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Luminosità record nel campo invisibile con i LED IR SFH 4715A di Osram

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I LED a infrarossi forniscono la luce necessaria per un’elevata qualità di immagine nei sistemi di sorveglianza e in molti sensori che sfruttano la fotocamera. L’ultima generazione di questi emettitori fissa nuovi standard in materia potenza di radiazione ottica ed efficienza. Anche i sensori 3D ne possono beneficiare, ad esempio, per il riconoscimento dei gesti.

L’illuminazione con luce infrarossa è un settore d’applicazione per i LED a infrarossi (IRED). Questi vengono usati sempre più frequentemente nei sistemi basati su telecamere, dalla videosorveglianza a visione notturna, all’assistenza alla guida, e in tutti i tipi di sensori basati sull’elaborazione intelligente delle immagini. Oltre a questo ci sono sistemi che misurano la distanza di un oggetto per determinarne i movimenti nelle diverse direzioni, come ad esempio quelli per il riconoscimento dei gesti. Quasi tutte queste soluzioni illuminano l’area da osservare con luce a infrarossi; gli emettitori IRED con una lunghezza d’onda di 850 nm si sono affermati come la fonte di luce più comune. Questo spettro è difficilmente percepibile dagli esseri umani ma può ancora essere ben rivelato entro la gamma di sensibilità dei sensori della fotocamera. Questo scelta è diventata particolarmente economica da quando sono disponibili IRED ad alta potenza. Una serie di innovazioni ha portato una forte luminosità e miglioramenti d’efficienza in questi emettitori, che costituiscono la base per modelli compatti ed efficienti, nonché per lo sviluppo di nuove applicazioni.

 

Illuminazione con IRED – Tendenze e possibilità
TV a circuito chiuso (CCTV) sono spesso utilizzate per fini di sicurezza nelle aree pubbliche, stazioni ferroviarie e aeroporti, in complessi industriali, banche o musei. Molte soluzioni illuminano l’area con luce infrarossa, per ottenere buone immagini indipendentemente dalle condizioni di luce dell’ambiente. Nella maggior parte dei casi, le unità di illuminazione comprendono più IRED e sono integrate nei dispositivi. Sistemi intelligenti sfruttano le fotocamere per eseguire un’analisi complessa delle immagini che vengono riprese, per esempio, per leggere le targhe o in sistemi di controllo industriale. Utilizzano spesso luce a infrarossi, per ottenere immagini di alta qualità e queste soluzioni sono anche adottate nelle auto, ad esempio nei sistemi di assistenza alla guida (anti stanchezza). In questo caso, una fotocamera con illuminazione a infrarossi viene montata dietro il volante e riprende il viso del conducente rilevando se sta diventando apatico sulla base della frequenza con cui sbatte le palpebre. Un altro esempio è dato dai sensori pre-crash, che hanno il compito di monitorare la strada e analizzare le immagini per prevedere i possibili incidenti. Tutte queste applicazioni richiedono che l’unità di illuminazione sia più compatta possibile, prediligendo quindi piccoli emettitori molto potenti. Inoltre, l’IRED deve consentire elevate correnti in funzionamento continuo (DC). Se sono utilizzati in ampie aree, ad esempio per la sorveglianza di grandi superfici esterne, l’emettitore deve anche fornire un’alta intensità radiante – in altre parole, un sacco di luce per ogni angolo.

 

Image converted using ifftoany

 

I sistemi 3D impiegano brevi impulsi di luce per misurare la distanza tra la fotocamera e un oggetto, al fine di rilevare i movimenti nelle diverse direzioni. Conosciamo bene il riconoscimento del movimento con i giochi o con il computer, in futuro, questa funzione verrà anche integrata nelle auto per il controllo dei sistemi di infotainment. L’industria ora utilizza le telecamere 3D anche per il controllo intelligente della produzione. Anche i sistemi di sicurezza delle auto che proteggono i pedoni, registrandone i movimenti, sono basati su questa tecnologia. Questi utilizzano spesso le cosiddette telecamere TOF (Time Of Flight) o PMD (Photonic Mixing Device). Collegate a una sorgente di luce infrarossa, misurano il tempo di percorrenza dell’impulso di luce dalla sorgente all’oggetto e quindi il ritorno verso il rivelatore, per ogni pixel. In alternativa, la luce infrarossa è modulata a frequenze superiori a 20 MHz e viene misurato lo sfasamento del segnale. Queste soluzioni sono possibili solo con IRED ad alta potenza e sono disponibili come sorgenti di luce modulabile a veloce commutazione.

 

LED ad infrarossi con potenza di uscita record
LED ad alta potenza ed emettitori a infrarossi per applicazioni di illuminazione sono realizzati con grandi chip efficienti, con un’ottima dissipazione del calore. Osram ha sviluppato una tecnologia a film sottile per questo scopo. Nel 2008 la società aveva già introdotto un emettitore a 850 nm da 1 mm² nel package Dragon. Da allora, lo sviluppo si è concentrato principalmente sul miglioramento della luminosità. Al momento il più luminoso, il tradizionale IRED da 850 nm Oslon Black SFH 4715A, fornisce una potenza di radiazione ottica di circa 800 mW ad 1 A (figura 2). Con un rendimento medio del 48%, è attualmente il più efficiente IRED con una corrente di funzionamento di 1 A.

