(Nicht länger) Ansichtssache

Spektral und selektiv geregelte LED-Lichtquellen

LEDs sind vom nahen UV bis ins Infrarot in einer großen spektralen Vielfalt verfügbar. Allerdings war bisher die spektrale Welt den Spezialisten vorbehalten, da das notwendige Equipment aufwendig und teuer ist. Dies ändert sich aktuell: Spektral selektiv steuerbare Lichtquellen werden kompakt, bezahlbar und massenmarkttauglich. Die spektralen Eigenschaften rücken somit immer stärker in den Fokus und ermöglichen völlig neue Anwendungen.

Bild 1 | Das Diagramm zeigt die spektrale Vielfalt einer Lichtquelle, deren Gesamtspektrum auf mehrere spektral unterschiedliche regelbare LEDs (weiß-rot-grün-blau) aufgeteilt ist – bei unterschiedlicher Bestromung der vier Farbkanäle. (Bild: Büchner Lichtsysteme GmbH)

Anzeige

Die Forschung kümmert sich beispielsweise verstärkt um die Wirkung verschiedener Spektralbereiche auf Psyche und Organismus. Andere Anwendungen entstehen in der medizinischen Diagnostik und Therapie, z.B. bei der Erkennung unterschiedlicher Gewebezusammensetzungen oder der Analyse von Hautgewebeveränderungen durch spektral angepasste Beleuchtung. Allerdings müssen bei den steigenden Anforderungen die Eigenschaften von LEDs viel genauer betrachtet werden als bisher. Abhängigkeiten, die bisher vernachlässigbar waren, spielen dort zunehmend eine wichtige Rolle. So altern LEDs, verlieren über die Zeit Helligkeit oder Temperatur, ändern ihre spektrale Signatur usw. Wenn beispielsweise bei der Begutachtung von weißem Zahnersatz feinste Farbnuancen erkannt werden sollen, spielt die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung eine zentrale Rolle und bei einer breit angelegten Hautscreening-Kampagne, die vergleichbare Ergebnisse über einen längeren Zeitraum gewährleisten soll, müssen die spektralen Eigenschaften der an verschiedenen Orten eingesetzten Beleuchtungen – unabhängig vom Einsatzort – möglichst vergleichbar und über einen langen Zeitraum stabil und reproduzierbar bleiben. Anfang 2013 hatte Büchner Lichtsysteme die Möglichkeit an einem geförderten Forschungsprojekt des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) zu derartigen Aufgabenstellungen teilzunehmen. Das Verbundprojekt wurde vom Fraunhofer IIS initiiert und von mehreren Partnern aus Forschung und Industrie umgesetzt. Es besteht aus sechs Teilaufgaben und die Ergebnisse sollen preiswert umsetzbar, sowie für breite Anwendungen geeignet sein.

  • • Mehrkanalige, spektral steuerbare LED-Lichtquelle
  • • Mehrkanalige steuerbare Stromquelle
  • • Mehrkanaliger optischer Sensor
  • • Microprozessorsteuerung
  • • Softwaregestützte Spektralanalyse
  • • Mehrkanaliger Regelalgorithmus für geschlossenen Regelkreis

Sechs Bausteine des Projektes

Referenzleuchte mit zwei nebeneinander liegenden, homogen leuchtenden Flächen. Jede Fläche ist getrennt über vier Farbkanäle steuerbar. Damit lassen sich unterschiedliche Farben bzw. Spektren realisieren. (Bild: Büchner Lichtsysteme GmbH)

Referenzleuchte mit zwei nebeneinander liegenden, homogen leuchtenden Flächen. Jede Fläche ist getrennt über vier Farbkanäle steuerbar. Damit lassen sich unterschiedliche Farben bzw. Spektren realisieren. (Bild: Büchner Lichtsysteme GmbH)

Der erste Baustein ist eine Lichtquelle, deren Gesamtspektrum typischerweise auf mehrere spektral unterschiedliche LEDs aufgeteilt ist und die jeweils einzeln über einen eingeprägten Strom steuerbar sind. Das könnte beispielsweise eine 4-kanalige Zusammenstellung aus einem weißen, roten, grünen und blauen Kanal sein. Durch die unabhängige Bestromung der Kanäle kann eine große Vielfalt spektraler Signaturen erzeugt werden, beispielsweise ein höherwertiges weißes Spektrum mit deutlich besserem Farbwiedergabeindex oder ein bestimmter Spektralbereich wird bewusst hervorgehoben. Zudem können auch mehr Kanäle mit entsprechend größerer spektraler Vielfalt – aber auch entsprechend höherem Aufwand – kombiniert werden. Typischerweise werden pro Kanal mehrere verkettete LEDs mit einer Leistung zwischen 5 und 20W eingesetzt. In der praktischen Umsetzung können zusätzlich Linsen oder Mischer integriert werden, um das Licht den Vorgaben entsprechend zu lenken. Der zweite Baustein ist eine mehrkanalig steuerbare Stromquelle. Sie muss pro Kanal Ströme bis zu 1A bei 24VDC liefern können. Aufgrund der Messergebnisse wird eine Auflösung und Konstanz im Bereich von 10Bit (entsprechend 1mA) angestrebt, um stabile spektrale Verhältnisse zu erreichen. Da die Systeme ggf. auch zusammen mit Kameras eingesetzt werden, kann nicht mit niederfrequenter Pulsweitenmodulation (PWM) gearbeitet werden, sondern mit DC-Strom bei geringer Restwelligkeit. Der dritte Baustein ist ein optischer Sensor, der das emittierte Licht in mehreren Spektralbändern erfassen, verstärken und über eine Schnittstelle an den zentralen Prozessor übergeben soll. Dazu wurde ein Teilprojekt zur Entwicklung eines kostengünstigen Multikanalsensors auf der Basis von Plasmonenfiltern in Angriff genommen. Diese Technologie erlaubt die Realisierung von kostengünstigen und langzeitstabilen Filtern, sowie die Integration zusätzlicher Funktionen wie Vorverstärker, Multiplexer usw. Der vierte Baustein ist der zentrale Mikroprozessor zur Steuerung des gesamten Systems, der Messwerterfassung, Bedienung der Schnittstellen und Regelung. Der fünfte Baustein (Software) rekonstruiert aus den Messwerten der Filterkanäle ständig ein möglichst realitätsnahes Gesamtspektrum als Grundlage für die Regelung. Der sechste Baustein, der Regelalgorithmus, soll das Gesamtsystem in der letzten Ausbaustufe dazu befähigen, einmal eingestellte spektrale Signaturen unabhängig von äußeren Einflüssen (Temperatur, Alterung) konstant zu halten. Das Projekt läuft noch etwa ein Jahr und ist auf einem guten Weg. Es bleibt weiter spannend. Einkanalig geregelte Systeme auf Basis weißer LED’s sind bereits einsatzfähig und verfügbar.

