Quels sont les compromis pour les différentes options couplant une LED à une fibre optique?

J'essaie de coupler une LED blanche à un faisceau de fibres composé de plusieurs fibres de silice de 30 µM. Le diamètre extérieur du faisceau est de l'ordre de 0,5 mm. La NA de la fibre est de 0,87 et le faisceau entier est placé dans une virole en acier inoxydable de 0,125 "de diamètre. J'ai lu différentes méthodes de couplage - tout, d'une lentille sphérique au collage de la fibre directement sur la LED mourir.

Je suis curieux de savoir si quelqu'un a de l'expérience en faisant quelque chose comme ça. Quelqu'un peut-il définir les avantages / inconvénients des différentes méthodes? Les principaux compromis coût-efficacité de transmission sont-ils? Si oui, quelles sont les méthodes à quelle extrémité du spectre?

Il vaut la peine de dire que je ne suis pas vendu sur une LED en particulier, mais j'ai expérimenté en tenant simplement la virole sur un LXML-PWC2 - des tonnes de lumière arrivent (assez pour mon application) avec iF ~ 400mA. Ce serait une solution raisonnable sauf que l'efficacité du transfert est terrible (évidemment) donc je dois utiliser plus de courant que je ne le souhaiterais. Le résultat est un dissipateur de chaleur assez grand, que j'aimerais rétrécir ou abandonner tous ensemble.

led optics

— Doov
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Pourriez-vous spécifier quelle est l'application, ou au moins combien de lumière est requise, et quelle diffusion est nécessaire à la fin de la visualisation? Les modélistes ferroviaires utilisent souvent des fibres émettrices finement collées à la tête d'une LED discrète de 3 mm à lentille, ou même une LED SMD à petit angle, en utilisant une colle transparente et une liaison étanche (pas d'air à la jonction). À la sortie, un fer à souder pressé dans la pointe forme un petit champignon qui émet bien la lumière.

— Anindo Ghosh

Combien de fibres dans le paquet?

— The Photon

L'application consiste à éclairer un petit volume - 1,5 cm ^ 3. Je ne sais pas vraiment comment spécifier la quantité de lumière dont j'ai besoin autrement que qualitativement pour dire "ça a l'air bien". Frustrant je sais ... Avec la LED haute puissance, j'obtiens à peu près la bonne quantité de lumière. Si je devais deviner l'efficacité du transfert, je le garerais à moins de 10%. Je suppose qu'à partir de là, je pourrais revenir sur une réponse et dire que @ iF = 400 mA, la led fait environ 150 lumens. Si j'assume un transfert de 10%, je pourrais l'appeler ~ 15 lumens de lumière requise. C'est un butin assez important ...

— Doov

@ThePhoton Je pense qu'il y a environ 50 fibres dans le paquet, mais je vais vérifier.

— Doov

Peu de clarifications - il y a en effet ~ 50 fibres, mais la NA est plus élevée que je ne le pensais - 0,87. De plus, le diamètre de chaque fibre est plus petit que je ne le pensais - 30 uM.

— Doov

Réponses:

La fibre «typique» pour la communication a un diamètre de 9, 50 ou 62,5 µm dans le noyau, mais il existe un gainage de 125 µm qui est également nécessaire au fonctionnement de la fibre. Il y a également une fibre optique en plastique à 900 um. Ce qui existe pour l'éclairage, je ne suis pas sûr. De toute évidence, vous ne travaillez pas avec l'un des types que je connais.

Mais, le point clé est que le noyau est plus petit que le revêtement. Et la lumière couplée à la fibre sera (dans le meilleur des cas) ce qui tombe sur le noyau. Avec 0,87 NA, vous vous rapprocherez probablement de cet idéal. Je vais donc inventer quelques chiffres. Disons que vous avez un noyau de 30 um dans un revêtement de 60 um. Globalement , le rendement de couplage maximum que vous pouvez attendre d'éclairer uniformément l'extrémité du faisceau de fibres est de 30 ² /60 ² ou 25%.

Ensuite, il y a un facteur pour la densité d'emballage des objets ronds dans une zone (les écarts entre les fibres dans le faisceau) qui, selon moi, est d'environ 78% dans le meilleur des cas.

Et une perte de réflexion d'environ 4% pour la lumière pénétrant dans le verre par l'air.

Ajoutez tout cela, (.25) x (.78) x (.96), et vous avez environ 19% d'efficacité de couplage dans le meilleur des cas. (Vous devrez recalculer cela en connaissant le facteur correct pour le premier trimestre)

Si vous vous en approchez, je dirais que vous vous débrouillez plutôt bien.

Bien sûr, cela ne ferait pas de mal de trouver une LED qui émet dans un cône étroit au lieu de plus de la moitié de tout l'espace, ou même d'ajouter une sorte de lentille pour concentrer la lumière sur la zone du faisceau de fibres. Mais en général, votre meilleur couplage de cas ne sera toujours pas si génial.

