Dimensionare lente piano-convessa

[davidde]

Ho trovato più informazioni qui in mezz'ora che da solo in una settimana. Grazie a tutti!

Allora per quanto riguarda il materiale pensavo inizialmente di utilizzare queste resine che però in quanto a caratteristiche ottiche credo lascino molto a desiderare e dati non ne forniscono. Altrimenti si potrebbe pensare, sempre per stare su materiali economici, al policarbonato che credo sia più adatto.

1) Lunghezza focale: questo è il parametro da scegliere per primo, in base a cosa vuoi ottenere.
2) Diametro della lente: una volta scelta la lunghezza focale devi scegliere il diametro in modo che raccolga più luce possibile. Il problema, come hai visto, è quello di trovare un compromesso tra i primi due parametri e i vincoli dimensionali che si hanno.

Ecco, come forse si era già capito sopra, a me servirebbe ridurre le dimensioni del contenitore anche a scapito della distanza di trasmissione. Io partendo dal fatto che il cono di luce generato dal diodo ha un angolo di 10° ero giunto a dimensionare il tubo a 120mm di focale per una lente di diametro interno di 21mm. Con queste dimensioni la lente dovrebbe riuscire a raccogliere tutta la luce. quello che a me interessa più che altro è contenere il diametro del tubo, per la lunghezza non avrei problemi fino a 200mm.
Eventualmente si potrebbe pensare di cambiare diodo prendendone uno con angolo di emissione inferiore ma sotto ai 10° non ce ne sono molti.

Se potessi, ti converrebbe però aumentare un po' il diametro: con 25 mm di diametro e una distanza focale di circa 150 mm, l'apertura numerica della lente sarebbe di circa 5°, giusto giusto il seminangolo di emissione del LED. A quell'angolo, però, l'emissione del LED non è ancora trascurabile e lasci fuori un bel po' di luce.

Fino a 25mm di diametro ci posso arrivare, mi sfugge però il perché dell' ultima frase. Se il diodo ha un semiangolo di 5° tu mi consigli comunque di impostarlo più ampio?
Questa considerazione la fai considerando il fatto che il grafico a pag. 6 del datasheet (Radiation Characteristics) mostra che per distanze brevi il semiangolo è intorno ai 10°?
Se si, in base a che parametro fai una valutazione della distanza led-lente, cioè come capisci a che distanza sarebbe il caso di montare la lente per raccogliere tutta la luce generata dal led?

La cosa importante, però, è che nel disegno che avevi fatto in [1] avevi posizionato la lente a una distanza minore della distanza focale (che hai detto essere di 250 mm), invece quello che dovresti fare è posizionare il LED a una distanza pari a circa (il circa perché bisogna considerare la BFL, che si può calcolare, e il fatto che anche il LED ha una lente). Anche qui, l'aggiustamento fine ti conviene farlo sperimentalmente.

Si mi sa che nella foga di dire tutto ho fatto confusione.
Le cose stanno così: per il momento la prova l' ho fatta con una lente da 40mm con focale a 250 mm e il trasmettitore ha una portata di circa 70m. Il passo che volevo fare ora, anche a scapito della portata, era quello di ridurre l' ingombro dell' involucro esterno portandolo a dimensioni prossime a quelle dell' immagini della figura del messaggio [1]. Ovviamente però se pur riducendo le dimensioni si ottengono distanze di copertura simili a quelle attuali non sarebbe un male.


Ricapitolando quindi mi servirebbe ottenere un tubo con diametro esterno massimo di 25mm, quindi con diametro interno massimo di 23mm. La lunghezza massima consentita è di 200mm. Come led per il momento starei su quello scelto, se poi vediamo che si perde troppa luce possiamo sceglierne uno più adatto. Come materiale della lente possiamo pensare al policarbonato.
In altre parole devo realizzare una lente piuttosto economica tenendo anche conto delle lavorazioni che posso effettivamente eseguire. Capisco bene che dal punto di vista ottico i limiti imposti sono controproducenti ma volevo provare a raggiungere il massimo rendimento con i parametri sopra citati .

Ora mi rileggo tutto con calma... che ieri sera mi hanno interrotto sul più bello...

Ciao e grazie!

[DirtyDeeds]

si potrebbe pensare, sempre per stare su materiali economici, al policarbonato che credo sia più adatto.

