Ausleuchtung des Beobachtungsfeldes

Lichtquellen für die hyper­spektrale Bildgebung

15. Oktober 2021, 12:00 Uhr | Nicole Wörner

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Breitband-LED-Quellen

Die Konversion von Licht oder Strahlung durch Leuchtstoffe wird sowohl bei Leuchtstofflampen (Konversion von UV-Strahlung in sichtbares Licht) als auch bei weißen LEDs (meist Konversion von blauem Licht in gelbes oder grünes und rotes Licht) angewandt. In den Leuchtstoffen finden strahlende und nicht strahlende Energieübergänge statt; dabei regt ein Photon die Emission eines Photons längerer Wellenlänge an. Die Kombination geeigneter Leuchtstoffe ermöglicht die Darstellung breitbandiger LEDs sowohl im sichtbaren als auch im nahen Infrarot (NIR). Bild 2 zeigt die Spektren dreier verschiedener breitbandiger LEDs, bei der durch Kombination geeigneter Leuchtstoffe mit einer Anregung mit blauem Licht (450 bis 460 nm) oder mit UVA-Strahlung (365 bis 375 nm) eine entsprechend breitbandige Emission erreicht wird.

Die Verschiebung der Wellenlänge des sekundären Photons wird als Stokes Shift bezeichnet; die Energiedifferenz zwischen anregendem und sekundärem Photon fällt als Verlustwärme an. Aus der Differenz der Wellenlängen lässt sich diese Wärmemenge einfach gemäß folgender Formel bestimmen:

∆EPhoton    = hc (1/λout – 1/λin)
                 = 1,24 ∙ 103 (1/λout – 1/λin)

Einen Wirkungsgrad der Leuchtstoffe für die Zahl der emittierten Photonen zur Zahl der anregenden Photonen größer 90 % unterstellend, ist die Konversion von Blau nach NIR mit einem Energieverlust von 40 bis 50 % verbunden. Leuchtstoffe im sichtbaren Bereich erreichen diese Wirkungsgrade, Leuchtstoffe im NIR liegen häufig darunter. Diese Verlustwärme ist bei der Auslegung des Kühlkonzepts zu beachten.

 

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Bild 4: Demonstrator eines wassergekühlten LED-Strahlers für 72 LEDs der Baureihe OCU-480 oder OMC-747
© OSA Opto Light

Direkt emittierende LEDs zeichnen sich in der Regel durch sehr kurze Schaltzeiten <1 µs aus. Ähnlich geringe Schaltzeiten haben Leuchtstoffe im sichtbaren Bereich. Leuchtstoffe im IR-Bereich haben längere Schaltzeiten, zudem weisen sie ein Nachleuchten aus. Bild 3 zeigt die optischen Messignale der Emission dreier verschiedener LEDs. Der Impulsgenerator erzeugt einen Strom-Impuls von 350 mA bei einer Anstiegs- und Abfallzeit <0,05 µs, das Fotodiodensignal (Reaktionszeit <10 ns) wurde mit einem Oszilloskop mit einer Abtastrate von 2,5 GSample/s aufgenommen, die Pulslänge und das Tastverhältnis so gewählt, dass das Nachleuchten vollständig abklingen kann. Während bei der OCL-490 RF623 (direkt emittierende LED roter Emission) eine Schaltzeit <0,15 µs (Intensitätsanstieg von 10 % Grundsignal auf 90 % des Maximalsignals) zu sehen ist, liegen die Schaltzeiten der Konversions-LED bei ton = 320 µs und toff = 360 µs für die OCL-480 GIR und bei ton = 140 µs und toff = 150 µs für die OCL-480 XE650BR. Deshalb muss die Lichtquelle für ein stabiles Spektrum, beispielsweise ca. 1 ms im Fall der OCL-480 GIR, vor der ersten Aufnahme der Kamera eingeschaltet werden.

Die Breitband-LEDs sind in verschiedenen Gehäusen verfügbar. Die Baureihen OCL-440 und OCL-450 sind für Maximalströme im DC-Betrieb von 350 mA ausgelegt, die Baureihe OCL-480 für einen Maximalstrom von 500 mA. Bei der Baureihe OMC-744 sind vier Chips auf einer Fläche von 2,3 mm × 2,3 mm angeordnet, die in Reihe geschaltet werden können. So lässt sich eine kompakte Strahlungsquelle realisieren, die in der Variante OMC-744 GIR eine optische Strahlungsleistung von 220 mW @ 350 mA für das konvertierte Licht erreicht.

Die Abstrahlcharakteristik dieser LEDs entspricht weitgehend der eines Lambert-Strahlers mit 120° Öffnungswinkel, die emittierende Fläche entspricht der Vergussfläche. Bei allen Baureihen lässt sich die Abstrahlcharakteristik mittels Reflektoren anpassen. OSA Opto Light hat ein Reflektor-Array mit zwölf Reflektoren und einem Öffnungswinkel von 15° bis 20° realisiert, mit dem Anwender leistungsstarke Beleuchtungseinheiten realisieren können. Die Demonstratoren von OSA Opto Light, dort für den UV-A- und UV-C-Bereich entwickelt, ermöglichen die Integration von bis zu 240 LEDs der Baureihe OCL 480 in einen Strahler mit einer Emissionsfläche von 38 mm × 1140 mm.

Vergleich der
Strahlungsquellen

Die Tabelle zeigt die wesentlichen Eigenschaften und die Vor- und Nachteile der Strahlungsquellen bei der Anwendung. Neben diesen drei Strahlungsquellen großer Leistung sind noch die lasergepumpten Plasma-Lichtquellen zu erwähnen, die den Spektralbereich von 400 nm bis 2400 nm bandenarm abdecken und bei vergleichsweise geringer Leistung für den Dauerbetrieb (mit Vorwärmzeit) ausgelegt und eher für kleine Bildfelder geeignet sind.

Fazit

Die LED-Technologie mit einer direkt vom Chip emittierten und durch Leuchtstoffe konvertierten Strahlung ermöglicht effiziente Strahlungsquellen großer Bandbreite, mit denen sich die Vorteile breitbandiger Strahlungsquellen mit denen der LED-Technologie kombinieren lassen. Diese LEDs ermöglichen Beleuchtungen mit

  • kürzerer Belichtungszeit durch getriggerten Impulsbetrieb der LED,
  • geringerer thermischer Belastung des Objekts,
  • im Vergleich zu thermischen Strahlern höherer Energieeffizienz und größerer Zuverlässigkeit,
  • im Vergleich zu Multi-Chip-Quellen vergleichsweise einfacher Ansteuerung,
  • reproduzierbaren, stabilen und anforderungsspezifisch variierbaren Spektren.

Bei der Auslegung der Ansteuerung und der Synchronisierung mit der bildaufnehmenden Kamera ist das Einschaltverhalten der LED und das Nachleuchten der Leuchtstoffe, vor allem im infraroten Spektralbereich, zu beachten.


  1. Lichtquellen für die hyper­spektrale Bildgebung
  2. Multi-Chip-LED-Quellen
  3. Breitband-LED-Quellen

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