LED بالأشعة تحت الحمراء

الصمام الثنائي الباعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء (الصمام الثنائي الباعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء) هو نوع من مصابيح LED التي تبعث ضوء الأشعة تحت الحمراء، وعادةً ما يتراوح الطول الموجي بين 700 نانومتر و1 ملم. ونظراً لأن ضوء الأشعة تحت الحمراء يقع خارج الطيف المرئي للعين البشرية، فإن مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء تستخدم عادةً في التطبيقات التي تتطلب إضاءة غير مرئية أو استشعار بالأشعة تحت الحمراء.

مبدأ العمل

ويشبه مبدأ عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء بالأشعة تحت الحمراء مبدأ عمل الصمام الثنائي الباعث للضوء المرئي القياسي، وكلاهما يعتمد على التأثير الكهروضوئي للمواد شبه الموصلة. عندما يمر تيار كهربائي عبر تقاطع PN لمصباح LED بالأشعة تحت الحمراء، تتحد الإلكترونات والثقوب من جديد، فتنطلق فوتونات في نطاق الطول الموجي للأشعة تحت الحمراء.

تُستخدم مواد مختلفة من أشباه الموصلات لإنتاج مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء بأطوال موجية مختلفة:

زرنيخيد الغاليوم (GaAs): ينبعث منها ضوء الأشعة تحت الحمراء في 850 نانومتر - 940 نانومتر نطاق، يستخدم عادة في أجهزة التحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء ومعدات المراقبة الأمنية.
فوسفيد الإنديوم الغاليوم (InGaP): يستخدم لضوء الأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي الأقصر، وغالباً ما يستخدم في الاتصالات البصرية المتخصصة.

المعلمات الرئيسية

تشمل المعلمات التقنية الأساسية لمصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء ما يلي:

نطاق الطول الموجي: تتضمن الأطوال الموجية الشائعة لمصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء 850 نانومتر و880 نانومتر و940 نانومتر و980 نانومتر، وكل منها مناسب لتطبيقات مختلفة.
قوة الإشعاع: يمثل شدة ناتج الضوء لمصباح LED، مقيسة بالمللي واط (miW).
جهد التشغيل: يتراوح عادةً من 1.2 فولت إلى 3.5 فولت، اعتمادًا على المادة والتصميم.
زاوية الانبعاثات: عادة ما بين 10 درجات و140 درجة، مما يؤثر على انتشار شعاع الضوء.
سرعة الاستجابة: يمكن لمصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء تحقيق سرعات تبديل في نطاق النانو ثانية، مما يجعلها مناسبة لنقل البيانات بسرعة عالية.

التطبيقات

1. الرؤية الليلية والمراقبة الأمنية

تُستخدم مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء على نطاق واسع في كاميرات الرؤية الليلية (كاميرات IR-CUT) لتوفير الإضاءة في البيئات المظلمة، مما يتيح لأنظمة المراقبة العمل في الظلام الدامس.
مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء 850 نانومتر و940 نانومتر تُستخدم عادةً في كاميرا الجسم. إن 850 نانومتر يبعث مصباح LED توهجًا أحمر خافتًا في وضع الرؤية الليلية، بينما يبعث مصباح 940 نانومتر مصابيح LED غير مرئية تماماً، مما يجعلها مثالية لتطبيقات المراقبة السرية.

2. جهاز تحكم عن بعد بالأشعة تحت الحمراء

مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء 940 نانومتر تعمل كمصدر إضاءة أساسي لأجهزة التحكم عن بعد المستخدمة في أجهزة التلفاز ومكيفات الهواء والأنظمة الصوتية, نقل أوامر التحكم عبر إشارات الأشعة تحت الحمراء المعدلة.
نظرًا لأن ضوء الأشعة تحت الحمراء لا يتداخل مع رؤية الإنسان ويمكنه اختراق بعض الأجسام غير الشفافة، فإنه يستخدم على نطاق واسع في أجهزة التحكم اللاسلكية.

المزايا

استهلاك منخفض للطاقة: تتميز مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء بكفاءة عالية في استهلاك الطاقة، مما يجعلها مناسبة للأجهزة التي تعمل بالبطاريات مثل أجهزة التحكم عن بُعد والمستشعرات.
فعالة من حيث التكلفة: بالمقارنة مع ليزر الأشعة تحت الحمراء، تتميز مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء بتكاليف إنتاج أقل، مما يجعلها مثالية للتطبيقات واسعة النطاق.
وقت الاستجابة السريعة: مناسبة لنقل البيانات عالية التردد وأنظمة التشغيل السريع بالأشعة تحت الحمراء.
إخفاء قوي: إن الأشعة تحت الحمراء غير مرئية للعين البشرية، مما يجعلها مثالية للتطبيقات الحساسة للأمان والخصوصية.

العيوب والقيود

التداخل البيئي: ضوء الأشعة تحت الحمراء عرضة للتداخل من ضوء الشمس والإضاءة الاصطناعية، مما يؤثر على مسافة الإرسال ودقته.
نطاق إضاءة محدود: بالمقارنة مع مصادر الليزر بالأشعة تحت الحمراء، تتميز مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء بكثافة إضاءة أقل، مما يتطلب مصفوفات LED للمراقبة طويلة المدى.
اختراق محدود: لا يمكن لضوء الأشعة تحت الحمراء المرور عبر المعدن وبعض المواد، مما يحد من تطبيقه في بعض بيئات الإرسال.
تأثير تسخين الضوء الخفي: قد يتسبب الاستخدام المطول في تراكم الحرارة، مما يؤثر على عمر مصابيح LED وكفاءتها.

اتجاهات التنمية المستقبلية

مع التقدم في الذكاء الاصطناعي (AI) والجيل الخامس (5G) وإنترنت الأشياء (IoT) والقيادة الذاتية والأمن الذكي, ، من المتوقع أن تشهد تقنية LED بالأشعة تحت الحمراء المزيد من الابتكار والتطبيق في مجالات متعددة:

استشعار متكامل بالأشعة تحت الحمراء: مزيج من مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء و أنظمة الرؤية بالذكاء الاصطناعي ستمكّن تطبيقات المراقبة والأتمتة الأكثر ذكاءً.

مصابيح LED بالأشعة تحت الحمراء أكثر كفاءة: مواد جديدة مثل GaN-on-Si (نيتريد الغاليوم على السيليكون) والتصميمات المحسّنة ستعمل على تحسين كفاءة الإضاءة وتقليل استهلاك الطاقة.

تقنية الأشعة تحت الحمراء قصيرة الموجة (SWIR): تطبق في التعرف البيومتري المتقدم والمراقبة البيئية والقياس بعيد المدى.