(Nicht länger) Ansichtssache
Bild 1 | Das Diagramm zeigt die spektrale Vielfalt einer Lichtquelle, deren Gesamtspektrum auf mehrere spektral unterschiedliche regelbare LEDs (weiß-rot-grün-blau) aufgeteilt ist - bei unterschiedlicher Bestromung der vier Farbkanäle. (Bild: Büchner Lichtsysteme GmbH)


Das könnte Sie auch interessieren

Wie können komplette 3D-Daten erfasst, interne Defekte in Gussteilen erkannt und sogar deren 3D-Koordinaten bestimmt werden? Das Unternehmen Carl Zeiss Industrielle Messtechnik GmbH hat ein informatives Video veröffentlicht, in dem die Inline-Prozessinspektion mit dem Zeiss VoluMax in der Leichtmetallgießerei am BMW-Produktionsstandort Landshut veranschaulicht wird.

Anzeige

Klassische Wärmebildkameras benötigen einen mechanischen Shutter, mithilfe dessen ca. alle 2 bis 3 Minuten Referenzdaten zur Kalibrierung der Wärmebilddarstellung und der Temperaturmessung aufgenommen werden. Jedoch erzeugt das Schließen des Shutters ein Geräusch und die Videoaufzeichnung ist während dieser Zeit unterbrochen. Daher hat Tamron nun ein Shutter-loses Wärmebildkameramodul auf Basis eines amorphen Silikonwärmebildsensors entwickelt. Dieser Sensor verfügt über eine exzellente Temperaturwiedergabe selbst wenn sich seine eigene Temperatur verändert.

www.tamron.eu

Der Industriescanner VTCIS ist in der Lage, im Druckbild fehlende Nozzles bei einer Auflösung von 1.200dpi automatisch zu detektieren. Da der CIS (Compact Image Sensor) nicht das komplette Bild einzieht, sondern nur bestimmte Bereiche scannt, wird die Datenverarbeitung vereinfacht und die Datenmenge deutlich reduziert. Außerdem garantiert die integrierte Flüssigkeitskühlung Farbstabilität über den gesamten Druckprozess hinweg und schließt Farbabweichungen aus. Dank einer Zeilenrate von bis zu 250kHz und einer Abtastgeschwindigkeit von bis zu 20m/s ist der Scanner für sehr schnell laufende Druckprozesse bestens geeignet.

www.tichawa.de

Die neuesten Versionen der 3D-Kameras für Lasertriangulation erreicht Triangulationsraten von bis zu 68kHz. Die Kamera basiert dabei auf einem 2/3″ Hochgeschwindigkeitssensor von Cmosis, der auch bei schwachen Lichtverhältnissen eine hervorragende Leistung erbringt. Als Schnittstelle verwendet die 3D05 das standardisierte GigEVision-Interface. Für eine einfache Integration und Synchronisierung besitzt die Kamera eine komplette, in die Kamera integrierte Drehgeberschnittstelle (RS422 und HTL). Das HTL-Interface ermöglicht dabei auch einen stabilen und effizienten Einsatz in der Schwerindustrie oder Bereichen mit starken elektrischen Störquellen.

www.photonfocus.com

Sensoren bis zu 1/1.2 und 1″ wurde die HF-XA-5M Objektivserie von Fujinon entwickelt. Die Objektive erreichen eine konstant hohe Auflösung von 5MP über das gesamte Bildfeld – bei einem Pixelabstand von 3,45µm. Dies gilt bei offener Blende ebenso wie bei verschiedenen Arbeitsabständen. Mit 29,5mm Außendurchmesser eignen sich die Objektive für platzkritische Anwendungen.

www.polytec.de

Die Messsoftware Wave ist für den hochpräzisen Wegmesssensor IDS3010. Damit können Messdaten in Echtzeit analysiert, verarbeitet und ausgewertet werden. Die Software verfügt über verschiedene Funktionen zur Visualisierung und Analyse von Daten, beispielsweise können die angezeigten Messdaten vergrößert/verkleinert werden oder die Datenvisualisierung kann gestoppt werden, um bestimmte Zeitbereiche zu analysieren. Außerdem ist eine Live Fast-Fourier-Transformation von Messwerten implementiert.

www.attocube.com

Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige
Anzeige