокол последовательной передачи данных по COM-порту, либо азбуку Морзе... (я видал когда-то телеграфный адаптер, но больше всего меня там убило, что русская буква "ч" там кодировалась цифрой '4' - почти как в олбанском езыге падонкаф). Для синхронных протоколов придётся запрягать две линии передачи на канал в каждую сторону. Наглядности тут мало. Можно, конечно, при при использовании асинхронного протокола на низких скоростях (около 2 бит/сек) использовать отдельную лампочку или звуковой сигнал для обозначения тактов синхронизации. А можно использовать некое подобие протокола передачи данных по USB... Но на самом деле, конечно, лучше обычный асинхронный последовательный протокол. Я уточнил. Минимальная скорость там примерно 2 бита в секунду. Там есть делитель частоты, он двухбайтовый, и максимальная скорость 115200 достигается засылкой туда значения 1. А если заслать туда 0, то фактически это означает 65536=2^16. То есть, при таком значении делителя скорость будет 115200/65536=1.76 бит/с или 1 бит за 0.57 сек или 1 байт за 5.7 - 6.2 сек (в зависимости от контроля чётности, количества стоп-бит и т.п.). По-моему, это уже вполне различимо, и даже можно самому успевать разбирать не только биты, но и угадывать коды. На более высокоскоростных микросхемах (которые давали до 4 мегабит) используется ещё один делитель тактовой частоты, но при стандартных установках по умолчанию они обычно эмулируют стандартный последовательный порт.

А ещё можно подключиться к принтерному параллельному порту LPT. Он гораздо проще и низкоуровневее, чем последовательный. Там можно извращаться как угодно: и программно эмулировать COM-порт (используя только две сигнальные линии), и азбуку Морзе, и всё что угодно. Там - просто. Есть 8 сигнальных линий данных, и ещё 5 управляющих линий: входных и выходных. Можно использовать только по одной линии "туда" и "обратно", (причём, одна из "обратных" линий при отрицательном перепаде сигнала может возбуждать аппаратное прерывание). Но прерывание можно не использовать, а делать только пуллинг по таймеру. Тупо, но наглядно и надёжно. Опять же, весь этот гемор можно повесить на отдельную машину, которая работает под МS-DOS и может запросто работать с аппаратными портами, прерываниями и т.п. Запрограммировать такое может даже школьник (а, вот, Windows просто так к аппаратуре не подпустит, там нужно писать драйвер уровня ядра, да и то,больше полагаться на системные сервисы, чем на себя).

[Дрюша]

Тут как раз задача сделать всё медленно, чтобы школьники себя почувствовали ремарковской женщиной!

А кто такие ремарковские женцины? Знаю - тургеневских. Знаю - некрасовских (это которые коня на скаку остановит, в горящую избу войдёт...). Но ремарковские... Аааа! Вспомнил! Это которые гвозди из стенок попой вытаскивают! (помнится, был у Ремарка такой эпизод, кажись, в "Чёрном обелиске"). Эти, что ли?

[Дрюша]

Да, какая разница. Можно и светодиоды, можно тактовую частоту модуляции низкую сделать, это же демонстратор, а не деловой прибор с максимально возможной скоростью передачи. Дело в принципе.

Так я - и предлагаю: плавную регулировку скорости от 1.76 до 115200 бод (ровно в 65536 раз). Чтобы сначала наглядно продемонстрировать, и чтобы сами угадать могли, а потом - поднимаем частоту, и вот вам обычный интернет! Можно делать даже серфинг по сети... С передачей звука - уже, правда, - напряжёнка, а видео - тем паче не потянет, но веб-странички просматривать - можно.