Hell und heller

In der Qualitätssicherung werden häufig Stereomikroskope zur Untersuchung und Dokumentation fehlerhafter Produkte eingesetzt. Höherwertige Geräte sind aufgrund der Bandbreite der Applikationen in der Regel nicht mit einer eingebauten Beleuchtung versehen und werden, je nach Aufgabenstellung um geeignete Lichtquellen ergänzt, deren fachgerechte Auswahl für die optimale Darstellung des Prüfobjekts von entscheidender Bedeutung ist.

Bisher kamen hierzu in der Regel faseroptische Kaltlichtquellen mit Halogen Lampe zum Einsatz. Aufgrund ihrer zahlreichen Vorteile wie hoher Lebensdauer des Leuchtmittels und geringen Betriebskosten, haben sich inzwischen LED Lichtquellen, mit und ohne faseroptischem Lichtleiter, in allen Bereichen der Mikroskopie etabliert.

Daneben haben auch Direkt – LED Beleuchtungen ohne faseroptische Lichtführung weite Verbreitung gefunden.

Worin liegen die Vorteile der Lichtquellen? Wo sind die Grenzen ? Wann braucht man eine faseroptische Beleuchtung ?

Beim Anwender, der bisher mit faseroptischen Halogenlichtquellen gearbeitet hat, besteht weithin Unsicherheit darüber, welche Lichtquelle er für seine Aufgabenstellung einsetzen soll. Dieser Artikel möchte anhand einfacher Randbedingungen Hilfestellung bei der Auswahl bieten.

Die Wahl der optimalen Lichtquelle hängt in hohem Maße von der eigentlichen Anwendung ab. Dabei gilt es zu unterscheiden ob man mit geringen Vergrößerungen (5x bis 35x) arbeitet, oder ob höhere Vergrößerungen gebraucht werden.

Zum Anderen gibt es stark lichtabsorbierende Objekte wie schwarzer Schaumstoff oder Gummi, zu deren Beobachtung mehr Helligkeit erforderlich ist als üblich.

Braucht man mal kleine mal große Vergrößerung, mal homogenes mal gerichtetes Licht und sind auch lichtabsorbierende Materialien zu untersuchen ist größtmögliche Flexibilität gefordert.

Von geringen Vergrößerungen spricht man zwischen 5x bis 35x. Geeignete Lichtquellen sind hier Ringlichter und Spotbeleuchtungen. Möchte man größere Objektfelder von 20 bis 50 mm Durchmesser gleichmäßig und möglichst schattenfrei ausleuchten ist das Ringlicht die geeignete Lichtquelle.

Hier gibt es die faseroptischen Ringlichter die an Halogen oder neuerdings auch LED Kaltlichtquellen angeschlossen werden. Daneben kommen mehr und mehr direkte LED Lichtquellen zum Einsatz, die es in Varianten mit 40 oder 80 LEDs gibt.

Ein Vorteil der Photonic LED Ringlichter gegenüber der Faseroptik ist die Möglichkeit, Teilbereiche des Ringlichts ein- oder auszuschalten und die so gewählten Segmente zu rotieren. Dadurch erhält man außer der homogenen Ausleuchtung, auch die Möglichkeit eine gerichtete Beleuchtung zu erzeugen, wodurch sich hervorragende Kontrastiermöglichkeiten bei Oberflächenstrukturen aufgrund der Schattenbildung ergeben. Durch Ausschalten von Segmenten können zudem störende Reflexe, zum Beispiel. auf zylindrischen Objekten vermieden werden. Bei Photonic LED Ringlichtern besteht außerdem die Möglichkeit, die Segmente per Knopfdruck in beide Drehrichtungen zu rotieren.

Dies ermöglicht eine besonders komfortable Bedienung, da man beim Versuch die Lichtführung zu optimieren, meist über die optimale Position hinausfährt und dann gerne einen Schritt zurück möchte, statt noch mal den ganzen Kreis zu durchlaufen. Mithilfe der LED Anzeige am Steuergerät, ist man immer im Bilde welche Segmentgeometrie gerade geschaltet ist.

Das 40 LED Ringlicht zeichnet sich darüber hinaus durch eine besonders schlanke Bauweise aus, die einem faseroptischen Ringlicht in nichts nachsteht. Durch die Möglichkeit zwei Lichtköpfe an einer Steuereinheit zu betreiben erhält man eine preiswerte Auf- und Durchlichtbeleuchtung die alle Standardapplikationen abdeckt..

Ist die homogene Rundum – Beleuchtung nicht gefordert, bieten direktleuchtende LED Spots eine flexible Alternative mit der man das Licht auch extrem flach von der Seite einstrahlen kann, um zur Analyse von Oberflächenstrukturen auch durch Dunkelfeldbeleuchtung zu kontrastieren. Die Photonic Hi Power Spots lassen sich einfach am Mikroskopstativ montieren wodurch eine stabile Positionierung der Lichtköpfe möglich wird. Die Kabel verlaufen geschützt in hochwertigen Flexarmen, die nicht nachfedern.

Arbeitet man mit hohen Vergrößerungen ab etwa 35 x und den damit verbundenen kleinen Bildfeldern von 6 mm und weniger, stoßen direktstrahlende Lichtquellen an ihre Grenzen, da sie das verfügbare Licht nicht mehr auf die kleine Flache bündeln können. Da mit steigender Vergrößerung auch die Lichtstärke der Mikroskopoptik abnimmt, ist aber zunehmend mehr Helligkeit gefordert.

Hier ist eindeutig die Domäne der Faseroptik, die das Licht einer externen Lichtquelle auf einen Querschnitt von nur 5 mm bündeln kann.

