Verwendung optimierter IR-Emitter zur Minimierung von Leistungskompromissen

Die erste Leuchtdiode (LED) für den sichtbaren Spektralbereich wurde 1962 von Professor Nick Holonyak Jr. entwickelt und innerhalb weniger Jahre auf den Markt gebracht. Man konnte sie nur in der Farbe Rot bekommen, und die Helligkeit war gering und von Charge zu Charge uneinheitlich. Dennoch war dies der erste Schritt zu bedeutenden Fortschritten gegenüber Glühbirnen und Neonröhren und machte die Festkörperbeleuchtung zu einer Realität auf dem Massenmarkt.

Trotz der anfänglichen Unzulänglichkeiten wurden diese LEDs bald als Anzeigelampen und digitale Anzeigen verwendet, entweder in einer Matrix aus LEDs oder in einer Sieben-Segment-Anzeige mit balkenförmigen Linsen. Intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeit führte zu weiteren Durchbrüchen, darunter die Entwicklung gelber und grüner LEDs in den 1970er Jahren und - ganz entscheidend - die Entwicklung der blauen LED mit hoher Leuchtkraft Mitte der 1990er Jahre.

Diese Entwicklung ebnete den Weg für weißes Licht, indem die blaue LED mit roten und grünen LEDs kombiniert oder mit einer Phosphorbeschichtung versehen wurde. Der Rest der allgemeinen LED-Geschichte, einschließlich ihrer Dominanz bei der Hintergrundbeleuchtung, der Flächenbeleuchtung und mehr, ist wohl bekannt.

Dennoch gibt es eine weniger sichtbare Dimension des LED-Fortschritts: die Entwicklung von Halbleiterbauteilen, die hauptsächlich oder ausschließlich im Infrarotbereich (IR) des Spektrums emittieren. Daher ist ihr ausgestrahltes Licht nicht sichtbar. Auch wenn dies für den Durchschnittsverbraucher wenig sinnvoll erscheint, sind diese IR-LEDs, die besser als IR-Emitter bezeichnet werden, in wissenschaftlichen, industriellen, sensorischen, Authentifizierungs-, biometrischen und sogar in einigen Verbraucheranwendungen äußerst wertvoll.

Die einzigartigen Eigenschaften von IR-Emittern

Wie bei den roten LEDs war auch die Leistung der ersten IR-Emitter begrenzt und uneinheitlich. Dennoch boten sie Vorteile gegenüber herkömmlichen IR-Quellen wie gefilterten Glühbirnen.

Die heutigen IR-Emitter sind in allen wichtigen elektrischen und optischen Parametern sehr leistungsfähig. Darüber hinaus sind sie darauf zugeschnitten, bestimmte Leistungsmerkmale zu optimieren und hervorzuheben, so dass die Benutzer den IR-Emitter auswählen können, der in einer bestimmten Anwendung die beste Performance bietet.

Diese Komponenten haben in der Regel Ausgangswellenlängen im Bereich von 850, 920 und 940 Nanometern (nm) (Abbildung 1). Beachten Sie, dass 850 nm nahe an der unscharfen Grenze zwischen dem sichtbaren und dem IR-Bereich des Spektrums liegt, was zu einem leichten roten Leuchten des kurzwelligen IR-Strahlers führt.

Abbildung 1: IR-Emitter arbeiten im Bereich von 780 bis 1400 nm; die weit verbreitete IR-Wellenlänge von 850 nm kann auch ein sichtbares rotes Glühen aufweisen, da sie nahe am Rande des roten Spektrums des sichtbaren Lichts liegt. (Bild: Gigahertz-Optik Inc.)

Hochmoderne IR-Emitter-Komponenten

Die IR-Emitter OSLON P1616 und OSLON Black von ams OSRAM sind anschauliche Beispiele für die Möglichkeiten und den technischen Fortschritt von IR-Emittern. Beide Serien nutzen die IR:6-Chiptechnologie von ams OSRAM für eine verbesserte Performance, einschließlich Verbesserungen des internen Chipreflektors und des Chipspiegeldesigns, die die optischen Verluste im Chip reduzieren und gleichzeitig die Strahlungsintensität erhöhen. Laut ams OSRAM weisen die daraus resultierenden IR-Strahler eine um 42 % höhere Effizienz und eine um 35 % höhere Lichtleistung auf als derzeit verfügbare Produkte.

Die Serie OSLON P1616 unterscheidet sich von der OSLON Black in erster Linie durch ihre außergewöhnlich geringe Größe und durch die Vielfalt an Formfaktoren und Beleuchtungsmustern.

P1616-Bauelemente wie das SFH 4182BS-CB2DB1-11 (Abbildung 2, oben), ein leistungsstarkes Infrarot-Bauelement, das bei 940 nm emittiert (Abbildung 2, unten links), haben eine kleine Grundfläche von 1,6 × 1,6 Millimetern (mm) für dicht gepackte Designs. Ihre Höhe kann je nach Linse und Stil variieren. Zu den Anwendungen gehören die biometrische Identifizierung für die Zugangskontrolle, die 2D-Authentifizierung per Gesichtserkennung für Laptops und intelligente Türklingeln sowie die IR-Beleuchtung.

