Jakie są kompromisy dla różnych opcji łączenia diody LED z włóknem światłowodowym?

10

Próbuję połączyć białą diodę LED z wiązką włókien, która składa się z kilku 30 μM włókien krzemionkowych. Średnica zewnętrzna wiązki jest rzędu 0,5 mm. NA światłowodu wynosi 0,87, a cały pakiet jest umieszczony w tulejce ze stali nierdzewnej o średnicy 0,125 cala. Czytałem o różnych metodach łączenia - od soczewki kulowej po przyklejenie włókna bezpośrednio do diody LED umierać.

Jestem ciekawy, czy ktoś ma doświadczenie w robieniu czegoś takiego. Czy ktoś może nakreślić zalety / wady różnych metod? Czy główne kompromisy wiążą się z wydajnością transmisji? Jeśli tak, jakie metody są na jakim końcu spektrum?

Warto stwierdzić, że nie jestem sprzedawany na żadnej konkretnej diodzie LED, ale eksperymentowałem po prostu trzymając tuleję nad LXML-PWC2 - tony światła wpadają (wystarczające do mojej aplikacji) z iF ~ 400mA. Byłoby to rozsądne rozwiązanie, z wyjątkiem tego, że wydajność transferu jest straszna (oczywiście), więc muszę zużywać więcej prądu, niż bym chciał. Rezultatem jest dość duży radiator, który chciałbym całkowicie zmniejszyć lub porzucić.

Doov
źródło
Czy możesz określić, co to jest aplikacja, a przynajmniej ile światła jest wymagane i jaki rozkład jest potrzebny na końcu oglądania? Modele kolejowe często używają światłowodu emitującego końcówki ściśle przyklejonego do główki soczewkowej dyskretnej 3 mm diody LED, a nawet małej diody LED SMD, przy użyciu przezroczystego kleju i szczelnego wiązania (brak powietrza na skrzyżowaniu). Na końcu wyjściowym lutownica wciśnięta w czubek tworzy mały grzybek, który dobrze emituje światło.
Anindo Ghosh
Ile włókien w pakiecie?
Photon
Aplikacja służy do oświetlenia małej objętości - 1,5 cm ^ 3. Naprawdę nie wiem, jak określić ilość światła, której potrzebuję inaczej niż jakościowo, aby powiedzieć „to wygląda dobrze”. Frustrujące, wiem ... Dzięki wysokiej mocy diodzie ledwie dostaję odpowiednią ilość światła. Gdybym musiał zgadywać co do wydajności transferu, zaparkowałbym ją na mniej niż 10%. Myślę, że stamtąd mógłbym wrócić do odpowiedzi i powiedzieć, że @ iF = 400 mA dioda led robi około 150 lumenów. Jeśli założę 10% transferu, to mógłbym to nazwać ~ 15 lumenów wymaganego światła. To całkiem spory łup ...
Doov
@ThePhoton Uważam, że w pakiecie znajduje się około 50 włókien, ale sprawdzę dwukrotnie.
Doov
Kilka wyjaśnień - rzeczywiście jest ~ 50 włókien, ale NA jest wyższa niż myślałem - .87. Dodatkowo średnica każdego włókna jest mniejsza niż myślałem - 30 µM.
Doov,

Odpowiedzi:

4

„Typowy” światłowód do komunikacji ma średnicę 9, 50 lub 62,5 μm w rdzeniu, ale istnieje płaszcz 125 μm, który jest również niezbędny do działania światłowodu. Istnieje również 900 światłowodów z rdzeniem z tworzywa sztucznego. Co tam jest na oświetlenie, nie jestem pewien. Najwyraźniej nie pracujesz z jednym z tych typów, które znam.

Ale kluczową kwestią jest to, że rdzeń jest mniejszy niż okładzina. A światło sprzężone z włóknem będzie (w najlepszym przypadku) tym, co pada na rdzeń. Z 0,87 NA prawdopodobnie zbliżysz się do tego ideału. Więc wymyślę kilka liczb. Załóżmy, że masz rdzeń 30 μm w okładzinie 60 μm. Ogólnie maksymalna sprawność sprzęgła można oczekiwać od równomiernie oświetlając koniec wiązki włókien wynosi 30 2 /60 2 lub 25%.

Następnie istnieje czynnik dla gęstości upakowania okrągłych przedmiotów w obszarze (szczeliny między włóknami w wiązce), który moim zdaniem stanowi około 78% najlepszego przypadku.

I utrata odbicia około 4% dla światła wpadającego do szkła z powietrza.

Dodaj je wszystkie, (.25) x (.78) x (.96), a uzyskasz około 19% wydajności sprzężenia w najlepszym przypadku. (Musisz to przeliczyć ponownie, znając poprawny współczynnik dla pierwszego semestru)

Jeśli zbliżasz się do tego, powiedziałbym, że naprawdę dobrze sobie radzisz.

Oczywiście nie zaszkodzi znaleźć diodę LED, która emituje wąski stożek zamiast ponad połowy całej przestrzeni, a nawet dodać jakąś soczewkę, aby skupić światło na obszarze wiązki włókien. Ale ogólnie twoje najlepsze połączenie sprzęgające nadal nie będzie aż tak świetne.

