Hohe Lebensdauer und geringer Energieverbrauch der LED-Beleuchtung lassen sich neben der Ringleuchte nun auch über Lichtleiter nutzen. Der Anwender senkt so seine Betriebskosten, zudem entfallen Lampenwechsel, die die Produktion unterbrechen. Allein der geringere Energieverbrauch senkt die Kosten um bis zu 80 %.
Patrik Schober ist Applikations- und Produktmanager Mikroskopie bei der Schott AG in Mainz.
Weiße LEDs werden immer effizienter und heller. Der Bereich ‚Lighting and Imaging’ (früher ‚Fiber Optics’) der Mainzer Schott AG nutzt diesen Fortschritt und erweitert damit seine Produktpalette für die Beleuchtung in der Stereomikroskopie. Das Plus: Mit den neuen Lichtquellen KL 200 LED und KL 1500 LED lassen sich die Vorteile einer LED-Lichtquelle mit denen einer Beleuchtung mittels Faseroptik kombinieren. Bislang kamen bei der Beleuchtung mittels faseroptischer Lichtleiter die bewährten Halogen-Lichtquellen zum Einsatz. Mit weißen LEDs dagegen ließen sich in den Produkt-Serien ‚EasyLED’ und ‚VisiLED’ die gebräuchlichsten Beleuchtungstechniken realisieren – also mit Ringleuchten, die direkt mit mehreren ‚radialen’ LEDs Objekte in der Stereomikroskopie beleuchten.
Beide Beleuchtungstechnologien – die faseroptische und die per LED – haben ihre Stärken bei der Anwendung in der Stereomikroskopie. Deshalb lag es nahe, beide zu kombinieren. Die Schott-Ingenieure entwickelten also zwei Lichtquellen für die Beleuchtung mittels faseroptischer Lichtleiter, bei denen als Leuchtmittel nun aber LEDs verwendet werden.
Bei der KL 200 LED handelt es sich um eine kleine und kompakte Lichtquelle, die sowohl vom Preis, als auch von der Leistungsfähigkeit in den Routinebereich (Greenough-Typ) passt. Als Leuchtmittel dient eine 3-W-High-Power-LED, deren Lichtstrom am Lichtleiterende vergleichbar dem einer 20-W-Halogenlampe ist. Lichtleiter und Zubehör des mit einer Halogenlampe betriebenen Vorgänger-Modells KL 200 passen in gleicher Weise an die LED-Variante und können weiterverwendet werden. Mit speziellen Haltevorrichtungen lässt sich die KL 200 LED an nahezu alle Greenough-Mikroskope montieren.
Für Standard- und High-End-Anwendungen in Verbindung mit Mikroskopen mit parallelem Strahlengang (Galileo-Typ) empfiehlt sich die KL 1500 LED. Mittels einer speziellen Optik wird das Licht von insgesamt sieben High-Brightness-LEDs (mit jeweils 3 W Leistung) in ein Glasfaserbündel mit einem Durchmesser von maximal 9 mm eingekoppelt. Der Leuchtfleck am Lichtleiterende ist dabei trotzdem homogen, der Lichtstrom vergleichbar dem einer 150-W-Halogenlampe – was es in dieser Form bislang nicht gab. Der Preis der KL 1500 LED ist aber durchaus vergleichbar mit dem des halogenlampenbetriebenen Vorgänger-Modells KL 1500 LCD.
LED-Beleuchtung ist stoßresistent
Die Verwendung von LEDs in Beleuchtungssystemen führt in der Praxis zu einigen Vorteilen:
- Physikalisch betrachtet sind LEDs keine Temperaturstrahler wie Halogenlampen, bei denen das Licht durch das Leuchten eines empfindlichen Glühdrahts erzeugt wird. Das Licht der LED entsteht durch Rekombination von Elektronen in einem Halbleitermaterial – und ist deshalb unempfindlich gegenüber Stößen und Vibrationen.
- Weiße LEDs emittieren Licht, das dem natürlichen Tageslicht sehr nahe kommt (5600 – 6000 K). Bei Halogenlampen muss hierfür ein Konversionsfilter in den Strahlengang eingebracht werden, was aber den maximalen Lichtstrom um rund 50 % reduziert. Außerdem bleibt die Farbtemperatur von LED-Lichtquellen beim Regeln der Helligkeit nahezu konstant; bei der Bildverarbeitung ist also kein erneuter Weißabgleich erforderlich, sobald die Helligkeit verändert wurde.
- Da LEDs mit Gleichstrom betrieben werden, entstehen keine Interferenzeffekte (‚Flickern’).
Hauptvorteile der LED-Beleuchtung sind aber die hohe Lebensdauer und der geringe Energieverbrauch. Im Gegensatz zu Halogenlampen, die unter Volllast nach rund 50 h ausfallen, geben die Hersteller von LEDs eine Lebensdauer von mehr als 100 000 Stunden an. Eine ausreichende Kühlung vorausgesetzt, reduziert sich zudem nach etwa 50 000 Stunden die Intensität lediglich auf 70 %. Bei einem Einsatz in einem 2-Schicht-Betrieb entspricht dies etwa 10 Jahren. Das heißt: Der Anwender senkt seine Betriebskosten deutlich, da über diesen Zeitraum kein Lampenwechsel erforderlich ist.