 

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Con l’SFH 4715A, gli sviluppatori sono riusciti ad aumentare la luminosità del 30% (figura 3) rispetto al predecessore SFH 4715. Tra l’altro, sono state adottate diverse misure per continuare a ridurre la perdita di luce all’interno del chip. Dal punto di vista del package il fantastico design dell’Oslon Black, utilizzato da Osram per un certo periodo di tempo con i LED di luce visibile con una potenza di radiazione ottica superiore a 500 mW, è stato ulteriormente ottimizzato. Oslon Black può fornire circa il 15% di luce in più rispetto al Dragon (piatto) con la sua lente al silicone appositamente adattata al package. Un altro vantaggio è la sua bassa resistenza termica, tipicamente di 6,5 KW, che ne semplifica il funzionamento a corrente continua. Con l’SFH 4715A la luminosità è stata migliorata del 10% migliorando, tra l’altro, il materiale della lente.

 

Stack IRED supera il watt

Per le applicazioni che richiedono ancora più luce da un piccolo oggetto, Osram ha sviluppato tecnologia nanostack. Implementa due centri di emissione in un unico chip e produce circa il 70% in più di potenza di radiazione ottica (figura 4). Nel 2011, lo Stack Oslon SFH 4715S ha superato il valore di 1 watt. Ora questa tecnologia è stata adottata nell’ultima generazione di chip a film sottile. Il risultato è l’Oslon Black SFH 4715AS, recentemente annunciato, con 1370 mW di potenza di radiazione ottica a 1A corrente di funzionamento (figura 3).

 

Conclusioni

Il record nel livello di luminosità dei LED a infrarossi per l’illuminazione, disponibili da qualche tempo sul mercato, rappresenta il risultato di varie innovazioni trasportate nella tecnologia dei chip e del package. Senza lo sviluppo di IRED con lunghezza d’onda di 850 nm, l’elevata dinamica nel campo delle applicazioni non sarebbe stata possibile, aprendo nuovi modi di utilizzo con le fotocamere e nei sistemi di misura. Osram è stata pionieristica nello sviluppo dei primi emettitori infrarossi di potenza per applicazioni di illuminazione e ha continuato a seguire questo settore con nuovi progressi realizzati su misura. Questo comprende anche l’espansione della tecnologia a più lunghezze d’onda per applicazioni speciali in aggiunta al costante sviluppo della gamma dell’emettitore da 850 nm.

 

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INTERVISTA CON THOMAS KIPPES:  “La luminosità da sola non è tutto”

Thomas Kippes, sviluppatore OSRAM Opto Semiconductors, riguardo all’adeguamento degli IRED ad alte prestazioni per le specifiche esigenze del mercato.

Signor Kippes, con lo sviluppo del SFH 4715A e SFH 4715AS,Osram stabilisce una tappa fondamentale in termini di efficienza e luminosità. Avete introdotto altre modifiche per questi nuovi IRED, come le nuove lenti. Per quale motivo?

Se si considerano le varie applicazioni ad alta potenza IRED, si può vedere che, anche se la potenza di radiazione ottica è molto rilevante, non è l’unico criterio. Un punto importante, ad esempio, è il range che dipende da come la luce è distribuita spazialmente. Più è stretto l’angolo solido in cui la radiazione ottica è emessa – noto come intensità radiante – maggiore è il range. Di conseguenza, abbiamo dovuto “legare” le nuove radiazioni ottiche, per consentire ai nostri clienti di ottenere una buona profondità, ma anche illuminare una vasta area. Abbiamo quindi sviluppato due lenti per l’Oslon Black con angoli da 90° e 150°. La lente da 90° interagisce particolarmente bene quelle esterne formando fasci per le rispettive applicazioni. La lente da 150° è usata per illuminare una vasta area nelle vicinanze, ad esempio, per i sistemi di riconoscimento del movimento. Inoltre, la lente da 150° è ideale con stretti coni di luce con riflettore ottico, per ottenere elevati range.

 

Sono stati modificati anche i contatti elettrici dei chip?

Sì. Nella nuova generazione di chip a film sottile da 850 nm abbiamo spostato il contatto elettrico nell’angolo. Il design migliora la corrente in ingresso sulla superficie, ottimizzando in questo modo il chip per alti valori di corrente continua. In aggiunta, il fascio di luce non è più disturbato dalla posizione centrale del punto di saldatura. Questo è molto importante per la riflessione degli oggetti nel chip della fotocamera. In passato, dovevano eliminare gli effetti delle interferenze causati dal cavo di connessione del rivelatore di segnale.

 

Ci sono stati altri cambiamenti?

Un punto importante è la resistenza termica del chip e del package. Migliore è la dissipazione del calore del chip IRED, più è possibile far passare una certa corrente – o aumentarne l’impulso. La dissipazione del calore determina anche la durata del componente. Molti clienti utilizzano l’IRED con luce continua, e questo aspetto è particolarmente importante per loro. Dopo aver inizialmente concentrato i nostri sforzi sull’aumento della luminosità, la nuova generazione di chip è stata ottimizzata per la gestione di correnti elevate e consente fino a 3 A in modalità pulsata. La nostra soluzione più recente è stata l’introduzione di substrati di silicio per emettitori a infrarossi. Osram già utilizzava questa tecnologia per chip LED, oggi la stiamo usando per la prima volta nei nostri IRED con il nuovo Stack dell’SFH 4715AS. Nell’Oslon Black, la resistenza termica diminuisce di 1 K/W fino al valore medio di 5,5 K/W.

 

Per maggiori informazioni:
www.osram.com

 

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