Reduzieren der LED-Streuung über Lochblende

Ich mache einen Infrarot-Break-Strahl, um Insekten zu erkennen, indem ich eine IR-Emitter-LED und einen Detektor verwende. Die Insekten fallen in einen Kanal und überqueren schließlich den Strahl, der sich über die Länge des Kanals bewegt.

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Die Insekten sind ziemlich klein, also möchte ich den Strahl so schmal wie möglich machen; Andernfalls könnte ein Insekt einen Teil des Strahls blockieren und unentdeckt bleiben. Das Infrarotlicht der LED hat eine gewisse Streuung. Ich benutzte eine Lochblende, um das Licht in einen Strahl zu schirmen.

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Durch Versuch und Irrtum mit dem 3D-Druck habe ich ein funktionierendes Nadellochprofil gefunden: Nadellöcher mit einem Durchmesser von 1,3 mm und einer Tiefe von 3 mm sowohl auf dem Emitter als auch auf dem Detektor können ein Insekt mit einem Querschnitt von 3 mm x 1 mm erkennen.

Ich möchte den Strahl jedoch noch kleiner machen, um ein Insekt mit einem Querschnitt von 0,5 mm x 0,5 mm zu erkennen, und ich möchte einen strengeren Weg finden, um ein Lochblendenprofil zu definieren. Ich bin mir nicht sicher, welche Auswirkung der Durchmesser und die Tiefe der Lochblende auf die Größe oder Ausbreitung des Strahls haben. Ich habe drei Fragen:

1) Wie wähle ich einen Pinhole-Durchmesser? Wenn ein Laser in einen Spalt eindringt, kommt es zu einer Beugung, aber ist dies ein Problem für eine ausgedehnte Quelle wie eine LED?

2) Wie wähle ich eine Pinhole-Tiefe? Eine dickere Tiefe könnte falsche Messwerte von IR-Licht reduzieren, das von der Seite des Kanals reflektiert wird.

3) Benötige ich Nadellöcher sowohl auf dem Emitter als auch auf dem Detektor? Ich hatte einige Probleme mit IR-Reflexionen von Wänden, wenn der Emitter keine Lochblende hatte, aber das könnte vermieden werden, wenn die Lochblende ausreichend tief gemacht wird.

Im Moment wird die Insektenfalle 3D-gedruckt, aber irgendwann wird sie hergestellt (z. B. spritzgegossen). Ich möchte Laser oder Linsen wegen Größen- und Kostenbeschränkungen vermeiden. Ich bin nicht daran interessiert, die LED zu fokussieren, und ich verstehe, dass ich nur auf einen Bruchteil des Ausgangslichts der LED zugreifen werde.

BEARBEITEN: Der Emitter (Datenblatt) und der Detektor (Datenblatt) sind beide mit Linsen versehen, um ihre Winkelausbreitung zu erhöhen. Daher ist eine Art Blende erforderlich, um einen schmalen Strahl zu erhalten.

Beugung gilt für jedes Licht, nicht nur für Laser.
Ich hatte ein Mehrstrahlsystem mit TDM-gemultiplexten Emittern und Detektoren entworfen, so dass das Blockieren eines Pfades zu einem Zeitpunkt einem anderen Pfad ermöglicht, die AGC aufrechtzuerhalten, so dass eine relative Änderung sehr empfindlich war. Alle Pfade waren 1 m voneinander entfernt, wobei 5-mm-Optos hinter 5-mm-Löchern eingelassen waren und eine sich bewegende Blockierung eines 0,5-mm-Drahts in der Mitte erkennen konnten. So etwas wie die Antwort hier für ein anderes Problem. electronic.stackexchange.com/questions/329438/… nie versucht, Fehler zu finden.
Ich habe einen IRDA-Detektor und einen standardmäßigen 10-Grad-5-mm-IR-Emitter mit einem eindeutigen 8-Bit-Code für jeden Emitter mit ausreichender Intensität verwendet, sodass ein Datenfehler im entsprechenden blockierten Pfad anzeigt, welcher Pfad blockiert war. digikey.ca/product-detail/en/vishay-semiconductor-opto-division/…
Tatsächlich ist die Linse auf jedem so ausgelegt, dass sie die Strahlbreite von Lambertian (165') auf 40' reduziert. Aber Strahler mit <20 Grad (+/-10) sind besser.
Wie groß ist die Kanalbreite, wenn das Ziel 0,5 mm beträgt? und maximaler Lichtweg?
Es ist ein bisschen kompliziert. Der maximale Lichtweg beträgt wahrscheinlich 15-20 mm. Die Kanalbreite ist größer als die Größe des Insekts, vielleicht 10 mm, aber sie ist so geformt, dass das Insekt den Strahl überqueren muss.
@TonyEErocketscientist weist darauf hin, dass Sie keine vollständige oder gar starke Blockierung benötigen, um ein Objekt zu erkennen. Sie brauchen nur ein stabiles Signal mit geringem Rauschen (über die Zeit, in der der Fehler überquert wird) und einen genauen Vergleich. Ein sehr schmaler Strahl macht das Signal jedoch deutlicher.

