光変調型フォトIC S6809 感度がイマイチ

Question

フォトIC S6809 を使って、６ｍほど離れた場所に設置した赤外線LEDの光を検知し、その間を通過する物体や人物を検出したいと考えました。

回路はうまくいったのですが、距離が４０ｃｍしかいけません。それ以上は赤外線LEDを検知できない場合と同じ状況になります。

高輝度赤外線LED(5mm砲弾型　50mA)を３つに増やしても対して距離が伸びません。がんばっても７０ｃｍ位でしょうか。

市販の赤外線ビームユニットは50mA も消費電力が行かないようで２０ｍ以上みたいなんですが、どういうカラクリなんでしょうか？

このフォトIC は変調を行なっていますが、それが距離を狭めているのでしょうか？現状はブレッドボード上でテストしています。

umamimi · Accepted Answer

No.3,4 です。

＞この許容角度は砲弾型LEDであればありそうですよね。
そうですね。LED の照光パターン図を見ると、±10°くらいあります。
さすがにギリギリだと出力も低めですが。モノによっても違うでしょうけど。

＞直線で16m、45度の角度で8m。
＞最低検出レベルは見当たりませんが。
そう書かれてますね。もっとも、発光側が L-514EIR1C という赤外線LEDで、という事らしいですが。
駆動条件が書かれてるわけでもないし、こと細かに記さなくても通用するような
書き方なんでしょうかねぇ。ちょっと解りかねます。

ともあれ、TV用を初め、家庭にあるリモコンなど5～6m くらいで使えてますから
比較するとちょっと残念ですね。
やはり赤外線受光モジュールに比べると S6809 の感度がよくない、という印象でもあり、
発光側より受光側にレンズつけて感度アップ、の方がいいかな、と思いました。
まだやる気があれば、ですが。
ところでちゃんと知りませんでしたが、赤外線を考慮してないガラスは
赤外線を通しにくいらしいです。具体的な数字はみつけてませんが、
某ページ「ガラスは可視光を通すので赤外線も通し易いと思いがちだがまちがい」だそうで。
可視光LED のレンズも同様かも。
赤外線が考慮された材料のレンズなら効果出るかも知れません。

あと、S6809 の感度は波長 850nm くらいが最大で、先の赤外線LED が出すのはピークは 940nm との事。S6809 は 940nm だと感度がだいたい 70%くらい(グラフより)との事で、
ほんの少しですが、損してると言えそうです。

umamimi · Answer

No.3 です。追加。

S6809 は発光部用の変調・駆動回路も内蔵してるんですね。
なので用途例にあるように、発光部と受光部が遠くない用途にメリットがある製品だと
思います。

単純にLEDを増やすのは...例えば100個使えば距離を10倍にできます。
まぁ非現実的ですね。
やはりレンズで発光部の広がり程度を抑えるのがいいと思います。
凸レンズで太陽光線を１点に集められるように、
逆方向に使うと焦点に置いた光源がレンズを通って平行に出て行きます。
光線の広がり具合(寸法)を10分の1にすれば到達距離が10倍になるはずです。
厳密には点光源でなく多少の面積を持つし、レンズの製造精度、レンズの固定精度など
いろいろ悪影響出ると思いますが、マージンを持ってれば実使用には問題ないでしょう。

また、
発光部と受光部を隣り合わせで両方ともあちら向きに置き、
あちらの方には「再起反射板」を置く手があります。

(再起反射とは「照らされた方向に反射する事」で、自転車や自動車のいわゆる反射板が実例です)
これを使う方法だと
・反射板の取り付けはかなりラフでもOK
・発光部が受光部のそばに置けるので、長い電気配線が不要
というメリットがあります。
ただし、光線があまり鋭すぎると逆に不都合が生じる(と考えられる)ので、
むしろ「ラフである」ことが必要になると思います。

umamimi · Answer

LEDの光は縦横２次元に光が広がるので、距離が長くなれば照度は「距離の２乗分の１」、
例えば距離が２倍なら照度は４分の１になります。
普通の砲弾型LED はレンズ効果により多少集める効果はあっても
平行光線を作るものではないのでやはり広がります。

