Utilizzare emettitori IR ottimizzati per ridurre al minimo i compromessi sulle prestazioni

Il primo diodo luminescente (LED) nello spettro visibile fu sviluppato dal professor Nick Holonyak Jr. nel 1962 e commercializzato nel giro di pochi anni. Era disponibile solo nel colore rosso e la luminosità era bassa e incostante da un lotto all'altro. Tuttavia, fu il primo passo verso progressi significativi rispetto alle sorgenti luminose a incandescenza e al neon, che ben presto portò l'illuminazione a stato solido a diventare una realtà del mercato di massa.

Nonostante i difetti iniziali, questi LED vennero presto utilizzati come lampade di segnalazione e indicatori di lettura numerica, sia in una matrice di LED sia in un display a sette segmenti con lenti a forma di barra. Un'intensa attività di ricerca e sviluppo ha portato a ulteriori scoperte, tra cui lo sviluppo di LED gialli e verdi negli anni '70 e, soprattutto, la creazione del LED blu ad alta luminosità a metà degli anni '90.

Questo ha aperto la strada alla luce bianca, che combina il LED blu con LED rossi e verdi o aggiunge un rivestimento al fosforo. Il resto della storia dei LED, compresa la loro egemonia nella retroilluminazione, nell'illuminazione di aree e altro ancora, è noto a tutti.

Tuttavia, c'è una dimensione meno visibile del progresso dei LED: lo sviluppo di dispositivi allo stato solido che emettono principalmente o esclusivamente nella regione infrarossa (IR) dello spettro. Pertanto, l'emissione luminosa non è visibile. Sebbene ciò possa sembrare di scarsa utilità per il consumatore medio, questi LED IR, più appropriatamente chiamati emettitori IR, sono estremamente preziosi in applicazioni scientifiche, industriali, di rilevamento, di autenticazione, di tracciamento biometrico e persino in alcune applicazioni consumer.

Le caratteristiche uniche degli emettitori IR

Come nel caso dei LED rossi, i primi emettitori IR avevano prestazioni limitate e incostanti. Tuttavia, offrivano vantaggi rispetto alle tradizionali fonti IR, come i filamenti incandescenti filtrati.

Gli odierni emettitori IR garantiscono elevate prestazioni in tutti i principali parametri elettrici e ottici. Inoltre, sono progettati per ottimizzare ed esaltare attributi prestazionali specifici, consentendo agli utenti di selezionare l'emettitore IR capace di offrire prestazioni superiori in una data applicazione finale.

Questi dispositivi tendono ad avere lunghezze d'onda di uscita centrate su 850, 920 e 940 nm (Figura 1). Si noti che 850 nm è vicino al confine sfocato tra le regioni visibile e IR dello spettro, con conseguente leggero bagliore rosso proveniente dall'emettitore IR alla lunghezza d'onda più corta.

Figura 1: Gli emettitori IR funzionano nell'intervallo da 780 a 1400 nm; la lunghezza d'onda IR ampiamente utilizzata di 850 nm può anche presentare una certa luminosità rossa visibile, poiché è vicina al limite dello spettro rosso della luce visibile. (Immagine per gentile concessione di Gigahertz-Optik Inc.)

Componenti degli emettitori IR all'avanguardia

Gli emettitori IR OSLON P1616 e OSLON Black di ams OSRAM sono esempi lampanti delle capacità e dei progressi tecnici degli emettitori IR. Entrambe le serie utilizzano la tecnologia dei chip IR:6 di ams OSRAM per prestazioni migliori, tra cui miglioramenti nel riflettore interno del chip e nel design dello specchio del chip che riducono le perdite ottiche nel die aumentando al contempo l'intensità radiante. Secondo ams OSRAM, gli emettitori IR risultanti hanno un'efficienza con spina a parete del 42% superiore e una potenza del 35% superiore rispetto a quelli attualmente disponibili.

Le principali differenze tra le serie OSLON P1616 e OSLON Black sono le dimensioni eccezionalmente ridotte della prima e la varietà di fattori di forma e schemi di illuminazione della seconda.

Ad esempio, dispositivi P1616, come SFH 4182BS-CB2DB1-11 (Figura 2, in alto), un dispositivo IR ad alta potenza che emette a 940 nm (Figura 2, in basso a sinistra), ha un ingombro compatto di 1,6 × 1,6 mm per progetti ad alta densità. L'altezza può variare a seconda della lente e dello stile. Le applicazioni includono l'identificazione biometrica per il controllo degli accessi, l'autenticazione tramite riconoscimento facciale 2D per laptop e campanelli intelligenti e l'illuminazione a infrarossi.