Die Mitglieder der P1616-Familie bieten eine erstklassige nominale Strahlungsstärke von 190 bis 765 Milliwatt/Steradiant (mW/sr) und einen Strahlungsfluss von 1000 mW bis 1650 mW. Die SFH 4182BS-CB2DB1-11 hat eine typische Strahlungsstärke von 455 mW und einen Strahlungsfluss am oberen Ende von 1650 mW. Sowohl die Intensität als auch der Lichtfluss wurden bei 1 Ampere (A) gemessen, können aber je nach Gerätebezeichnung abweichen.

Der SFH 4182BS-CB2DB1-11 zeigt auch eine gut definierte Winkelabstrahlcharakteristik unter Testbedingungen von 1 A Durchlassstrom und einer Pulsbreite von 10 Millisekunden (ms) (Abbildung 2, unten rechts). Durch den Einsatz der Nanostack-Technologie erhöht sich die Lichtleistung der Serie um fast 180%. Es werden Versionen mit Linsen angeboten, die sofort einsatzbereit sind, während Versionen ohne Linsen kundenspezifische optische Anordnungen ermöglichen.

Abbildung 2: Der linsenbehaftete IR-Hochleistungsemitter SFH 4182BS-CB2DB1-11 (oben) aus der Serie P1616 hat ein schmales Emissionsband bei 940 nm (unten links); der Baustein hat eine gut definierte Winkelabstrahlcharakteristik (unten rechts) (1 A, 10 ms Puls). (Bildquelle: ams OSRAM)

Die P1616-Serie bietet drei Wellenlängenoptionen: 850 nm für eine hohe Kameraempfindlichkeit, 940 nm für ein reduziertes rotes Leuchten für Sicherheits- und Innenraumanwendungen (halb verdeckter Modus) und 920 nm für ein ausgewogenes Verhältnis von Kompromissen. Die verschiedenen verfügbaren Betrachtungswinkel reichen von ±25° bis ±60° und ermöglichen den Einsatz in einem breiten Spektrum von Anwendungen, einschließlich solcher, die eine rechteckige Ansicht erfordern.

Komponenten aus der Serie OSLON Black, wie die SFH 4716B (Abbildung 3, oben), sind kostengünstige und leistungsstarke IR-Emitter. Die SFH 4716B hat eine Spitzenwellenlänge von 850 nm (Abbildung 3, unten links). Die Serie umfasst auch Bauelemente für 920 und 940 nm und kombiniert einen außergewöhnlich hohen optischen Gesamtfluss mit kleinen Industriestandardgehäusen mit einem Footprint von 3,75 × 3,75 mm.

Diese Emitter-Serie bietet Flexibilität bei der Entwicklung von Anwendungen, da eine Vielzahl von Gehäusen und Chip-Optionen sowie gestapelte und nicht gestapelte Chip-Iterationen für unterschiedliche Helligkeitsstufen verfügbar sind. Zu den führenden Anwendungen gehören 2D-Gesichtserkennung, CCTV-Kameras mit großer und geringer Reichweite, Haussicherheit, maschinelle Bildverarbeitung und Nummernschilderkennung.

Die Performance der Komponenten umfasst eine Strahlungsintensität von 200 bis 280 mW/sr (bei 1 A), einen Strahlungsfluss von 1050 oder 2000 mW (bei 1 A/2 A) und einen geringen Wärmewiderstand für den Betrieb bei erhöhten Temperaturen, was auf die Umgebungstemperatur und den Hochstrom-Gleichstrombetrieb zurückzuführen sein kann. Das Strahlungsdiagramm des SFH 4716B (Abbildung 3, unten rechts) unterscheidet sich leicht von dem des SFH 4182BS-CB2DB1-11 unter ähnlichen Testbedingungen. Wie die übrigen Modelle der Black-Serie verfügt das Bauteil jedoch über den gleichen weiten Blickwinkelbereich von ±25° bis ±60°.

Abbildung 3: Die SFH 4716B (oben) aus der Serie OSLON Black von IR-Emittern hat eine Spitzenleistung bei 850 nm (unten links) und ein leicht verändertes Strahlungsmuster (unten rechts) im Vergleich zur SFH 4182BS-CB2DB1-11. (Bildquelle: ams OSRAM)

Fazit

Es ist faszinierend zu sehen, wie sich IR-Emitter von relativ groben und unberechenbaren Komponenten zu weithin verfügbaren, leistungsstarken und konsistenten IR-Quellen entwickelt haben. Die neuesten Versionen, wie die der Serien OSLON P1616 und OSLON Black von ams OSRAM, bieten Entwicklern eine Kombination aus hoher Performance und einer großen Auswahl an Wellenlängen, Größen, Intensitäten und anderen wichtigen Parametern. Diese IR-Emitter ermöglichen vielfältige Anwendungen, die von biometrischer Sicherheit bis hin zu Flächenbeleuchtung und maschineller Bildverarbeitung reichen.

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1: Licht ist Sicherheit: Auswahlhilfe und Produktportfolio für Infrarot-Anwendungen für die Bildverarbeitung (Broschüre)

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

2: SFH 4182BS OSLON P1616 - Datenblatt

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

3: SFH 4716B OSLON Black - Datenblatt

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