Utiliser des émetteurs IR optimisés pour minimiser les compromis de performances

La première diode électroluminescente (LED) à spectre visible a été mise au point par le professeur Nick Holonyak Jr. en 1962 et a été commercialisée quelques années plus tard. Disponible uniquement en rouge, sa luminosité était faible et variable d'un lot à l'autre. Néanmoins, il s'agissait de la première étape vers des avancées significatives par rapport aux sources lumineuses à incandescence et au néon, faisant de l'éclairage à semi-conducteurs une réalité du marché de masse.

Malgré leurs imperfections initiales, ces LED ont rapidement été utilisées comme voyants et affichages numériques, soit dans une matrice de LED, soit dans un afficheur à sept segments avec des lentilles en forme de barre. La recherche et le développement intensifs ont permis d'autres avancées, notamment le développement de LED jaunes et vertes dans les années 1970 et, surtout, la création de LED bleues à haute luminosité au milieu des années 1990.

Cette avancée a ouvert la voie à la lumière blanche en combinant la LED bleue à des LED rouges et vertes ou en ajoutant une couche de phosphore. La suite de l'histoire des LED, notamment leur domination dans le domaine du rétroéclairage, de l'éclairage de zones et plus, est bien connue.

Néanmoins, il existe une dimension moins visible de l'avancée des LED : le développement de dispositifs à semi-conducteurs qui émettent principalement ou exclusivement dans la région infrarouge (IR) du spectre. De ce fait, la lumière qu'ils émettent n'est pas visible. Même si cela semble peu utile au consommateur lambda, ces LED IR, plus justement appelées émetteurs IR, sont extrêmement précieuses dans les applications scientifiques, industrielles, de détection, d'authentification, de suivi biométrique et même dans certaines applications grand public.

Propriétés uniques des émetteurs IR

Comme les LED rouges, les premiers émetteurs IR affichaient des performances limitées et irrégulières. Néanmoins, ils offrent des avantages par rapport aux sources IR traditionnelles, notamment des filaments incandescents filtrés.

Les émetteurs IR actuels offrent de hautes performances pour tous les principaux paramètres électriques et optiques. En outre, ils sont conçus pour optimiser et accentuer des attributs de performances spécifiques, permettant aux utilisateurs de sélectionner l'émetteur IR qui offre des performances supérieures dans une application donnée.

Ces dispositifs ont généralement des longueurs d'onde de sortie centrées sur 850 nm, 920 nm et 940 nm (Figure 1). Notez que la valeur 850 nm est proche de la frontière floue entre les régions visible et infrarouge du spectre, résultant en une légère lueur rouge de l'émetteur IR à plus courte longueur d'onde.

Figure 1 : Les émetteurs IR fonctionnent dans la plage de 780 nm à 1400 nm. La longueur d'onde IR de 850 nm, largement utilisée, peut également présenter une certaine lueur rouge visible, car elle est proche de la limite du spectre rouge de la lumière visible. (Image : Gigahertz-Optik Inc.)

Composants d'émetteurs IR de pointe

Les émetteurs IR OSLON P1616 et OSLON Black d'ams OSRAM sont des exemples illustrant les capacités et les avancées techniques des émetteurs IR. Les deux séries utilisent la technologie de puce IR:6 d'ams OSRAM pour de meilleures performances, y compris des améliorations dans la conception interne de réflecteur et de miroir de la puce qui réduisent les pertes optiques dans la puce tout en augmentant l'intensité énergétique. Selon ams OSRAM, les émetteurs IR qui en résultent ont un rendement à la prise supérieur de 42 % et une puissance supérieure de 35 % par rapport aux émetteurs actuellement disponibles.

Les principales différences entre la série OSLON P1616 et la série OSLON Black sont la taille exceptionnellement compacte de la première et les nombreux facteurs de forme et modèles d'éclairage de la deuxième.

Par exemple, les dispositifs P1616, tels que le SFH 4182BS-CB2DB1-11 (Figure 2, en haut), un dispositif IR haute puissance qui émet à 940 nm (Figure 2, en bas à gauche), présentent une empreinte compacte de 1,6 mm × 1,6 mm pour les conceptions à haute densité. Leur hauteur peut varier en fonction de la lentille et du style. Les applications incluent l'identification biométrique pour le contrôle d'accès, l'authentification par reconnaissance faciale 2D pour les ordinateurs portables et les sonnettes connectées, et l'éclairage IR.