The Photon
źródło
Dziękuję za odpowiedź. Czy istnieje dobry sposób pomiaru wydajności sprzęgania? Kiedy zaparkowałem piłkę mniej niż 10%, było to po prostu oparte na moim (niedokładnym) swag i ile światła wychodziło z włókna, ile światła wychodziło z podstawy / połączenia. Jest całkiem możliwe, że spadłem o około 3%, w którym to przypadku 19% byłoby znaczną poprawą - przynajmniej byłbym w stanie obniżyć iF na diodzie i stracić trochę ciepła. Jakie istnieją rozwiązania soczewkowe i jakie są wady? Dzięki!
Doov,
Mierzenie mocy wyjściowej pakietu światłowodów powinno być dość łatwe, jeśli masz odpowiedni sprzęt. Po prostu zbliż pakiet jak najbliżej fotodetektora o dużej powierzchni. Są one łatwo dostępne o średnicach znacznie przekraczających .125 ". Pomiar mocy samej diody LED jest trudniejszy - jeśli dostaniesz wystarczająco duży fotodetektor i utrzymasz go wystarczająco blisko diody LED, prawdopodobnie uzyskasz rozsądne oszacowanie całkowita dostępna moc
Photon
Tego rodzaju czujniki klasy instrumentalnej (i elektronika miernika do odczytu odpowiedzi, skalibrowane w uW) są dostępne w firmach takich jak Newport, ThorLabs itp. Jeśli chcesz to zrobić przy ograniczonym budżecie, nie jestem pewien, gdzie dokładnie iść.
Photon
Dziękuję bardzo za informacje! Jakieś sugestie dotyczące zastosowania obiektywu jako porównania z prostym sprzężeniem mechanicznym?
Doov
-1

Wybór białej diody LED jest najgorszym możliwym wyborem, chyba że po prostu musisz mieć białe światło dla swojej aplikacji. Powodem jest to, że białe diody LED mają znacznie niższą luminancję niż kolorowe diody LED, ponieważ światło jest emitowane z luminoforu o dużej powierzchni, w porównaniu do gołej matrycy LED z kolorowej diody LED.

Obiektyw nic nie pomoże, chyba że można uzyskać gołą matrycę LED bez przewodów łączących, które mogłyby przeszkadzać w optyce, i trudno będzie znaleźć wystarczająco małą soczewkę z wystarczająco dużą działającą NA i wystarczająco niską aberracje faktycznie działają poprawnie. Będziesz musiał skupić prawdziwy obraz gołej kości na końcu wiązki włókien. Ale nigdy nie można uzyskać luminancji obrazu przekraczającej luminancję źródła. (zakaz drugiego prawa).

Najlepszym rozwiązaniem (zakładając, że naprawdę musisz mieć to białe światło), jest znalezienie małej płaskiej powierzchni LED (podobnej do chipa) i przyklejenie jej do końca wiązki włókien za pomocą przezroczystego kleju, z możliwie najmniejszymi odstępami między światłowodem a dioda LED.

użytkownik28555
źródło
Potrzebuję białego światła. Stąd biała dioda LED. Dlaczego obiektyw nie pomoże? Rozumiem, że soczewka kulkowa nie jest złym pomysłem dla tej aplikacji. Dlaczego mieszkanie led byłoby lepsze? Tylko ze względu na przestrzeganie go? Mówiąc ogólnie, mają one znacznie szersze kąty dyspersji (więc zakładam, że mniej światła jest skierowane na włókno).
Doov
Dwie rzeczy zapobiegają przedostawaniu się światła do wiązki włókien. Jednym z nich jest pole powierzchni włókna (rdzenia), a drugim jest apertura numeryczna (NA) włókien. Jeśli U jest maksymalnym kątem padania na rdzeń, który może być transmitowany, a H jest średnicą rdzenia, ilość NHSin (U) jest niezmienna we wszystkich transformacjach optycznych. Nazywa się to twierdzeniem o grzechu optycznym lub czasem niezmiennikiem lagrange. Jedynym sposobem na uzyskanie większej ilości światła jest zwiększenie luminancji (lub luminancji) źródła. Obiektyw nie może tego zrobić, ponieważ soczewka kulkowa jest zła z powodu aberracji, które tracą więcej
użytkownik28555
Może nie rozumiem - dlaczego soczewka nie może pomóc w zderzeniu światła z włóknem? Muszę sobie wyobrazić, że istnieje trzecia rzecz powstrzymująca światło przed wejściem do wiązki - kierunek światła względem wiązki. W końcu, jeśli obrócę diodę LED o 180 stopni od wiązki, światło zerowe przejdzie bez względu na powierzchnię / NA. Nie rozumiem, dlaczego obiektyw nie może pomóc - jeśli 2 diody LED emitują taką samą liczbę fotonów, ale jedna emituje je na mniejszym obszarze niż waty / m ^ 2 w przypadku mniejszego obszaru jest> niż duży obszar walizka. Czy soczewka nie może pomóc skupić światła w mniejszym miejscu (np. Moje włókno)?
Doov
Być może nie rozumiem tego, ale zajrzyj do FAQ z optyki edmuds „Szukam najlepszego sposobu na maksymalizację ilości światła z diody LED na światłowód. Jakie są najlepsze opcje połączenia mojej diody LED z włóknem? „ edmundoptics.com/technical-resources-center/…
Doov