Industrielle Bildverarbeitung Telezentrische Objektive und blaue LEDs für eine hochauflösende Bilderfassung

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Bei einem geringen Blauanteil konzentriert sich die optische Korrektur auf das rote und grüne Spektrum. Neu entwickelte telezentrische Messobjektive mit telezentrischem Strahlengang ermöglichen eine bessere Auflösung sowie doppelte Schärfentiefe im Vergleich zu herkömmlichen Systemen.

Bis etwa 1998 gab es keine brauchbaren blauen LEDs. Jahrzehntelang hatten Forscher erfolglos versucht, diese Farbe zu entwickeln. Die Erfindung effizienter blauer LEDs ebnete den Weg zu energiesparenden weißen Lichtquellen – und brachte Isamu Akasaki, Hiroshi Amano und Shuji Nakamura 2014 den Nobelpreis für Physik ein. Denn blaues Licht leuchtet nicht nur blau, sondern ist integraler Bestandteil des Farbspektrums. Ohne Blau kein Weiß. Die Welt der blauen LED wird sich aufgrund ihrer klaren Vorteile weiter entwickeln.

Elektrische Energie kann relativ effizient in blaues Licht umgewandelt werden, vor allem für tiefes Blau, also Wellenlängen um 450 nm. Die Strahlungseffizienz liegt nach Herstellerangaben im Bereich mehr als 50 Prozent. Der Hersteller Osram gibt für seine LED (Oslon SSL 150 GD CSHPM1.14) derzeit sogar eine Effizienz von 75 Prozent an. Experten bei Vision & Control haben die Strahlungseffizienzen in W/W für alle typischen LED-Farben ermittelt. Für die Messung haben sie ein Spektroradiometer verwendet.

LED-Eigenschaften – hoher Wirkungsgrad mit weniger Wärme

Dabei zeigten sich folgende Trends:

• Spektrale Eigenschaften der blauen LED: Peak-Wellenlänge (WL): 452,90 nm; Peak-Halbwertsbreite (FWHM): 18,13 nm; Volle Breite bei 20 Intensitätsprozent: 40 bis 60 nm

• Spektrale Eigenschaften der weißen LED: Weißes Licht LED: Peak WL 440,00 nm; Peak FWHM 18,33 nm; 2. Peak WL 551,00 nm; 2. FWHM 126,00 nm

• Die Peak-Wellenlänge der weißen LED ist fast die gleiche wie die der blauen LED

• Blaue LEDs bieten die höhere Effizienz. Der Wirkungsgrad der Deep-Blue-LEDs mit Wellenlängen um 450 nm wird direkt mit 52 Prozent oder 0,52 W/W angegeben. 52 Prozent der elektrischen Leistung [W], die in die LED eingespeist wird, wird in Lichtenergie umgewandelt. Bei rotem Licht liegt der entsprechende Wert dagegen bei annähernd weniger als 40 Prozent, bei grünem Licht nur bei ungefähr 20 Prozent.

Der hohe Wirkungsgrad von Blau kann somit auf zwei Arten genutzt werden: Soll die Lichtquelle eine vergleichbare Bestrahlungsstärke liefern, kann der in die blauen LEDs eingespeiste elektrische Strom reduziert werden. Wird jedoch der gleiche Strom in die LEDs eingespeist, führt dies direkt zu einer höheren Bestrahlungsstärke, jedoch mit einer höheren Effizienz als bei längeren Wellenlängen. In beiden Fällen bedeutet dies, dass an der LED weniger Wärme erzeugt wird.

Entwicklung einer neuen Generation telezentrischer Objektive

Eine neue Generation von blauen LEDs, macht eine neue Generation von telezentrischen Objektiven sinnvoll, denn die neu entwickelten telezentrischen Messobjektive mit telezentrischem Strahlengang ermöglichen eine doppelte Auflösung oder doppelte Schärfentiefe im Vergleich zu herkömmlichen Systemen. Damit können alle Vorteile der blauen LED in ihrer Anwendung wirklich genutzt werden.