Les composants de la série P1616 offrent une intensité énergétique nominale de pointe de 190 mW/sr à 765 mW/sr et un flux énergétique de 1000 mW à 1650 mW. Le SFH 4182BS-CB2DB1-11 a une intensité énergétique typique de 455 mW et un flux énergétique à l'extrémité supérieure de 1650 mW. L'intensité et le flux ont été mesurés à 1 A, mais ils peuvent différer en fonction du suffixe du dispositif.

Le SFH 4182BS-CB2DB1-11 présente également des caractéristiques de rayonnement angulaire bien définies dans des conditions de test de courant direct de 1 A et de largeur d'impulsion de 10 ms (Figure 2, en bas à droite). L'utilisation de la technologie Nanostack de la série permet d'augmenter la puissance de près de 180 %. Des versions avec lentilles sont proposées pour intégration immédiate, tandis que des versions sans lentilles permettent des configurations optiques personnalisées.

Figure 2 : L'émetteur IR haute puissance SFH 4182BS-CB2DB1-11 avec lentille (en haut) de la série P1616 a une bande d'émission étroite à 940 nm (en bas à gauche). Le dispositif présente des caractéristiques de rayonnement angulaire bien définies (en bas à droite) (1 A, impulsion de 10 ms). (Source de l'image : ams OSRAM)

La série P1616 offre trois options de longueur d'onde : 850 nm pour une haute sensibilité de caméra, 940 nm pour une réduction de la lueur rouge pour les applications de sécurité et en intérieur (mode semi-couvert) et 920 nm pour un équilibre des compromis. Les différents angles de vue disponibles s'étendent de ±25° à ±60° et permettent l'utilisation dans un large éventail d'applications, y compris celles exigeant une vue rectangulaire.

Les dispositifs de la série OSLON Black, tels que le SFH 4716B (Figure 3, en haut), sont des émetteurs IR économiques et hautes performances. Le SFH 4716B a une longueur d'onde de crête de 850 nm (Figure 3, en bas à gauche). La série inclut également des dispositifs à 920 nm et 940 nm et combine un flux optique total exceptionnellement élevé et des boîtiers compacts aux normes de l'industrie avec une empreinte de 3,75 mm × 3,75 mm.

Cette série d'émetteurs offre une grande flexibilité de conception d'applications grâce à sa large variété de boîtiers et d'options de puces, et aux itérations de puces empilées et non empilées disponibles pour différents niveaux de luminosité. Les principales applications sont la reconnaissance faciale 2D, les caméras CCTV à courte et longue portée, la sécurité résidentielle, la visionique et la reconnaissance des plaques d'immatriculation.

Les performances des dispositifs incluent une intensité énergétique couvrant de 200 mW/sr à 280 mW/sr (à 1 A), un flux énergétique de 1050 mW ou 2000 mW (à 1 A/2 A), et une faible résistance thermique pour un fonctionnement à des températures élevées, qui peuvent être dues à la température ambiante et au fonctionnement à fort courant continu. Le diagramme de rayonnement du SFH 4716B (Figure 3, en bas à droite) diffère légèrement de celui du SFH 4182BS-CB2DB1-11 en conditions de test similaires. Cependant, comme les autres modèles de la série Black, il conserve le même grand angle de vue de ±25° à ±60°.

Figure 3 : Le SFH 4716B (en haut) de la série OSLON Black d'émetteurs IR a une puissance de crête à 850 nm (en bas à gauche) et un diagramme de rayonnement légèrement différent (en bas à droite) par rapport au SFH 4182BS-CB2DB1-11. (Source de l'image : ams OSRAM)

Conclusion

Il est fascinant de voir comment les émetteurs IR ont évolué, passant de composants relativement grossiers et imprévisibles à des sources IR cohérentes, hautes performances et largement disponibles. Les dernières versions, telles les séries OSLON P1616 et OSLON Black d'ams OSRAM, offrent aux concepteurs de hautes performances et un vaste choix de longueurs d'onde, de tailles, d'intensités et d'autres paramètres clés. Ces émetteurs IR permettent de nombreuses applications s'étendant de la sécurité biométrique à l'imagerie de surface et à la visionique.

Contenu connexe

1. Light is security: Selection guide and product portfolio for infrared vision applications (brochure)

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

2. Fiche technique SFH 4182BS OSLON P1616

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

3. Fiche technique SFH 4716B OSLON Black

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