Sì, tra le lenti che avevo fatto realizzare ce n'erano in materiale plastico, e forse era proprio policarbonato: devo cercare tra le cartacce in ufficio, magari riesco ancora a recuperare i dati. C'è da dire, però, che la qualità delle lenti plastiche è molto al di sotto di quella delle lenti di vetro, tant'è che quelle che feci realizzare in plastica risultarono inadatte perché troppo distorcenti e, alla fine, usai solo quelle di vetro. Tuttavia, nel mio caso la lunghezza focale era molto corta, dell'ordine dei 5-6 mm, e questo potrebbe aver esasperato i difetti delle lenti plastiche, magari il tuo caso è differente.

Io partendo dal fatto che il cono di luce generato dal diodo ha un angolo di 10° ero giunto a dimensionare il tubo a 120mm di focale per una lente di diametro interno di 21mm. Con queste dimensioni la lente dovrebbe riuscire a raccogliere tutta la luce.

Non è del tutto vero, vedi più sotto.

Eventualmente si potrebbe pensare di cambiare diodo prendendone uno con angolo di emissione inferiore ma sotto ai 10° non ce ne sono molti.

No, e non ce ne possono proprio essere, e il motivo è quello dato al post [2]: nei LED con lente il LED è posto più o meno nel fuoco della lente; volendo mantenere piccolo il diametro della lente, altrimenti non ci sta nello stesso contenitore del diodo, la lente deve essere vicina al LED per per raccoglierne tutta la luce. La lunghezza focale, quindi, dev'essere piccola (tipicamente pochi mm) e la divergenza del fascio sarà comunque significativa.

Tra l'altro, come ti ho detto, sto facendo qualche conto spannometrico: mi sembra che il risultato sia che, in realtà, dal punto di vista della collimazione, sarebbe meglio non prendere un LED con lente incorporata (dal punto di vista delle dimensioni del tubo però ci perderesti). Nei prossimi giorni cercherò di finire i conti e di metterli in bella così possiamo trarre qualche conclusione.

Se si, in base a che parametro fai una valutazione della distanza led-lente, cioè come capisci a che distanza sarebbe il caso di montare la lente per raccogliere tutta la luce generata dal led?

Allora la distanza led-lente dovrebbe essere uguale alla lunghezza focale della lente, che va scelta per avere la minore divergenza possibile (su questo ci torno appena ti mostro i conti). Fissata la lunghezza focale, dovresti definire il diametro della lente in modo che raccolga tutta la luce possibile. Questa cosa, però, va anche confrontata col rivelatore che metti a distanza: che area ha?

Prova anche a dare un'occhiata a questa application note, appendice 5A: viene spiegato come integrare il flusso su un certo angolo.

[davidde]

Non mi ricordo se l' avevo già detto, lo dico per completezze d' informazione. La lente che uso ora è in materiale plastico non ben definito, me l' hanno rifilata come lente in resina .

A livello di led e lente del led ho capito il discorso, infatti ne avevo trovato soltanto uno poco al di sotto dei 5° cioè a 3° di semiangolo. L' avevo subito scartato perché la lunghezza d' onda emessa ha un picco sugli 850nm mentre il ricevitore ha la massima sensibilità a 950nm (mentre a 850nm ha una sensibilità relativa dell' 80%). Il ricevitore che sto usando ora è il TSOP4840. Non mi pare che venga specificata l' area utile ma guardando la figura con le dimensioni direi che approssimativamente dovrebbe essere intorno al mm².

Molto interessante anche l' application note!

Grazie per tutto!

[DirtyDeeds]

Provo a iniziare a tirare un po' le fila del discorso (più che altro tiro a caso, visto che non sono ancora arrivato a una conclusione definitiva spero tu non abbia fretta ). Partiamo dal modellare l''insieme LED con la una prima lente di lughezza focale . Immagineremo che le lenti siano sottili.

Per modellare (facilmente) il LED mi vengono in mente due possibilità. La prima è quella di modellarlo come una sorgente puntiforme S seguita da un iride di diametro che limita l'angolo di emissione, come nella figura sotto

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

Il fatto che la sorgente sia puntiforme permetterebbe di ottenere un fascio perfettamente collimato: basterebbe, infatti, mettere la sorgente nel fuoco della lente. Per tenere conto del fatto che, in realtà, la sorgente non è puntiforme, possiamo barare mettendo l'iride nel piano focale della lente, come nella figura. Il diametro dell'iride potremmo sceglierlo pari al diametro dell'area di emissione del led e il parametro lo scegliamo in modo da avere l'angolo di emissione voluto. Il fatto che, in effetti, non abbiamo dati a sufficienza per impostare questi parametri (almeno mi sembra), non deve farci disperare, per adesso cerchiamo di trovare qualche indicazione di carattere generale (tanto poi saranno le aberrazioni a dominare ).