Antworten (1)

Der Strahl besteht aus den geraden Linien, die den Sendebereich direkt mit dem Empfangsbereich verbinden.

Der emittierende Bereich einer unfokussierten SMT-LED ist ziemlich klein, vielleicht 0,2 mm im Quadrat. Es ist also bereits die gewünschte Lochgröße. Eine kleine LED und eine kleine Fotodiode geben Ihnen einen kleinen Strahl.

Sie müssen das Licht, das in andere Richtungen geht, nicht ausschneiden, da es einfach nicht auf dem Balken liegt.

Beachten Sie, dass die Verwendung einer unfokussierten LED wie dieser Ihnen die gleiche Intensität im (schmalen) Strahl (mW/mm^2) gibt, die Sie mit einer fokussierten LED erhalten – Sie verlieren nichts. Das ist kontraintuitiv, aber wahr. Keine Linse oder kein Spiegel ist in der Lage, das Off-Beam-Licht zurück in den (0,2-mm-) Strahl zu bringen - es ist unmöglich.

Sie möchten sicherstellen, dass Ihre Röhre nicht reflektiert, dh mattschwarz ist, nur um das Streulicht zu reduzieren, das den Detektor erreicht, und die Dunkelheit eines blockierten Strahls zu reduzieren

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Wenn sich die Kammer in der Nähe der LED befindet, ist die Strahlgröße die LED-Emissionsgröße. Wenn es in der Nähe des Detektors ist, dann ist es die Detektorgröße. Sie können die Strahlgröße ändern, indem Sie diese auswählen.

Wenn Sie die Wahl haben, verwenden Sie Leitbleche (senkrecht zum Licht) und keine flachen Wände. Die nächste Wahl ist das Einarbeiten von Nuten mit einem Eckwinkel von 90 Grad.

Sie können mehrere LEDs mit einer Fotodiode haben. Sie können auch einen Bildsensor, Bereich oder linear für die Fotodiode verwenden und einen großen Bereich auf einmal abtasten. Lineare Sensoren sind recht einfach und mit geringem Stromverbrauch mit einem Mikro zu lesen.

Für den niedrigsten Stromverbrauch sind VCSEL-Laser auch in SMT erhältlich und erreichen eine hohe Strahlintensität bei niedrigerer DC-Leistung, da die Streuung kleiner ist (z. B. 8 Grad gegenüber 160 Grad).

Sie können die Linse "entfernen", indem Sie einen Tropfen klares Epoxid auf die Linse geben und ein Mikroskop-Deckglas flach darauf drücken (keine Luftblasen). Jedes flache, durchsichtige Blatt reicht aus.

Sie können Leitbleche mit kleinen Löchern ausrichten, indem Sie sie alle auf eine Stange oder einen gespannten Faden fädeln, vom Sender zum Empfänger, dann fixieren und die Stange/den Faden entfernen. [wenn es vertikal ist, dann hängt es nicht herunter]

Wenn Sie mit Infrarot arbeiten, müssen Sie Ihre "schwarzen" Materialien (Tinte, Farbe, Kunststoff) testen. Kohlenstoffbeladenes Schwarz ist schwarz. Rot+Blau gefärbtes Schwarz ist transparent für NIR. Schwarzer Kunststoff, der IR durchlässt, ist üblich.

Infrarot-LEDs können sehr hohe Impulsströme aufnehmen. Das Pulsen mit hohen Strömen und kurzen Impulsen, die eine solche Wiederholungsrate haben, dass Sie keinen Fehler übersehen können, ergibt wahrscheinlich das beste System.