Entwickelt wurden die telezentrischen Messobjektive von Vision & Control, einem Spezialisten für industrielle Bildverarbeitung. Das Unternehmen ist seit über 30 Jahren in der Bildverarbeitung zu Hause. Die Fortschritte bei den telezentrischen Objektiven ermöglichen es der Systemintegration, die hohe Auflösung und den großen Tiefenschärfebereich der Blaulicht-Bildgebung zu nutzen. Die Objektive sind ein hilfreicher Baustein für eine effiziente und hochauflösende Bilderfassung in der Prozesskette der industriellen Bildverarbeitung.

„Wir haben eine neue Generation von telezentrischen Objektiven für den Einsatz in der industriellen Bildverarbeitung mit moderner Farbkorrektur entwickelt, die tief in den blauen Spektralbereich hineinreicht. Damit können alle Vorteile der neuen LED-Generation – blau und weiß – nun auch in Anwendungen zur Messung und Inspektion genutzt werden. Die neuen telezentrischen Objektive eignen sich aber auch sehr gut für alle konventionelle LED-Farben“, sagt Dr. Jürgen Geffe, Geschäftsführer bei Vision & Control.

Die Vorteile blauer LEDs in technischen Anwendungen

Eine Besonderheit ist die breitbandige Farbkorrektur, die bis tief in den blauen Spektralbereich reicht. Dadurch können die Objektive für das gesamte sichtbare Spektrum und das nahe Infrarot eingesetzt werden. Die in einer Bildverarbeitungsanwendung verwendete Lichtfarbe sollte in jedem Fall berücksichtigt werden.

Blaue LEDs bieten eine Reihe von Vorteilen. Sie liefern im effizienten und energiereichen blauen Spektrum maximale Schärfe bei größtmöglicher Tiefenschärfe. Durch die geringere Beugung gegenüber Infrarot wird die Bildschärfe nahezu verdoppelt. Sie sind auch für die spektrale Zusammensetzung weißer LEDs mit ihrem Peak um 450 nm geeignet und zeigen gute Abbildungseigenschaften.

Gegenüber dem noch kurzwelligeren UV hat blaues Licht den Vorteil der Sichtbarkeit, was die Handhabung des Bildverarbeitungssystems einfacher und sicherer macht. Durch die Sichtbarkeit ist eine Abwehrreaktion des Auges gegeben. Zum anderen erleichtert die Sichtbarkeit der Strahlung das Einrichten des Systems.

Telezentrische Objektivserien für die Bildverarbeitung

Derzeit sind mehrere Objektivserien für die Abbildung einer maximalen Objektfelddiagonale von 18 bis 125 mm verfügbar. Innerhalb jeder Serie ist ein Objektivtyp für die gängigen Sensoren von 1/4" oder 1/3" bis zum DX-Format zur formatfüllenden Abbildung des jeweiligen Objektfeldes vorgesehen. Die Objektive für Sensoren bis 1,2" haben einen C-Mount-Anschluss, die Version für das DX-Format ist mit einem M42-Gewindeanschluss ausgestattet.

Sie sind breitbandig korrigiert für den sichtbaren Spektralbereich und das nahe Infrarot, aber mit einer Farbkorrektur, die bis tief in den blauen Spektralbereich reicht. Dadurch eignen sie sich sehr gut für blaue LEDs, einschließlich tiefblauer LEDs, und auch für weiße LEDs, da diese einen hohen Blauanteil haben. Wie alle unsere Standardobjektive verfügen sie über eine einstellbare, arretierbare Blende mit Blendenmarkierung und eine robuste Mechanik, so dass sie auch rauen Industriebedingungen standhalten. Damit bieten sie weiterhin alle Vorteile herkömmlicher telezentrischer Objektive für die industrielle Bildverarbeitung. (heh)

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