Reducción de la propagación del LED a través del agujero de alfiler

Estoy haciendo un rayo infrarrojo para detectar insectos, usando un LED emisor de infrarrojos y un detector. Los insectos caen en un canal y finalmente cruzan la viga, que viaja a lo largo del canal.

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Los insectos son bastante pequeños, así que quiero que el haz sea lo más estrecho posible; de lo contrario, un insecto podría bloquear parte del haz y pasar desapercibido. La luz infrarroja del LED tiene cierta dispersión. Estaba usando un agujero de alfiler para proyectar la luz en un haz.

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A través de prueba y error con la impresión 3D, encontré un perfil de agujero de alfiler que funciona: los agujeros de alfiler de 1,3 mm de diámetro y 3 mm de profundidad tanto en el emisor como en el detector pueden detectar un insecto con una sección transversal de 3 mm por 1 mm.

Sin embargo, quiero hacer que el haz sea aún más pequeño, para detectar un insecto con una sección transversal de 0,5 mm por 0,5 mm, y me gustaría encontrar una forma más rigurosa de definir un perfil de agujero de alfiler. No estoy seguro de qué efecto tienen el diámetro y la profundidad del agujero de alfiler en el tamaño o la dispersión del haz. Tengo tres preguntas:

1) ¿Cómo elijo un diámetro de agujero de alfiler? Si un láser entra en una rendija, hay difracción, pero ¿es esto un problema para una fuente extendida como un LED?

2) ¿Cómo elijo una profundidad de agujero de alfiler? Una mayor profundidad podría reducir las lecturas falsas de la luz IR reflejada desde el costado del canal.

3) ¿Necesito perforaciones tanto en el emisor como en el detector? Tuve algunos problemas con los reflejos IR de las paredes cuando el emisor no tenía un agujero de alfiler, pero eso podría evitarse si el agujero de alfiler se hace lo suficientemente profundo.

En este momento, la trampa para insectos se está imprimiendo en 3D, pero eventualmente se fabricará (por ejemplo, se moldeará por inyección). Me gustaría evitar los láseres o lentes por restricciones de tamaño y costo. No estoy interesado en enfocar el LED y entiendo que solo accederé a una fracción de la luz de salida del LED.

EDITAR: El emisor (hoja de datos) y el detector (hoja de datos) tienen lentes para aumentar su dispersión angular, por lo que es necesario algún tipo de apertura para obtener un haz estrecho.

La difracción se aplica a cualquier luz, no solo al láser.
Diseñé un sistema de haces múltiples utilizando emisores y detectores multiplexados TDM de tal manera que bloquear un camino en uno en un instante permite que otro camino mantenga el AGC, por lo que un cambio relativo era muy sensible. Todos los caminos estaban separados por 1 m con optos de 5 mm empotrados detrás de agujeros de 5 mm y podían detectar el bloqueo en movimiento de un cable de 0,5 mm en el medio. Algo así como la respuesta aquí para un problema diferente. electronics.stackexchange.com/questions/329438/… nunca probé errores.
Utilicé un detector IRDA y un emisor IR estándar de 10 grados y 5 mm con un código único de 8 bits para cada emisor con suficiente intensidad como para que un error de datos en la ruta bloqueada correspondiente indique qué ruta estaba bloqueada. digikey.ca/product-detail/en/vishay-semiconductor-opto-division/…
En realidad, la lente de cada uno está diseñada para reducir el ancho del haz de Lambertian (165') a 40'. Pero los emisores con <20 grados (+/-10) son mejores.
¿Cuál es el ancho del canal si el objetivo es de 0,5 mm? y la ruta de luz máxima?
Es un poco complicado. La trayectoria de luz máxima es probablemente de 15-20 mm. El ancho del canal es mayor que el tamaño del insecto, tal vez 10 mm, pero tiene una forma tal que el insecto tiene que cruzar el haz.
@TonyEErocketscientist destaca que no necesita un bloqueo completo o incluso fuerte para detectar un objeto. Solo necesita una señal estable de bajo ruido (durante el tiempo que el error tarda en cruzar) y una comparación precisa. Sin embargo, un haz muy estrecho hace que la señal sea más obvia.