Auf die Frage wie hell denn eigentlich ihre LED Lichtquellen sind, verweisen die Hersteller, mangels besserer Alternativen, meist auf die entsprechenden Datenblätter.

Dort findet man dann Angaben in Lux oder Lumen, bezogen auf bestimmte Arbeitsabstände oder Flächen, die mangels Normung leider meistens uneinheitlich und damit nicht vergleichbar sind. Eine Einschätzung ob die Helligkeit für eine Anwendung ausreicht, ist für den Nutzer so nicht möglich.

Ein Anwender hat mir einmal gesagt „Heute arbeite ich mit einer 150 W Kaltlichtquelle und einem Schwanenhalslichtleiter. Ich bin das Lampen wechseln leid und möchte auf LED umstellen. Aber ist das dann auch hell genug, und muss es wirklich wieder eine faseroptische Lösung sein ?“

Dies hat uns zu einer vergleichenden Messung zwischen einer Photonic PL 3000 150W Halogen Kaltlichtlampe und faseroptischem Schwanenhals Lichtleiter mit einem lichtquellenseitigen aktiven Faserquerschnitt von 8 mm, und den Photonic LED Hi Power Spots inspiriert.

Geringe Vergrößerungen

Die Flexarme beider Systeme wurden so eingestellt, dass sich ein in der Stereomikroskopie üblicher Leuchtfleck von ca. 25 mm Durchmesser ergibt. Das entspricht dem Bildfeld bei ca. 10x Vergrößerung.

Durch die unterschiedliche Abstrahlcharakteristik ergibt sich dadurch ein Arbeitsabstand von 40 mm für die Faseroptik und 70mm für die High Power Spots, die stärker fokussieren.

Die anschließende Messung mit einem handelsüblichen Luxmeter im gleichen Messbereich ergibt für beide Lichtquellen einen annähernd gleichen Wert von ca. 100 kLux.

Für das bloße Auge wirkt das weiße Licht der Hi Power Spots subjektiv sogar noch heller als das Halogenlicht.

Wiederholt man die Messung mit gleichem Arbeitsabstand der Lichtköpfe von 70 mm sind die Hi Power Spots sogar doppelt so hell.

In Anbetracht des günstigen Preises und dem Einsparpotential bei Lampen und Energie sind die Photonic LED Hi Power Spots hier also ein äußerst attraktives Produkt.

Hohe Vergrößerungen

Ein ähnlicher Messaufbau wie oben beschrieben untersucht die maximale Helligkeit die auf einer Fläche von 5,5 mm erzeugt werden kann. Dazu wird unter einer Blende mit einer Öffnung von 5,5 mm Durchmesser gemessen. Das Licht wird schräg eingestrahlt so dass man von oben das Objekt unter dem Mikroskop auch betrachten kann.

In diesem Fall ergibt sich eine um das zehnfache höhere Lichtintensität für die Faseroptik. Der Versuch zeigt anschaulich die Grenzen der Direkt LED Beleuchtung sobald maximale Lichtintensitäten auf kleiner Fläche gefordert sind.

Trotzdem sind in vielen Fällen auch bei höheren Vergrößerungen die Photonic Hi Power Spots oder die 80 LED Ringlicht Varianten ausreichend. Allerdings kommt es hier auch auf die Lichtstärke des Mikroskops und die Absorption des zu betrachtenden Objektes an.

Im Forschungs- und Laborbetrieb weiß man nie welche Herausforderung am kommenden Tag gemeistert werden muss. Deshalb sollte man mit seiner Ausrüstung auf möglichst jede Situation vorbereitet sein. Hier ist eine faseroptische Lichtquelle an Flexibilität nicht zu überbieten.

Ob Punktbeleuchtung, Ringlicht, Linienlicht, diffuses oder polarisiertes Licht, sei es als Auf- oder Durchlicht, in Hell- oder Dunkelfeldvariante. Für alle denkbaren Beleuchtungstechnologien gibt es für diese eine Lichtquelle das passende Zubehör, ohne dass man mehrere Beleuchtungseinheiten anschaffen muss. Dabei ist auch egal in welchem Vergrößerungsbereich man arbeitet, die Faseroptik passt immer.

Zusammenfassend kann man sagen, dass man grundsätzlich mit faseroptischer Beleuchtung in allen Vergrößerungsbereichen und auch bei hohen Anforderungen immer zu guten Ergebnissen kommt.

Im Vergrößerungsbereich unter 35x kann man ohne Einschränkungen auch die preiswerteren Photonic Direktbeleuchtungen einsetzen. Je nach dominierender Aufgabenstellung wählt man für homogene Ausleuchtung und strukturierte Beleuchtung ein segmentierbares Photonic Ringlicht mit 40 oder 80 LEDs. Für größtmögliche Flexibilität, die auch Dunkelfeldbeleuchtung durch horizontales Einstrahlen von Licht umfasst, sind die Photonic Hi Power Spots die richtige Wahl.

Sobald aber, wie im Forschungs- oder Laborbetrieb häufig der Fall, auch hohe Vergrößerungen oder lichtabsorbierende Materialien zum Einsatz kommen, kann nur eine faseroptische Lichtquelle ausreichend Helligkeit auch für anspruchsvolle Aufgaben bereitstellen. Dabei muss man nicht auf LED Technologie verzichten. Die Photonic F3000 LED Lichtquelle zum Beispiel, übertrifft die Helligkeit herkömmlichen 150W Halogen Geräte deutlich, bei einem Bruchteil der Betriebskosten.

Photonic Optische Geräte, Wien www.photonic.at