LED-Beleuchtung

Leuchtdioden, kurz LEDs (Light Emitting Diodes) genannt, werden seit rund 10 Jahren in der industriellen Bildverarbeitung eingesetzt. Durch ständig verbesserte Halbleitermaterialien konnte die Intensität extrem gesteigert werden. Heute decken LED-Beleuchtungen einen Großteil der industriellen Anwendungsgebiete ab. Nur großflächige Ausleuchtungen wie zum Beispiel  in der Robotik oder in Bereichen der Zeilenkameratechnik, wo sehr ebenfalls sehr viel Licht und /oder eine Ausleuchtung  größerer Flächen benötigt wird, werden Halogen- und Fluoreszenzlampen noch häufig eingesetzt.

 

Gründe für die häufige Verwendung von LEDs für die industrielle Bildverarbeitung

Eigenschaften industrielle LED-Beleuchtung

• Niedriger Stromverbrauch, damit geringe Wärmeentwicklung
• Äußerst lange Lebensdauer von 30.000 bis 100.000 Stunden
• Kaum Frühausfälle, durch ein Cluster von vielen LEDs ist ein Ausfall einer einzelnen unkritisch
• Kleinste Abmessungen, gerichtetes Licht durch Linsenoptik des Gehäuses
• Hohe Stoß- und Vibrationsfestigkeit im industriellen Einsatz
• gut schalt- oder blitzbar zur Steigerung der Lebensdauer oder des Outputs
• In verschiedensten Farben einsetzbar, nicht nur in Weiß
• Durch kleine Bauform sind viele Formfaktoren möglich zur Realisierung verschiedener Beleuchtungstechniken

 

Funktionsweise der LED

Leuchtdioden funktionieren wie Halbleiterdioden, die in Durchlassrichtung Licht erzeugen. Dabei wird Licht emittiert. Die Kurzbezeichnung LED ist die Abkürzung für "Light Emitting Diode"("Licht emittierende Diode"). Die Farbe des erzeugten Lichts wird vom verwendeten Halbleiterkristall und von dessen Dotierung festgelegt. Zur Verwendung kommen Mischkristalle, wie Galliumarsenid (GaAs), Galliumphosphid (GaAsP), Indium-Gallium-Nitrid (InGaN) etc.

Die Leuchtdiode  besteht aus einem Halbleitermaterial, das n-dotiert ist, darauf befindet sich eine sehr dünne p-dotierte Schicht, die einen Ladungsträgerunterschuss hat. Beim Anlegen einer Spannung wird in der Grenzschicht ein Überschuss an Ladungen erzeugt, die im p-dotierten Material an Fehlstellen rekombinieren und dort ihre Energie abgeben. Da die obere Schicht sehr dünn ist, kann der Lichtblitz aus dem Material austreten. Das dabei erzeugte Licht ist aufgrund dieser exakt definierten Energiebeträge des Halbleitermaterials monochromatisch. Das Licht hat also im Gegensatz zu einer Glühlampe immer eine bestimmte Farbe.

Auch weiße LEDs erzeugen erst einmal monochromatisches Licht. Erst mit einem Trick wird weißes Licht erzeugt: Dabei regt das Licht einer zu 100% blau emittierenden LED gelbe Fluoreszenzfarbstoffe an, die um den lichtemittierenden Kristall angeordnet sind. Aus der direkten Emission von Blau und der Fluoreszenz von Gelbgrün und Rot wird so weißes Licht gemischt.

Spektren verschiedener farbiger LEDs

Typische LED-Spektren

 

Schließlich bündeln optische Elemente bündeln den austretenden Lichtstrahl zu einem definierten Lichtkegel.
Die Lichtstärke wächst proportional zur Stromstärke, was in der Industriellen Bildverarbeitung genutzt wird, hohe Lichtmengen mit Hilfe von High-Power-LEDs zu erzeugen. Ein Verbrauch von 5-25 Watt für eine LED-Beleuchtung sind typische Verbrauchswerte. Die Energieausbeute lässt sich noch weiter steigern, wenn man die Stromstärke über 100% des zulässigen Wertes erhöht. Die LED würde im Dauerbetrieb natürlich sofort beschädigt werden. Mit Hilfe eines Blitzcontrollers können jedoch  mit kurzen Strom-Impulsen (1x pro Inspektion) um den drei- bis sechsfachen Betrag überblitz werden, um eine mehrfache Lichtleistung zu erzeugen.

 

Wichtig für die Industrielle Bildverarbeitung

• LEDs altern bei starker Erwärmung deutlich schneller als bei ausreichender Kühlung. Die entstehende Hitze sollte abgeführt werden durch Luftzufuhr, Wärme leitende  Befestigung oder sinnvolles Takten.
• Durch Erwärmung sinkt die Lichtausbeute. Der Helligkeitsfluss ist vom Stromfluss und der Temperatur abhängig. Idealerweise durch Blitzcontroller / Strombegrenzung verwenden und LED kühl halten.
• Häufiges Ein/Ausschalten (pro Inspektion) schadet nicht der Beleuchtung, verlängert aber extrem die Lebensdauer.
• Die Lebensdauer der LED ist das Alter, bei der die LED nur noch 50% der anfänglichen Helligkeit abgibt. Ein Totalausfall ist sehr selten, LEDs altern annähernd linear.
• Durch den Einsatz von Blitzcontrollern kann eine mehrfache Helligkeitsleistung erzielt werden.
• Wichtig für Farbanwendungen: Auch weiße LEDs verändern über die Lebensdauer ihre Farbtemperatur. Durch die aggressive Bestrahlung der Fluoreszenzfarbstoffe mit viel Lichtenergie altern diese besonders schnell. Die LED wird blaustichiger. Ein Nachkalibrieren kann ab und zu (aber deutlich seltener als bei Halogen/ Fluoreszenzlampen) nötig werden.