Speziell in Produktionsbetrieben lassen sich weitere Kosten vermeiden, weil keine Stillstandszeiten mehr durch Lampenausfälle auftreten. Und wegen des geringen Energieverbrauchs ist – bei einer Umstellung auf eine LED-Lichtquelle – ein Kosteneinsparpotenzial von bis zu 80 % vorhanden. Je nach Anwendung lassen sich also über die längere Lebensdauer und die höhere Energieeffizienz Einsparungen von mehreren hundert Euro pro Jahr realisieren.
Die Vorzüge von LED- gegenüber Halogen-Lichtquellen sind also offensichtlich. Bleibt die Frage, ob auch die Beleuchtung mittels Lichtleiter Stärken gegenüber einer ‚direkten’ LED-Beleuchtung besitzt. In erster Linie lässt sich per Lichtleiter wesentlich mehr Lichtenergie auf einen kleinen Fleck konzentrieren, was gerade in der Stereomikroskopie bei starken Vergrößerungen von Bedeutung ist. Zudem hat man in einem separaten Gehäuse genug Platz, um einerseits die Optik unterzubringen (um das Licht in den Lichtleiter einzukoppeln), andererseits das Leuchtmittel optimal zu kühlen.
LED und Lichtleiter bilden starkes Team
Kommen mehrere Hochleistungs-LEDs zum Einsatz, entsteht jede Menge Wärme, die mit entsprechendem Aufwand unmittelbar abtransportiert werden muss. Anderenfalls beschleunigt sich der Alterungsprozess in Form des Intensitätsverlustes stark. Bei Ringleuchten, Durchlichtbasen oder Spots, die das Objekt direkt beleuchten, ist man dagegen aus Platzgründen hinsichtlich der Kühlmöglichkeiten entsprechend eingeschränkt. Zwar sorgen wärmeleitende Kleber und Aluminiumgehäuse für eine ausreichende Kühlung der LEDs, allerdings ist die Kühleffizienz gegenüber ‚externen’ Lichtquellen eingeschränkt. Denn bei diesen lassen sich die LEDs dank größerer Kühlkörper und Lüfter sogar mit höherem Strom betreiben – was wiederum eine höhere Lichtintensität erzeugt. Um eine ausreichende Kühlung zu erreichen, sind die ‚direkten’ LED-Beleuchtungseinheiten zudem größer beziehungsweise voluminöser. Dies ist in der Stereomikroskopie nicht wünschenswert, da hierdurch das Handling und das Sichtfeld eingeschränkt werden. Gefordert sind vielmehr schlanke und dünne Gehäuse, die sich mit einer Faseroptik sehr viel einfacher realisieren lassen.
Ein weiterer Vorteil der Beleuchtung mittels Lichtleiter ist die volle Flexibilität bezüglich aller möglichen Beleuchtungstechniken: ‚Auflicht Hellfeld’, ‚Auflicht Dunkelfeld’ sowie ‚Durchlicht Hellfeld’ und so weiter sind möglich. So können Anwender, die diese Flexibilität bevorzugen oder gar benötigen und bisher mit Halogen-Lichtquellen arbeiten, lediglich die Lichtquelle austauschen, um die zusätzlichen Vorteile von LED-Licht zu nutzen. Denn vorhandene Lichtleiter lassen sich weiter verwenden.
Dennoch besitzen auch die direkten LED-Beleuchtungseinheiten – also Ringleuchten wie EasyLED und VisiLED – Vorteile. Sie zeichnen sich vor allem dadurch aus, dass die einzelnen LEDs segmentweise, das heißt in kleinen LED-Gruppen, angesteuert werden können. Dadurch lässt sich eine schräge Beleuchtung, wie man sie etwa für die Kontrastierung mittels einer faseroptischen Punktbeleuchtung (‚Schwanenhals’) oder eines Linienlichts benutzt, emulieren. Der Vorteil hierbei ist, dass die Segmente sehr schnell wechselnd angesteuert werden können, so dass eine Rotation des aktiven Segments um das zu beleuchtende Objekt entsteht. Hierdurch muss das Prüfobjekt nicht mehr manuell gedreht werden, um es aus unterschiedlichen Richtungen zu beleuchten. Dieses kann etwa die Qualitätskontrolle in der industriellen Fertigung deutlich vereinfachen und beschleunigen.
So oder so gehört die Zukunft aber der LED-Technik. Die hohe Lebensdauer und Energieeffizienz sind die Hauptargumente für den Wechsel in der Beleuchtung für die Stereomikroskopie. Der Anwender hat dabei die Wahl, ob er sein Objekt direkt mit LEDs oder über einen faseroptischen Lichtleiter kontrastieren möchte. Abhängig von seinen Ansprüchen bezüglich Preis, Leistungsfähigkeit und Flexibilität kann er aber passende Lösungen entsprechend dem neuesten Stand der Technik bereits finden.
Schott AG, Mainz www.schott.com
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