Modulieren Sie den Strahl auch bei (sagen wir) 40 kHz. Auf diese Weise können Sie für ein besseres Signal am anderen Ende einen Hochpassfilter anwenden. Selbst wenn das Insekt den Strahl nur teilweise blockiert, sollte es leicht zu erkennen sein.
@ Harry Viele LEDs haben Linsen, um den Strahl zu verbreitern, daher ist der Silizium-Emitterbereich nicht der Strahlbereich.
Leider sind sowohl die LED als auch der von mir verwendete Fototransistor mit Linsen versehen (hinzugefügte Datenblätter in Frage). Würden die Leitbleche/Rillen die flachen Wände in der Lochblende oder dem Kanal ersetzen?
@ZachMorris 1) Die Verwendung von linsenlosen (smt 0603) LEDs ist einfacher als das Konstruieren und Ausrichten winziger Nadellöcher. 2) Sie können die Linsen entfernen, indem Sie (a) Sand abschleifen und abpolieren b) einen Tropfen klares Epoxid und ein Deckglas auf die Linse geben, um sie flach zu machen
@analogsystemsrf Nicht nachdem mein Bandschleifer und meine Polierscheibe bei ihnen waren, tun sie es nicht ...
@ZachMorris Da Sie Fehler haben, sind Leitbleche in der Fehlerzone wahrscheinlich nicht vorhanden. Sie hätten ein paar Leitbleche außerhalb der Fehlerzone
Ich stimme Ihrer unfokussierten vs. fokussierten Intensität nicht zu. Es gibt einen optischen Intensitätsgewinn von fast 200 %, indem der Abstrahlwinkel um 50 % reduziert wird, minus ~10 % Linsenverlust. Der flache Emitter wäre ein Lambertscher 165'-Strahl bei 50 %. Aber Kuppel-LEDs haben parabolische Reflektoren mit Linse für die Brennweite.
@HenryCrun danke für das Bild der Leitbleche! Ich denke, meine Fragen sind vielleicht besser formuliert als: Wie soll ich die Leitbleche platzieren? Wäre das eine geometrische Raytracing-Übung?
@TonyEErocketscientist Nein, im Die-Die-Strahl (siehe mein Diagramm oben) gibt es nur einen im Grunde konstanten Fluss. Was die Linse tut, ist, viele kleine Kopien des Würfels nebeneinander zu platzieren. Jeder hat den gleichen Fluss (etwas weniger aufgrund von sin(a)). Sie haben Recht, dass sie alle insgesamt mehr Leistung erbringen, wenn Sie sie entweder mit einem größeren Sensor erfassen (z. B. 5-mm-Kreis oder auf einen einzelnen Punkt im Raum fokussieren). Aber hier ist der Haken, sie kommen alle nebeneinander aus der Linse, niemals im selben überlappenden Bereich im Raum. Wenn Sie ein 0,2-mm-Quadrat auswählen, enthält es nur 1 Kopie der Überschrift für den Empfänger.
Ich stimme zu, dass Sie mit verschiedenen Objektiven das gleiche mW / mA erhalten, aber das ist die Gesamtfläche, kein 0,5-mm-Pfad in einiger Entfernung. Daher ist der Strahlwinkel wichtig für die Intensitätsverstärkung. Meine Erfahrung sagt mir, dass ab 120 Grad jede Verringerung des Winkels die Spitzenintensität verdoppelt - 10 %
@ZachMorris Dünnes Blech, 1,5-2 mm Löcher (praktische Größe), B1 in der Nähe von LED, B2 25 mm von LED. Das alles nur Mechanik. Zeichnen Sie einfach mein Diagramm mit einem Lineal für einige mögliche Größen auf Papier und entscheiden Sie, welche Lochgröße praktisch ist, um sie herzustellen und auszurichten, und wie groß das Käferkäfigteil ist. Papier ist dein Freund.
@TonyEErocketscientist Sie erwägen den Fall, in dem mehrere Teile der LED-Linse denselben Teil des Sensors beleuchten können. Aber sobald Sie den kollimierten, parallelen Pfad wählen, werden diese Strahlen verdeckt. Anders ausgedrückt: Eine Linse erhöht zwar die Intensität, aber nur durch Vergrößerung der effektiven Strahlfläche. [dies gilt für parallele Strahlengänge. Wenn Sie einen Brennpunkt nehmen können, dann können Sie den Fluss durch einen einzelnen Punkt im Bereich des Würfels irgendwo entlang des Pfades erhöhen.] Schade, dass wir nicht umdrehen können, um zu plaudern und es zu verprügeln, das ist etwas schwer klar zu erklären
@TonyEErocketscientist Sie können das Gedankenexperiment ausprobieren: Kann ich eine Reihe von Spiegeln / Linsenoberflächen finden, mit denen 2 Teile der LED-Emission (z ? [wir können sie einfach in separate Röhren legen, die sich irgendwann im Raum kreuzen]
Mein Verständnis stimmt mit der Korrelation von Datenblättern überein, dass bei zunehmender Intensität des Strahlwinkels die Spitzenmitte verringert wird und umgekehrt die Verringerung des Brennwinkels die Spitzenintensität vergrößert.
@ TonyEErocketscientist Diese werden alle mit einer Emitteröffnung / Iris und einer Sensoröffnung / Iris gemessen, was ein Vielfaches der Chipgröße ist. Daher kann Licht, das an Linsenoberflächenpunkten weit von der LED-Mittellinie entfernt gebrochen wird (> 2 mm bei einer 5-mm-LED, und davon gibt es mehr als 400), auf den Sensor treffen. Das ist der "normale" Beleuchtungsfall (wofür die Spezifikationen gelten). Wenn Sie nun einen einzelnen kolinearen 0,2-mm-Sensorstrahl betrachten, gilt dies nicht mehr. Überlegen Sie, wie viel das 5-mm-Objektiv tut, wenn Sie eine 0,2-mm-Blende davor stellen: keine.
@TonyEErocketscientist Ebenfalls von Interesse ist, dass selbst wenn Sie eine 5-mm-LED und einen 5-mm-Sensor mit ungehindertem Pfad in Betracht ziehen, das SNR der Kantenkreuzung (Ihre Fähigkeit, die Kantenposition aufzulösen) einen Energiestreifen in Chipbreite widerspiegelt und nicht das erwartete SNR von nicht verdeckte Leistung, die auf den Detektor trifft. (Deshalb verwenden Sie eine Vcsel- oder Aal-Laserquelle, wenn es scheint, dass eine LED ausreichen sollte)
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