Eine einfache Infrarot-LED hat eine geringe Reichweite, wie wir es von TV-Fernbedienungen kennen. Meistens sind das Entfernungen bis ca. 7-10 Meter. Solche Entfernungen machen bei unserem Lasertag natürlich keinen Sinn. Daher müssen wir die LED, bzw. das ausgestrahlte Licht der LED, zu einem engen Strahl bündeln. Allerdings reicht das bündeln des Strahls nicht aus, denn irgendwann ist das emittierte Licht zu schwach, um vom IR-Empfänger erkannt zu werden. Wir bedienen uns dafür eines Tricks, denn die IR-LED verträgt für kurze Zeit mehr Strom als sie es bei Dauerbetrieb überleben würde. Dadurch ist es der LED möglich mehr infrarotes Licht zu erzeugen, als beim Dauerbetrieb. Wir “übertakten” die LED also. Wie das genau geht, schreibe ich in den kommenden Tagen auf. Das wird man dann unter “IR-LED Driver” finden, wenn es soweit ist.

Auf dieser Seite behandeln wir aber nur die Bündelung des Lichts.

Aus dem Physikunterricht oder aus dem Sandkasten beim Ameisen verbrennen, kennt man das Prinzip das Sonnenlicht zu einem kleinen Brennpunkt zu konzentrieren. Das sieht dann in etwas so aus:

 

Die parallelen Sonnenstrahlen werden gebündelt. Das gleiche Prinzip funktioniert aber auch anders herum. D. h. Licht welches aus dem Brennpunkt ausgestrahlt wird, wird von der Linse parallelisiert. Genau ein solch paralleles Licht brauchen wir für ein sinnvolles Lasertag.

 

Wie man aus der obigen Zeichnung sehen kann, gibt es 3 Größen in einer solchen Konstruktion. Als erste wäre der Linsendurchmesser genannt. Zu jeder Linse gehört allerdings nicht nur die Durchmesserangabe, sondern auch die Angabe über die Brennweite. Alle LEDs haben einen Abstrahlwinkel. Manche sind größer (ca. 30 Grad) manche sind kleiner (ca. 10 Grad). Die Größen dieser drei Faktoren sind später ausschlaggebend für die Qualität des gebündelten Lichtstrahls. Dazu 3 Beispiele:

 

Wie nun die richtige LED und Linse finden?

Wer in der Schule im Mathematik-Unterricht während des Themas Trigonometrie jemals dachte wofür mal so etwas im Leben je brauchen sollte, der soll hiermit nun aufgeklärt werden.

Im Internet findet man einige Linsen mit verschiedenen Brennweiten und Durchmessern, auch IR-LEDs finden man bei den gängigen Onlinehändlern. Als erstes sei gesagt, das es die perfekte Kombination nicht gibt und das der Lichtstrahl nicht 100% parallel bleibt. Der Strahl wird also mit zunehmender Entfernung auch immer etwas breiter.

Auf meiner Suche nach Glaslinsen habe ich folgenden Onlinehändler gefunden:
http://www.lupenshop.de

Dort findet man 50mm plankonvexe Sammellinsen aus Glas zu moderaten Preisen. Die Linsen habe ich getestet und für gut befunden. Sie haben eine Brennweite von 125 mm. Dazu sei noch erwähnt, je größer die Brennweite desto besser bleibt der Strahl auf Entfernung gebündelter und fächert nicht so weit aus.

Nur welche LED nehme ich für die 50mm/FL125mm Linse?

Die Antwort dazu findet man in einer kleinen Rechnung. Wenn wir uns Abstahlwinkel, Brennweite und Linsendurchmesser anschauen, sehen wir ein rechtwinkeliges Dreieck:

Rechnung:
tan α = Gegenkathete/Ankathete

Die Gegenkathete ist unser halber Linsendurchmesser (25 mm) , die Ankathete die Brennweite der Linse (125 mm). Unsere Werte setzen wir in die Formel ein:

tan α = 25/125
tan α = 0,2

Das tan α können wir mit arctan auflösen:

α = arctan(0,2)
α = 11.309932474

Also wäre eine LED mit 11,3° Abstrahlwinkel perfekt für unsere Linse, aber sowas findet man natürlich nicht. Aber man findet 10°-IR-LEDs im Internet,
z. B. die OSRAM LD274-3. Dazu sei noch zu sagen, dass die Wellenlänge der LED zum IR-Receiver passen muss. In unserem Fall passt 950nm sehr gut. Ein weiterer wichtiger Faktor ist der maximale Peakstrom der LED. Diese Daten findet man alle im Datenblatt der LED. Im Falle der LD274-3 ist der Peak bei 1.5 A, das sollte für uns ausreichen.