La seconda possibilità, nella figura sotto, è quella di modellare il led come un oggetto circolare di diametro : così facendo, però, non si limita l'angolo di emissione.

Sorgente FidoCadJ | Ingrandisci | Cos'è Fidocad

(continua...)

[davidde]

Grazie DirtyDeeds e non ti preoccupare, non ho assolutamente fretta, ci mancherebbe! Prenditi pure tutto il tempo che ti serve e porta avanti il discorso quando ne hai voglia e se ne hai voglia ! Io intanto stavo provando ad assimilare i concetti di base ma sono tanti e anche abbastanza complessi. Non è facile, anche a me ci vorrà del tempo.

Guardando le soluzioni che proponevi per la modellazione, in particolare la prima, mi sembra una soluzione eventualmente applicabile anche nella pratica. Se ritieni che il fatto di avere una sorgente puntiforme sia di fondamentale importanza possiamo in fase costruttiva fare un supporto che integri il montaggio di led e iride alla distanza voluta. Fare il foro nell' iride del diametro che ci interessa e poi montare il tutto all' interno del tubo alla distanza corretta dalla lente.
Oppure sempre se ritieni possa essere d' aiuto possiamo anche costruire una parabola riflettente che "vincoli" l' angolo d' emissione del led a quello che ci interessa. Insomma dal punto di vista costruttivo non ci sono particolari vincoli, quindi se ritieni che alcuni accorgimenti potrebbero esserci d' aiuto per favorire i calcoli sbizzarrisciti pure , una volta valutate le misure fondamentali costruire i pezzi non sarebbe un problema. Sarebbe poi anche molto interessante capire le differenze reali tra quanto calcolato e quanto costruito, anche se la mancanza di dati rende il tutto non facilemnte paragonabile.

Ciao e grazie!!!

[DirtyDeeds]

Guardando le soluzioni che proponevi per la modellazione, in particolare la prima, mi sembra una soluzione eventualmente applicabile anche nella pratica. Se ritieni che il fatto di avere una sorgente puntiforme sia di fondamentale importanza possiamo in fase costruttiva fare un supporto che integri il montaggio di led e iride alla distanza voluta.

Eh, no, purtroppo non è applicabile alla pratica. L'insieme sorgente puntiforme più iride sarebbe solo un modello ottico semplice per il led, ma devi immaginare che quella sorgente puntiforme non ci sia. Quel modello, in effetti, non mi esalta e i conti, come avrei detto nel seguito, ho preferito farli col secondo.

L'unica sorgente che può essere considerata, in un senso molto particolare, effettivamente puntiforme è il laser.

Oppure sempre se ritieni possa essere d' aiuto possiamo anche costruire una parabola riflettente che "vincoli" l' angolo d' emissione del led a quello che ci interessa.

In generale, usare una riflettore al posto di una lente può presentare qualche vantaggio (p.es. il fatto che un buon riflettore riflette più luce di quanta ne faccia passare la lente). In questo caso però la vedo difficile, la vedrei più fattibile se il led fosse nudo.

Sarebbe poi anche molto interessante capire le differenze reali tra quanto calcolato e quanto costruito, anche se la mancanza di dati rende il tutto non facilemnte paragonabile.

Ho poi scoperto che nel data sheet c'è qualche dato utile, quindi qualche paragone si dovrebbe riuscire a fare. Tieni conto che, a causa delle aberrazioni e della difficoltà di modellare sorgenti estese, i conti approssimati in ottica sono moooooolto più approssimati dei corrispondenti conti approssimati in elettronica. L'unico caso in cui i conti parassiali in ottica funzionano molto bene sono quelli che si fanno nel caso dei laser monomodali. In effetti, in ottica i simulatori hanno forse più importanza che in elettronica, purtroppo non ho mai provato ad usarli: magari poi ci provo.

Poi, devo ammettere di avere avuto sempre una scarsa "intuizione ottica": mentre in elettronica riesco facilmente a capire cosa capita senza fare troppi conti in ottica proprio non ci riesco. Adesso poi sono pure arrugginito

[neoxabaras]

WOW, l'argomento mi interessa moltissimo, pendo dalle vostre labbra (o tasti )
io per le lenti avevo guardato qui
http://www.cliped.it/lentivarie.htm
mentre per un banco di prova molto easy ho guardato qui
http://www.pinadivito.it/labottica/Banc ... index.html

per l'emettitore io uso questo
http://www.farnell.com/datasheets/60683.pdf
e come ricettore questo
http://www.vishay.com/docs/82090/tsop48xx.pdf


... bene bene .. attendo info.