— Le photon
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Merci d'avoir répondu. Existe-t-il un bon moyen de mesurer l'efficacité du couplage? Lorsque ma balle s'est garée à moins de 10%, c'était simplement en fonction de mon butin (inexact) et de la quantité de lumière sortant de la fibre quant à la quantité de lumière sortant de la base / connexion. Il est tout à fait possible que je sois tombé à quelque chose comme 3%, auquel cas 19% serait tout à fait une amélioration - au moins je serais en mesure de réduire l'iF sur la diode et de perdre de la chaleur. Quels types de solutions de lentilles existent et quels sont les compromis? Merci!

— Doov

La mesure de la sortie du faisceau de fibres devrait être assez facile si vous avez le bon équipement. Rapprochez simplement le faisceau le plus près possible d'un photodétecteur de grande surface. Ceux-ci sont facilement disponibles avec des diamètres bien supérieurs à 0,125 ". Mesurer la sortie de la LED elle-même est plus difficile --- si vous obtenez un photodétecteur suffisamment grand et le tenez assez près de la LED, vous obtiendrez probablement une estimation raisonnable de la puissance totale disponible

— The Photon

Des capteurs de type instrument de ce type (et l'électronique du compteur pour lire la réponse, calibrée en uW) sont disponibles auprès d'entreprises comme Newport, ThorLabs, etc. Si vous voulez le faire avec un budget serré, je ne sais pas exactement où aller.

— The Photon

Merci beaucoup pour l'info! Avez-vous des suggestions pour un objectif à utiliser comme comparaison avec un couplage mécanique droit?

— Doov

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Eh bien, votre choix d'une LED blanche est le pire choix possible, à moins que vous n'ayez simplement à avoir une lumière blanche pour votre application. La raison en est que les LED blanches ont une luminance beaucoup plus faible que les LED colorées, car la lumière est émise par un luminophore qui a une grande surface, par rapport à la puce LED nue d'une LED colorée.

Un objectif ne va pas beaucoup aider, à moins que vous ne puissiez obtenir une LED nue sans fils de liaison pour gêner l'optique, et vous aurez du mal à trouver un objectif assez petit avec un NA de fonctionnement assez grand et assez bas aberrations pour fonctionner correctement. Vous devriez focaliser une image réelle de la matrice nue, sur l'extrémité du faisceau de fibres. Mais vous ne pouvez jamais obtenir que la luminance de l'image dépasse celle de la source. (deuxième interdiction de la loi).

Le meilleur pari (en supposant que vous devez vraiment avoir cette lumière blanche), est de trouver une petite LED à surface plate (comme une puce) et de la coller sur l'extrémité du faisceau de fibres avec une colle transparente, avec le plus petit espacement possible entre la fibre et la LED.

— user28555
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J'ai besoin de lumière blanche. D'où la LED blanche. Pourquoi un objectif n'aide-t-il pas? Ma compréhension est qu'une lentille à bille n'est pas une mauvaise idée pour cette application. Pourquoi un led plat serait-il meilleur? Juste pour y adhérer? De manière générale, ils ont des angles de dispersion beaucoup plus larges (donc je suppose que moins de lumière est dirigée vers la fibre).

— Doov

Eh bien, deux choses empêchent la lumière d'entrer dans votre faisceau de fibres. L'un est l'aire de la surface de la fibre (cœur) et l'autre est l'ouverture numérique (NA) des fibres. Si U est l'angle d'incidence maximal sur le noyau, qui peut être transmis, et H est le diamètre du noyau, la quantité NHSin (U) est un invariant sous toutes les transformations optiques. On l'appelle le théorème du péché optique, ou parfois l'invariant de lagrange. La seule façon d'obtenir plus de lumière est d'augmenter le rayonnement (ou la luminance) de la source. Un objectif ne peut pas faire qu'un objectif à bille soit mauvais à cause d'aberrations qui en perdent plus

— user28555

Peut-être que je ne comprends pas - pourquoi un objectif ne peut-il pas aider à collimater la lumière dans la fibre? Je dois imaginer qu'il y a une troisième chose qui empêche la lumière d'entrer dans le faisceau - la direction de la lumière par rapport au faisceau. Après tout, si je fais pivoter la led de 180 degrés par rapport au faisceau, la lumière zéro passe dans n'importe quelle surface / NA. Je ne comprends pas pourquoi un objectif ne peut pas aider - Si 2 leds émettent le même nombre de photons, mais on les émet sur une zone plus petite que les watts / m ^ 2 dans le cas de la zone plus petite est> que la grande zone Cas. Un objectif ne peut-il pas aider à focaliser la lumière sur un point plus petit (par exemple ma fibre)?

— Doov

Peut-être que je ne comprends pas cela, mais consultez la FAQ d'edmuds optics "Je cherche le meilleur moyen de maximiser la quantité de lumière d'une LED dans une fibre optique. Quelles sont les meilleures options pour coupler ma LED et ma fibre? " edmundoptics.com/technical-resources-center/…

— Doov