Respuestas (1)

El haz son las líneas rectas que unen directamente el área emisora ​​con el área receptora.

El área de emisión de un LED smt desenfocado es bastante pequeña, quizás 0,2 mm cuadrados. Así que ya tiene el tamaño de agujero de alfiler que deseas. Un pequeño led y un pequeño fotodiodo te darán un pequeño haz.

No necesita cortar la luz que va en otras direcciones, ya que simplemente no se encuentra en el haz.

Tenga en cuenta que el uso de un LED no enfocado como este le brinda la misma intensidad en el haz (estrecho) (mW / mm ^ 2), que obtiene con un LED enfocado: no está perdiendo nada. Esto es contrario a la intuición, pero cierto. Ninguna lente o espejo puede devolver nada de la luz fuera del haz al haz (0,2 mm); es imposible.

Desea asegurarse de que su tubo no sea reflectante, es decir, negro mate, solo para reducir la luz dispersa que llega al detector y reduce la oscuridad de un haz bloqueado.

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Si la cámara está cerca del LED, entonces el tamaño del haz es el tamaño de emisión del LED. Si está cerca del detector, entonces es el tamaño del detector. Puede cambiar el tamaño del haz eligiendo estos.

Cuando tienes una opción, usas deflectores (perpendiculares a la luz) y no paredes planas. La siguiente opción es mecanizar ranuras, que tiene un ángulo de esquina de 90 grados.

Puede tener múltiples LED con un fotodiodo. También puede usar un sensor de imagen, área o lineal para el fotodiodo, y muestrear un área grande a la vez. Los sensores lineales son bastante simples y de bajo consumo para leer con un micro.

Para un consumo de energía más bajo, los láseres VCSEL también están disponibles en SMT y logran una alta intensidad de haz con una potencia de CC más baja, ya que la dispersión es menor (por ejemplo, 8 grados frente a 160 grados)

Puede "quitar" la lente colocando una gota de epoxi transparente en la lente y presionando un cubreobjetos de microscopio sobre ella (sin burbujas de aire). Cualquier hoja plana y transparente servirá.

Puede alinear los deflectores con orificios pequeños enroscándolos todos en una varilla o hilo tensado, desde el emisor hasta el receptor, luego fijándolos en su lugar y retirando la varilla/rosca. [si es vertical entonces no se inclina]

Cuando trabaje con infrarrojos, debe probar sus materiales "negros" (tinta, pintura, plástico). El negro cargado de carbono es negro. Rojo+azul teñido de negro es transparente a NIR. El plástico negro que permite el paso de IR es común.

Los leds infrarrojos pueden tomar corrientes de pulso muy altas. Pulsar con corrientes altas y pulsos cortos, que tienen una tasa de repetición tal que no se puede perder un error, probablemente le dará el mejor sistema.