理解と計算が合ってるかイマイチ自信ないんですが、
LED が後述のものと仮定して発光強度が 40mW/Sr だとすると、
1メートル先の受光素子が受けるパワーは 40mW/m^2 (1平方メートルあたり40mW)です。
40mW/m^2 = 0.04 μW/mm^2 であり、「フォトIC S6809の最低検出レベル 0.2 μW/mm2 」に足りません。
つまり１メートル離れたら検出できない、という事です。
では何cmまで検出できるか、というと...
1メートル先だと 5分の1のパワー → パワー1である距離は1m/√5 ≒0.44m と、
偶然かもですが現実と近い数字です。

蛇足かも、ですが
「赤外線LEDが1個だと40cm、3個だと70cm」というのも、
「赤外線LEDが1個だけの時、届くパワーが 1/3 になる距離は何cmか」と考えると
40cm x √3 = 69.282... cm であり、「70cm」 とほぼ一致します。

＞市販の赤外線ビームユニットは50mA も消費電力が行かないようで
市販品を知らないのですが、「ビーム」という言葉どおり「広がらない光線」を
発するものであり、従って距離が離れても殆ど弱くならないものなのでしょう。
単純に凸レンズを使ってる程度だと思いますが。

広がらない代わりに、離れての設置の際は位置合わせに手間取ったり、
発光側の取り付け場所がしっかりしてなくて歪むようだと光線も振られてしまう、という
不都合を生じたりします。
まして赤外線だと肉眼で見えず、どっちにどれくらいずれてるのか見えないでしょうけど、
どうやって方向調整するんでしょうね。
現実には多分ですが、ある程度は広がるようにしてあり、方向が多少合ってなくても
設置後にずれても即NGにならないように、そこら辺をわざとラフにしてあると思いますが。

フォトIC S6809
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02499/
最低検出レベル 0.2 μW/mm2 Typ.

高輝度赤外線LEDφ5 の例
http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-03412/
発光強度 40mW/Sr Typ.

xpopo · Answer

(1)　赤外発光LEDですが、LEDにシリーズに抵抗を接続した状態で電源のプラスと
　IC　S6809の3番ピン（カソード(LED))間に挿入してますか？

(2)　このLEDにシリーズに接続した抵抗でLEDに正確に50mA流れるように値を設計
　してありますか？

(3)　LEDを3つに増やし、LED　1本当たり50mAも流したら３本で150mAにもなって
　しまいます。3番ピン（カソード(LED))に流せる最大電流は周囲温度が25℃で
　70mAです。周囲温度を50℃程度まで考慮したら、50mA程度しか流してはいけ
　ません。ですから、使用できるLEDは1本が限界です。

(4)　上記(1)、(2)が守られている場合は、LEDの光軸がセンサIC　S6809の受光部
　に正確に合っていない可能性があります。LEDの指向性は15度以下ですので
　かなりシビアに光軸を合わせる必要があります。
　　LEDにアルミか真鍮製の直径10mm程度で20cm位の長さのパイプをかぶせて
　赤外線をセンサIC　S6809の受光部に効率的に集光させると感度が上がると
　思います。

acha51 · Answer

LEDでは光が拡散してしまいます
このようなレーザーを試してください

参考URL：http://www.aitendo.com/product-list/209

光変調型フォトIC S6809 感度がイマイチ

No.3,4 です。

No.3 です。

LEDの光は縦横２次元に光が広がるので、距離が長くなれば照度は「距離の２乗分の１」、

この回答への補足

(1) 赤外発光LEDですが、LEDにシリーズに抵抗を接続した状態で電源のプラスと

LEDでは光が拡散してしまいます

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