Die Fortschritte bei telezentrischen Objektiven ermöglichen es Systemintegratoren, bei der Bildgebung mit blauem Licht eine hohe potenzielle Auflösung und eine hohe Depth of field (DOF, Schärfentiefe) zu nutzen. 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 auch gut für alle konventionellen LED-Farben. Die Arbeit in diesem Spektrum erforderte jedoch die Überwindung erheblicher Hindernisse. Die hier vorgestellte Arbeit ist die derzeit effizienteste Nutzung von Lichtquellen mit blauen LEDs, die wiederum den höchsten Wirkungsgrad im Zusammenspiel von LED- und Sensoreffizienz ergibt. Dabei wird auf alle Besonderheiten in der Bildverarbeitungsprozesskette beim Einsatz von blauen LEDs eingegangen.
LED-Eigenschaften
Elektrische Energie kann relativ effizient in blaues Licht umgewandelt werden, vor allem für tiefes Blau, also Wellenlängen um 450nm. Die Strahlungseffizienz liegt nach Herstellerangaben im Bereich von >50 Prozent. Der Hersteller Osram gibt für seine LED (Oslon SSL 150 GD CSHPM1.14) derzeit sogar eine Effizienz von 75 Prozent an. Wir haben die Strahlungseffizienzen in W/W für alle typischen LED-Farben ermittelt. Für die Messung wurde ein Spektroradiometer verwendet. Dabei zeigten sich folgende Trends:
- – Spektrale Eigenschaften der blauen LED: Peak-Wellenlänge (WL): 452,90nm; Peak-Halbwertsbreite (FWHM): 18,13nm; Volle Breite bei 20 Intensitäts-Prozent: 40-60nm
- – Spektrale Eigenschaften der weißen LED: Weißes Licht LED: Peak WL 440,00nm; Peak FWHM 18,33nm; 2.Peak WL 551,00nm; 2. FWHM 126,00nm
- – Die Peak-Wellenlänge der weißen LED ist fast die gleiche wie die der blauen LED
- – Blaue LEDs bieten die höchste Effizienz. Der Wirkungsgrad der Deep Blue-LEDs mit Wellenlängen um 450nm wird direkt mit 52 Prozent oder 0,52W/W angegeben. Das bedeutet, dass 52 Prozent der elektrischen Leistung in Watt, die in die LED eingespeist wird, anschließend in Lichtenergie umgewandelt wird. Bei rotem Licht liegt der entsprechende Wert dagegen bei <40 Prozent, bei grünem Licht bei nur ca. 20 Prozent.
Der hohe Wirkungsgrad von Blau kann also 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.
Vergleich der Sensoreigenschaften
Für einen Empfänger mit einer flachen Empfindlichkeitskurve würde die blaue LED am hellsten erscheinen. Heute werden in der Regel CMOS-Sensoren verwendet. Ähnlich wie bei der Verwendung monochromatischer LEDs sind in den meisten Fällen monochromatische Empfänger für Bildverarbeitungssysteme ausreichend. Moderne CMOS-Sensoren bieten Empfindlichkeitskurven, die über den gesamten sichtbaren Bereich des Spektrums recht flach sind. Der entsprechende Messwert wird als spektrale Quanteneffizienz des Empfängers bezeichnet und stellt das Verhältnis zwischen der optischen Leistung der empfangenen elektrischen Leistung und den einfallenden Photonen für eine bestimmte Wellenlänge dar. Er wird hier beispielhaft für die Manta 1236G Kamera von Allied Vision mit einem Sony-Sensor vom Typ IMX304 in Bild 1 angegeben. Die Daten in der Grafik beruhen auf internen Messungen des Kameraherstellers.
Um die Sensorkurve besser mit den Bestrahlungsstärkekurven der LEDs und der Lichtausbeute der menschlichen Kurve vergleichen zu können, ist in Bild 2 jede einzelne Kurve auf ihr eigenes Maximum normiert dargestellt. Es ist zu erkennen, dass sich die Sensorkurve deutlich von der Lichtausbeutekurve des menschlichen Auges unterscheidet, obwohl ihr Maximum ebenfalls im grünen Spektralbereich liegt. Allerdings ist diese Kurve viel breiter und behält ihre Empfindlichkeit auch im nahen IR-Spektralbereich bei. Zudem ist es interessant, die Gesamteffizienz des Zusammenspiels zwischen LED und Sensor zu bestimmen. Dazu multiplizieren wir die einzelnen Wirkungsgrade. Demnach beträgt der Gesamtwirkungsgrad im blauen Bereich 31 Prozent, im grünen Bereich 10 Prozent und im roten Bereich 22 Prozent. Im IR-Spektrum liegt er bei nur 5 Prozent. Dies zeigt, dass der Gesamtwirkungsgrad im blauen Bereich am höchsten ist.
Design von telezentrischen Linsenanordnungen für blaue LEDs
Die Herausforderung beim optischen Design der neuen Linsen war die extrem breitbandige Farbkorrektur. Diese muss im Design berücksichtigt werden, damit die telezentrischen Linsen sowohl für einzelne Farben als auch insgesamt für weißes Licht funktionieren. Unabhängig vom Spektralbereich haben monochromatische LEDs typischerweise eine Halbwertsbreite von ~20 bis 30nm. Die spektrale Breite bei einer Intensität von 20 Prozent kann sogar 40 bis 60nm betragen (Bild 2). Dieses Spektrum ist also breit genug, um auch bei monochromatischen Systemen eine Farbkorrektur erforderlich zu machen – und diese erfordert die Optimierung sowohl der axialen als auch der lateralen chromatischen Aberrationen.