Hochleistungs-LED-Illuminator

Ausgezeichnet mit dem DLR-Innovationspreis 2011

Hochleistungs-Illuminator IL104
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Spektralverteilungen des ultravioletten, blauen, grünen bzw. roten LED-Illuminators
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Anwendungsbeispiel: Erzeugung eines Lichtschnitts für PIV-Messungen
Der LED-Illuminator IL104 wurde als kontinuierliche (CW) und gepulste Lichtquelle für die Hochgeschwindigkeits-Videographie, sowie bildgebende Messmethoden wie PIV (Particle Image Velocimetry), BOS (Background Oriented Schlieren), PROPAC (Projected Pattern Correlation), IPCT (Image Pattern Correlation Technique) und Schlieren entwickelt.

Das Gerät erzeugt extrem starkes, nicht-kohärentes Licht. Je nach derzeit eingesetzter Lichtquelle ist es rot (623 nm), grün (528 nm), blau (462 nm) oder UV (390 nm). Weiß ist in Vorbereitung. Der Impulslichtstrom beträgt bis zu 14000 lm (528 nm). Dank programmierbarer Verzögerung lassen sich die Lichtblitze mit unterschiedlichen Kameras präzise synchronisieren.

Alle Parameter des Gerätes sind per Software über eine USB-Schnittstelle einstellbar. Diese sind:

  • Dauerlichtleistung
  • Impulstriggerungsart
  • Aktive Triggerimpulsflanke
  • Einzel- bzw. Doppelimpuls-Modus (PIV)
  • Impulsbreite
  • Impulsleistung
  • Impulsverzögerung
  • Begrenzung der Impulsrate

Die über PC eingestellten Parameter werden im Illuminator nichtflüchtig gespeichert. Danach kann das Gerät selbständig (ohne PC) betrieben werden. Mittels Drucktasten, die sich auf der Rückseite befinden, können die Arbeitsmodi umgeschaltet, das Dauerlicht ein- und ausgeschaltet sowie einzelne Lichtblitze ausgelöst werden.

Die Arbeitstemperaturen der LED und der Leistungselektronik werden überwacht. Zur Kühlung werden separate temperaturgeregelte Lüfter eingesetzt. Die LED wird vor der Zerstörung als Folge von Falscheinstellungen durch vielfältige Maßnahmen geschützt. Insbesondere wird die Kombination der Impulsstärke, Impulsdauer und der maximalen Impulsfrequenz durch die Software überwacht und die Werte ggf. begrenzt. Der Status des Gerätes und evtl. Fehler werden direkt auf der Rückseite sowie über die Software angezeigt.

Der Illuminator kann mit unterschiedlichen C-Mount-Projektionsobjektiven ausgestattet werden. Je nach Objektiv ergibt sich ein definiertes rundes Beleuchtungsfeld (18, 36 oder 72 cm Ø in 1m Entfernung) von hoher Homogenität, besonders vorteilhaft für die BOS und IPCT-Anwendungen. Darüber hinaus können mittels eines Adapters an das Gerät Lichtleiter, z.B. von Fa. Fostec, Schott, Qioptiq oder Dolan-Jenner angeschlossen werden. 

Im CW-Modus erzeugt das Gerät Dauerlicht, dessen Stärke durch die Änderung des LED-Stromes im Bereich von 3 A bis 18 A über Software eingestellt werden kann. Das Gerät ist für den Dauerbetrieb mit voller Lichtleistung ausgelegt. Mit einem an die BNC-Buchse angeschlossenen TTL-Signal lässt sich das Licht ein- und ausschalten.

Im Impulsmodus "Internal 1" werden Blitze durch ein externes Triggersignal (TTL) ausgelöst. Folgende Parameter lassen sich durch die Software einstellen: Impulsstrom von 20 A bis 250 A, Impulsbreite im Bereich 200 ns bis 300 µs (in Schritten von 50 ns), Verzögerung zwischen der aktiven Triggerflanke und dem Lichtimpuls im Bereich 0 bis 100 ms (in Schritten von 50 ns), Begrenzung der maximalen Lichtimpulsfrequenz.

Im Impulsmodus "Internal 2" werden jeweils zwei Lichtblitze mit einem externen Triggerimpuls ausgelöst (PIV-Anwendung). Folgende Parameter lassen sich durch die Software einstellen: Impulsstrom von 20 A bis 250 A, Verzögerung zwischen der aktiven Triggerflanke und dem ersten Lichtimpuls von 0 bis 100 ms (in Schritten von 50 ns), Impulsbreite des ersten Lichtimpulses von 200 ns bis 300 µs (in Schritten von 50 ns), zeitlicher Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Lichtimpuls im Bereich 0 bis 100 ms (in Schritten von 50 ns), Impulsbreite des zweiten Lichtimpulses von 200 ns bis 300 µs (in Schritten von 50 ns).

Im Impulsmodus "External" wird die Lichtimpulsbreite durch die Breite des Triggerimpulses bestimmt. Der Impulsstrom ist mittels Software definierbar. Die Parameter werden durch die Software überwacht und ggf. begrenzt.

Allgemeine Daten des Illuminators
 Speisespannung:  24 V DC  (18 - 36 V max.) 
 Stromaufname:  5 A max.
 Maße (BxHxT):  115x170x130 mm³
 Gewicht:  ca. 2,8 kg

Lichtstrom (grüne LED)
 Dauerstrich, 18 A   2.100 lm
 Impulsbetrieb 2 µs, 250 A   14.000 lm

 zum Vergleich:
 Halogenstab 500 W

  9.500 lm

Anwendungsbeispiel

Der LED-Illuminator kann für PIV-Messungem in Flüssigkeiten teure Laser erfolgreich ersetzen. Dabei können Aufnahmen bis in den kHz-Bereich mit Hochgeschwindigkeits-Kameras erreicht werden.


Kontakt
Dr.-Ing. Boleslaw Stasicki
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)

Institut für Aerodynamik und Strömungstechnik
, Experimentelle Verfahren
Tel: +49 551 709-2890

E-Mail: Boleslaw.Stasicki@dlr.de
URL dieses Artikels
http://www.dlr.de/as/desktopdefault.aspx/tabid-183/251_read-24344/
Downloads zu diesem Artikel
Handout IL104 (http://www.dlr.de/as/Portaldata/5/Resources/dokumente/abteilungen/abt_ev/Handout_LI-104X_de.pdf)