Además, module el haz a (digamos) 40kHz. De esa manera, puede aplicar un filtro de paso alto en el otro extremo para obtener una mejor señal. Entonces, incluso si el insecto solo bloquea parcialmente el haz, debería ser fácil de detectar.
@ Harry Many LED tiene lentes para ampliar el haz, por lo que el área del emisor de silicio no es el área del haz.
Desafortunadamente, tanto el LED como el fototransistor que estoy usando tienen lentes (hojas de datos agregadas en cuestión). ¿Los deflectores/ranuras reemplazarían las paredes planas en el orificio o el canal?
@ZachMorris 1) usar LED sin lentes (smt 0603) será más fácil que construir y alinear diminutos orificios. 2) puede quitar las lentes con (a) lijarlas y pulirlas b) poner una gota de epoxi transparente y un cubreobjetos sobre la lente para que quede plana
@analogsystemsrf No después de que mi lijadora de banda y mi rueda pulidora hayan estado en ellos, no...
@ZachMorris Dado que tiene errores, los deflectores en la zona de errores probablemente estén fuera. Tendrías un par de deflectores fuera de la zona de errores
No estoy de acuerdo con tu intensidad desenfocada vs enfocada. Hay una ganancia óptica en intensidad de casi el 200 % al reducir el ángulo del haz en un 50 %, menos ~10 % de pérdida de lente. El emisor plano sería un haz lambertiano de 165' al 50 %. Pero los LED de cúpula tienen reflectores parabólicos con lentes para distancia focal.
@HenryCrun, ¡gracias por la foto de los deflectores! Creo que mis preguntas tal vez estén mejor redactadas como, ¿cómo debo espaciar los deflectores? ¿Sería eso un ejercicio geométrico de trazado de rayos?
@TonyEErocketscientist No, en el haz de morir (ver mi diagrama arriba), solo hay un flujo básicamente constante. Lo que hace la lente es poner muchas copias pequeñas del dado, una al lado de la otra. Cada uno tiene el mismo flujo (un poco menos debido a sin(a)). Tiene razón en que todos suman más potencia si los captura en un sensor más grande (por ejemplo, un círculo de 5 mm o se enfoca en un solo punto en el espacio). Pero aquí está el problema, todos están uno al lado del otro saliendo de la lente, nunca en la misma área superpuesta en el espacio. Si selecciona cualquier cuadrado de 0,2 mm, solo contiene 1 encabezado de copia para el receptor.
Estoy de acuerdo en que obtienes el mismo mW/mA con diferentes lentes, pero esa es el área de superficie total, no un camino de 0,5 mm a cierta distancia. por lo tanto, el ángulo del haz es importante para la ganancia de intensidad. Mi experiencia me dice que a partir de 120 grados, cada reducción en el ángulo duplica la intensidad máxima: 10%
@ZachMorris Hoja de metal delgada, orificios de 1,5 a 2 mm (tamaño práctico), B1 cerca del LED, B2 a 25 mm del LED. Todo esto es solo mecánica. Simplemente dibuje mi diagrama en papel con una regla para algunos tamaños posibles, y decida qué tamaño de orificios son prácticos para hacer y alinear, y qué tan grande para hacer la parte de la jaula de insectos. El papel es tu amigo.
@TonyEErocketscientist Está considerando el caso en el que varias partes de la lente LED pueden iluminar la misma parte del sensor. Pero una vez que elige el camino paralelo colimado, esos rayos se ocultan. Dicho de otra manera, una lente aumenta la intensidad, pero solo aumentando el área efectiva del haz. [esto es cierto para trayectorias de haz paralelas. Si puede tomar un punto focal, entonces puede aumentar el flujo a través de un solo punto del área del dado en algún lugar a lo largo del camino]. Es una pena que no podamos voltear para conversar y discutirlo, esto es un poco difícil de explicar claramente.
@TonyEErocketscientist Puede probar el experimento mental: ¿Puedo encontrar un conjunto de espejos/superficies de lentes que colocarán 2 partes de la emisión de LED (digamos 0 grados y 30 grados) exactamente en el mismo tubo cuadrado de 0,2 mm al mismo tiempo? ? [podemos ponerlos fácilmente en tubos separados, que se cruzan en algún punto del espacio]
Mi entendimiento es consistente con la correlación de las hojas de datos de que para aumentar el ángulo del haz, la intensidad del centro máximo se reduce y viceversa, la reducción del ángulo focal aumenta la intensidad máxima.
@TonyEErocketscientist Todos estos se miden con una apertura/iris del emisor y una apertura/iris del sensor, que es muchas veces el tamaño del dado. Por lo tanto, la luz refractada en los puntos de la superficie de la lente lejos de la línea central del LED (>2 mm en el caso de un LED de 5 mm, y hay más de 400 de estos) puede golpear el sensor. Ese es el caso de iluminación "normal" (que es para lo que son las especificaciones). Ahora, una vez que considera un solo haz de detección colineal de 0,2 mm, esto ya no es cierto. Considere cuánto bien hace la lente de 5 mm, cuando coloca una apertura de 0.2 mm frente a ella: ninguna.
@TonyEErocketscientist También es de interés que incluso cuando considera un LED de 5 mm y un sensor de 5 mm con una ruta sin obstrucciones, la SNR del cruce del borde (su capacidad para resolver la posición del borde) refleja una tira de energía del ancho del dado, y no la SNR esperada del energía no ocluida que llega al detector. (Esta es la razón por la que usa una fuente de láser vcsel o anguila cuando parece que un LED debería funcionar)
Reducción de la propagación del LED a través del agujero de alfiler
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