Eine kreisförmige, gleichmäßige und helle Ausleuchtung ist eine wesentliche Voraussetzung für die Stereomikroskopie. Leider sind billige Ringlichter entweder nicht hell genug oder zu einfach aufgebaut. Industrielle Beleuchtungssysteme für Stereomikroskope (z.B. SCHOTT, oder ZEISS) sind dagegen lächerlich teuer. Also war es an mir, etwas Eigenes zu bauen.
Ringlichter, die als Lichtwellenleiter konstruiert sind, habe ich direkt ausgeschlossen. Zum einen wegen der Schwierigkeiten, ein solches System selbst zu bauen, zum anderen wegen der fehlenden Notwendigkeit. Lichtwellenleiter dieser Art stammen aus der Vor-LED-Ära mit Halogenlampen, die heiß werden und mehr Infrarotstrahlung als Licht im sichtbaren Bereich aussenden. Mit modernen LEDs kann ein Ringlicht kompakt, effizient und mit minimaler Wärmeabstrahlung gebaut werden. Wie bereits an anderer Stelle erwähnt, ziehe ich es vor, bei regelmäßigem Gebrauch eines Geräts im mittleren Leistungsbereich zu arbeiten. Auf diese Weise hat man noch eine Leistungsreserve nach oben. Dazu habe ich in der ersten Version einen Lichtstrom von 1000 lm als Minimum angenommen. Wegen der Einfachheit in Bezug auf Kühlung und Montage wollte ich 5 mm LED verwenden.
Design des Ringlichts
Ich habe das Ringlicht so konzipiert, dass es mit drei Schrauben einfach befestigt und eingestellt werden kann. Die Größe ist so klein wie möglich, ohne die Montage der LED zu sehr zu erschweren. Der Durchmesser ist so gewählt, dass die makroskopische Sicht auf das Objekt nicht verdeckt wird. Die 5-mm-LEDs sind in zwei Reihen angeordnet und in der Höhe leicht versetzt. Jede einzelne LED ist horizontal und vertikal in einem exakten Winkel zur Mitte des Sichtfeldes ausgerichtet. Der Ausrichtungswinkel ist für einen Arbeitsabstand (in der Brennebene) von 90 mm ausgelegt.
Um das Zusammenlöten zu vereinfachen, habe ich Kabeldurchführungen vorgesehen. Eine mitgelieferte Abdeckung verschließt das Ringlicht passend.
Montage und Elektronik
Die Suche nach einer sehr hellen 5 mm LED mit einem guten Preis-Leistungs-Verhältnis war nicht einfach. Eine gute Übersicht über 5-mm-LEDs der japanischen Firma Nichia finden Sie hier, und von Opto Supply hier. Der Lichtstrom setzt sich aus der Lichtleistung in Candela und dem Abstrahlwinkel der LED zusammen. Einen einfachen Rechner zur Umrechnung in Lumen finden Sie hier. Ich hatte die folgenden LEDs in die engere Wahl gezogen:
Name | Max. VF | IF | Lichtstrom | Spektrum |
---|---|---|---|---|
Nichia NSPW500GS-K1 (Datasheet) | 3.5 V | 20 mA | 2.37 lm (44 cd @ 15°) | |
Nichia NSDW510GS-K1 (Datasheet) | 3.7 V | 70 mA | 25.5 lm (27.5 cd @ 35°) | |
Opto Supply OS6MFL5A31A (Datasheet) | 3.6 V | 60 mA | 20 lm (93 cd @ 30°) | n/a |
Ich habe mich für die LED Opto Supply OS6MFL5A31A entschieden, weil sie sehr hell ist und nur 0,23 € kostet. Bei 54 eingebauten LEDs bedeutet das (bei Parallelschaltung) eine Spannung von 3,6 V, 3,24 A (11,66 W) und einen Lichtstrom von 1080 lm.
Als Spannungsquelle habe ich ein einfaches 5 V, 4 A (20 W) Steckernetzteil von Quad Power verwendet und die Betriebsspannung mit einem Abwärtswandler XL4015 mit Strombegrenzung geregelt. Die meisten Netzteile sind unzureichend stabilisiert oder der Innenwiderstand des Kabels ist aufgrund eines zu kleinen Kabelquerschnitts sehr hoch und die Spannung fällt unter Last schnell ab (Abb. 3). Achten Sie daher beim Kauf eines Netzteils darauf, dass es über eine ausreichende Leistungsreserve verfügt. Der Abwärtswandler XL4015 ist mit einem maximalen Strom von 5 A beschrieben. Das ist möglich, erfordert aber eine entsprechende Kühlung! Zum Dimmen der LEDs habe ich ein einfaches 5-A-PWM-Modul vor den Abwärtswandler geschaltet. Der Regelbereich liegt zwischen 1 und 100 % bei einer Frequenz von 10 kHz. Dies ermöglicht einen flackerfreien Betrieb. Ich habe die LEDs so verdrahtet, dass sie in vier Quadranten geschaltet werden können, jeder einzeln, aber alle zusammen gedimmt. Dies ermöglicht eine einseitige und schräge Beleuchtung der Probe, um den Kontrast durch gezielten Schattenwurf verbessern zu können.
The electronics for control and power supply are placed in a 3D printed box, which I created with the help of the OpenSCAD customizer „The Ultimate box maker“ of the Thingiverse user „Heartman„. I have adapted my version to the needs of the ringlight and also made it available as a remix for download at Thingiverse.
Die Elektronik für Steuerung und Stromversorgung ist in einer 3D-gedruckten Box untergebracht, die ich mit Hilfe des OpenSCAD Customizers „The Ultimate box maker“ des Thingiverse-Nutzers „Heartman“ erstellt habe. Ich habe meine Version an die Bedürfnisse des Ringlichts angepasst und sie auch als Remix zum Download auf Thingiverse zur Verfügung gestellt.
Ergebisse
Bei gleichen Kameraeinstellungen und Belichtungszeiten zeigt der direkte Vergleich mit dem alten Ringlicht eine deutliche Verbesserung in Bezug auf Helligkeit und Ausleuchtung (Abb. 4). Die warmweiße Farbtemperatur der LEDs ist nicht optimal, sollte aber bei der Nutzung nicht stören.
Der Aufbau funktionierte gut und problemlos. Es gibt kein Flackern während des Betriebs aufgrund der Pulsweitenmodulation und die Spannung und Stromversorgung scheinen angemessen gewählt zu sein. Das selektive Einschalten einzelner Quadranten führt zu einer deutlichen Kontrastverbesserung (Abb. 5). Durch die freie Wählbarkeit des Quadranten muss die Probe nicht gedreht werden.
Die Spektralanalyse (Abb. 6) zeigt einen deutlichen Peak bei 680 nm, der für die warmweiße Farbe der LED verantwortlich ist. Die Messdaten wurden mit meinem selbstgebauten Spektrometer aufgenommen (ich werde es in einem anderen Artikel vorstellen). Die Mittelung der relativen Intensität über das gesamte Messspektrum der beiden Ringlichter ergibt einen Wert von 242,19 für mein Gerät und 62,30 für das alte. Dies entspricht einem Faktor von 3,9.
Material