I componenti della famiglia P1616 offrono l'intensità radiante nominale migliore della categoria, compresa tra 190 e 765 mW/sr, e un flusso radiante compreso tra 1000 mW e 1650 mW. Il modello SFH 4182BS-CB2DB1-11 ha un'intensità radiante tipica di 455 mW e un flusso radiante all'estremità superiore di 1650 mW. Sia l'intensità che il flusso sono stati misurati a 1 A, ma possono variare a seconda del suffisso del dispositivo.

Anche il modello SFH 4182BS-CB2DB1-11 presenta caratteristiche di radiazione angolare ben definite in condizioni di prova con corrente diretta di 1 A e una larghezza di impulso di 10 ms (Figura 2, in basso a destra). L'utilizzo della tecnologia Nanostack nella serie aumenta l'emissione di quasi il 180%. Sono disponibili versioni con lenti pronte per il design-in, mentre le versioni senza lenti si prestano a configurazioni ottiche personalizzate.

Figura 2: L'emettitore IR ad alta potenza SFH 4182BS-CB2DB1-11 con lente (in alto) serie P1616 ha una banda di emissione stretta a 940 nm (in basso a sinistra); il dispositivo ha caratteristiche di radiazione angolare ben definite (in basso a destra) (impulso da 1 A, 10 ms). (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

La serie P1616 offre tre opzioni di lunghezza d'onda: 850 nm per un'elevata sensibilità della telecamera, 940 nm per una luminosità rossa ridotta per applicazioni di sicurezza e per interni (modalità semi-segreta) e 920 nm per un equilibrio di compromessi. Le diverse opzioni di angolo di visione disponibili vanno da ±25° a ±60° e ne consentono l'uso in un'ampia gamma di applicazioni, comprese quelle che richiedono una visione rettangolare.

I dispositivi della serie OSLON Black, come SFH 4716B (Figura 3, in alto), sono emettitori IR ad alte prestazioni ed economici. SFH 4716B ha una lunghezza d'onda di picco di 850 nm (Figura 3, in basso a sinistra). La serie comprende anche dispositivi a 920 e 940 nm e combina un flusso ottico totale estremamente elevato in contenitori compatti standard del settore con un ingombro di 3,75 × 3,75 mm.

Questa serie di emettitori offre flessibilità di progettazione grazie alla sua ampia varietà di contenitori e opzioni di chip, nonché alla disponibilità di varianti con chip impilati e non impilati per diversi livelli di luminosità. Le principali applicazioni includono il riconoscimento facciale 2D, le telecamere TVCC a lungo e corto raggio, la sicurezza domestica, la visione artificiale e il riconoscimento delle targhe.

Le prestazioni dei dispositivi includono un'intensità radiante compresa tra 200 e 280 mW/sr (a 1 A), un flusso radiante di 1050 o 2000 mW (a 1 A/2 A) e una bassa resistenza termica per il funzionamento a temperature elevate, che possono essere dovute alla temperatura ambiente e al funzionamento c.c. ad alta corrente. La distribuzione dell'irradiazione del modello SFH 4716B (Figura 3, in basso a destra) differisce leggermente da quello del modello SFH 4182BS-CB2DB1-11 in condizioni di test simili. Tuttavia, come il resto della serie Black, mantiene lo stesso ampio angolo di visione da ±25° a ±60°.

Figura 3: SFH 4716B (in alto) della serie OSLON Black di emettitori IR ha un'emissione di picco a 850 nm (in basso a sinistra) e una distribuzione dell'irradiazione leggermente diversa (in basso a destra) rispetto a SFH 4182BS-CB2DB1-11. (Immagine per gentile concessione di ams OSRAM)

Conclusione

È affascinante vedere come gli emettitori IR si siano evoluti da componenti relativamente rudimentali e instabili a sorgenti IR ad alte prestazioni, costanti e ampiamente disponibili. Le versioni più recenti, come le serie OSRAM OSLON P1616 e OSLON Black, offrono ai progettisti una combinazione di prestazioni elevate e un'ampia scelta di lunghezza d'onda, dimensioni, intensità e altri parametri chiave. Questi emettitori IR portano a diverse applicazioni che spaziano dalla sicurezza biometrica all'imaging di aree e alla visione artificiale.

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1: Light is security: Selection guide and product portfolio for infrared vision applications (brochure)

https://look.ams-osram.com/m/39974ab4771efcd2/original/aO-IRED-Brochure-112023.pdf

2: SFH 4182BS OSLON P1616 - Scheda tecnica

https://look.ams-osram.com/m/154b521f0188e2f1/original/SFH-4182BS.pdf

3: SFH 4716B OSLON Black - Scheda tecnica

https://look.ams-osram.com/m/19ecb8089d239a55/original/SFH-4716B.pdf