Telezentrische Objektive für blaue LEDs
Blaue LEDs bieten für die industrielle Bildverarbeitung Vorteile. Deshalb hat Vision & Control eine eigene Serie telezentrischer Objektive speziell für diesen Spektralbereich entwickelt.
Bild 1 I Für Applikationen mit blauen LEDs wurde die telezentrische Blue-Vision-Objektivserie entwickelt. Damit kann ein größerer Bereich eines Objekts in der Tiefe scharf abgebildet werden, z.B. bei Bohrungen. (Bild: Vision & Control GmbH)
Besonders im Bereich Messtechnik, wo es auf eine besonders genaue Kantendetektion ankommt, ermöglicht die blaue Wellenlänge eine hohe Bildschärfe. Aber auch bei Inspektionen können so feinere Strukturdetails abgebildet werden. Dabei ist die mögliche Auflösung mit der blauen Wellenlänge im Vergleich zum IR fast doppelt so groß und im Vergleich zum roten Licht ein Drittel höher. Telezentrische Objektive erfordern einen bestimmten Schärfentiefebereich, damit Objekte in ihrer Tiefe verzerrungsfrei und scharf abgebildet werden. Dank der blauen Wellenlänge kann ein größerer Bereich eines Objekts in der Tiefe scharf abgebildet werden, z.B. bei Bohrungen, ohne dass es zu Kantenverdeckungen kommt. Typischer Weise kommen dort die Blendenzahlen 10, 16 oder 22 zur Anwendung. Hier ermöglicht es die blaue Wellenlänge, die Blende – im Vergleich zur roten oder IR Wellenlänge – weiter zu zudrehen, um so eine höhere Schärfentiefe im Vergleich zu den herkömmlichen Wellenlängen bei gleichbleibender Auflösung zu bekommen, denn die Schärfentiefe ist vorrangig von der Blendenzahl abhängig. Breitbandig korrigierte Objektive erfordern eine bestimmte Anzahl an Linsen, deren Preis wesentlich von der Anzahl der Linsen abhängt. Um die Kosten der Objektive zu reduzieren, kann man sich auf einen Teil des Spektrums, z.B. blau, beschränken, wodurch die Anzahl an Linsen reduziert werden kann. Dies war eine der Ideen bei der Entwicklung der telezentrischen Blue Vision-Objektivserie. Da ein CMOS-Sensor eine andere Empfindlichkeit gegenüber einzelnen Wellenlängen besitzt als das menschliche Auge, ist es meist gar nicht erforderlich, dass die Objektive breitbandig für das gesamte visuelle Spektrum korrigiert werden. Häufig ist die Verwendung einer einzigen Lichtfarbe ausreichend, um die notwendigen Objektinformationen zu erhalten.
Bild 2 I Telezentrischen Blue-Vision-Objektivserie. (Bild: Vision & Control GmbH)
Blaue LEDs mit größten Wirkungsgrad
Die Umwandlung von elektrischer Energie in Licht kann im Blauen insbesondere für die Wellenlänge um 450nm (Deep Blue) sehr effizient erfolgen. Laut Herstellerangaben liegt die Strahlungseffizienz im Bereich von 52 bis 60%. Aktuell gibt Osram für eine seiner LEDs eine Effizienz von 75% an (Oslon SSL 150 GD CSHPM1.14). Die optische Effizienz bezeichnet das Verhältnis von austretendem Strahlungsfluss in W zu eingespeister elektrischer Energie in W. Um die Strahlungseffizienz jedoch mit der von LEDs anderer Lichtfarben vergleichen zu können, ist es erforderlich die üblichen lichttechnischen Angaben in die entsprechende strahlungsphysikalischen Angaben umzurechnen. Häufig werden diese nur für die anderen Wellenlängen sichtbaren Lichts bzw. für weiße LEDs angegeben. Auch die optische Effizienz wird für den sichtbaren Spektralbereich in lm/W angegeben. Hier wird der austretende Lichtstrom zur eingespeisten elektrischen Energie ins Verhältnis gesetzt. Die Einheit Lumen bedeutet, dass hier eine Wichtung mit der Farbempfindlichkeitskurve des menschlichen Auges vorgenommen wurde. Die Umrechnung erfolgt mit dem Strahlungsäquivalent K, welches für eine bestimmte spektrale Verteilung den Umrechnungsfaktor von einer lichttechnischen Größe Xv mit einer Einheit verbunden mit Lumen in die entsprechende strahlungsphysikalische Größe Xe (in Watt) angibt: K = Xv/Xe. In Tabelle 1 werden typische Werte dieses Umrechnungsfaktors für häufig genutzte LED-Wellenlängen gezeigt. Sie können aus dem Verhältnis der gemessenen Werte für die Beleuchtungsstärke Ev und Bestrahlungsstärke Ee bestimmt werden. Diese wurden durch eigene Messungen mit einem Spektralradiometer ermittelt. Mit den LED-spezifischen Größen für das Strahlungsäquivalent war es nun möglich, die strahlungsphysikalischen Effizienzen in W/W für die anderen LED-Farben im sichtbaren Spektralbereich zu berechnen. Dabei zeigt sich folgender Trend: Blaue LEDs besitzen den größten Wirkungsgrad. Die Effizienz für Deep Blue-LEDs mit Wellenlängen um 450nm wird mit 52% (=0,52W/W), d.h. dass 52% der eingehenden elektrischen Leistung auch in Lichtenergie umgewandelt werden. Hingegen liegt sie bei rotem Licht im Bereich von 40% und bei grün bei 19%.
Höhere Bestrahlungsstärke bei gleicher Leistung
Falls man die Umrechnung über das Strahlungsäquivalent nicht vornimmt, so wirken von den einfarbigen LEDs die grünen am effizientesten, da für sie der höchste lichttechnische Wirkungsgrad in lm/W angegeben wird und für sie auch der höchste Beleuchtungsstärkewert ermittelt wurde. Dies kommt daher, dass das Auge in diesem Bereich am empfindlichsten ist. Es muss also weniger Lichtleistung eingesetzt werden, um einen bestimmten Helligkeitseindruck zu erzeugen. Eigene Messungen konnten die durch den Hersteller angegebene hohe Effizienz der blauen LED bestätigen. Jüngst wurde eine Spotbeleuchtung (SL-Serie) bei Vision & Control entwickelt, bei der die Bestrahlungsstärke der blauen Variante, die der roten um mehr als das Doppelte bei gleicher aufgenommener elektrischer Leistung übersteigt. Die hohe Effizienz der blauen LED kann auf zwei Weisen genutzt werden: Sollen die Lichtquellen vergleichbare Bestrahlungsstärken liefern, dann kann der Strom für die blaue LED geringer eingestellt werden. Werden die LEDs hingegen mit gleichem Strom beaufschlagt, so führt dies direkt zu einer höheren Bestrahlungsstärke der Lichtquelle. In beiden Fällen führt dies zu einer geringeren Wärmeentwicklung an der LED.
