Blut, Schweiß und Tränen: Die Innovation hinter den Multi-Wellenlängen-LED-Packages von Ushio

Der Unternehmensbereich Epitex von Ushio ist zu einem der größten und vielseitigsten Anbieter von Leuchtdioden auf dem Markt herangewachsen. Mit einem Spektrum von 365 bis 1750 nm, das alle violetten, sichtbaren und infraroten (IR) Wellenlängen abdeckt, stellt seine enorm umfangreiche Produktpalette einen One-Stop-Shop für Einzel- und Multi-Wellenlängen-LEDs dar. Höchste Qualität und ein Höchstmaß an Flexibilität bei der Erarbeitung passgenauer Lösungen für die spezifischen Anwendungsbedürfnisse seiner Kunden stehen für Ushio seit jeher im Mittelpunkt. Ganz gleich, ob Sie einen einzelnen Hochleistungschip oder bis zu drei Chips benötigen, die jeweils eine andere Wellenlänge emittieren – Ushio findet mit Sicherheit immer die richtige Kombination, mit der Sie Ihre Ziele erreichen.

Die standardmäßigen Multi-Chip-Produkte der Epitex-Familie lassen sich unterteilen in SMT-Packages und vergossene LEDs. Da diese LEDs in der Lage sind, gleichzeitig zwei oder drei unterschiedliche Lichtwellenlängen zu emittieren, eignen sie sich perfekt für Anwendungen mit geringem Stromverbrauch, wie z. B. Vitaldatensensoren und andere medizinische Instrumente. Vergossene LEDs sind zwar gewissermaßen der Archetyp für Anwendungen, bei denen es auf einen engwinkligen Lichtaustritt ankommt, allerdings zeichnen sie sich auch durch eine relativ große Bauhöhe aus. Wenn nur wenig Raum zur Verfügung steht, sind SMT-LEDs der bevorzugte Standard, da sie durch ihre kürzere Bauform deutlich weniger Platz beanspruchen.

Wenn Anwendungen eine höhere Mehrfarben-Ausgangsleistung erfordern, wie z. B. bei der automatischen Nummernschilderkennung (ANPR), entwirft und fertigt Ushio kundenspezifische Multi-Chip-SMBB-Packages und EDC-LEDs mit geringerem Platzbedarf. Zusätzlich können Fotodioden in die kundenspezifischen Packages integriert werden, um neben der Lichtemission auch sensorische Messungen und Analysen zu ermöglichen. Weitere anpassbare Parameter sind die Gehäuseform sowie Typ und Anzahl der lichtemittierenden Chips

Warum sollten Sie für Ihre Anwendung eine Ushio Epitex Multi-Chip-LED wählen?

• Emission von bis zu drei verschiedenen Wellenlängen aus einem einzigen Package
• Geringerer Platzbedarf als mehrere Einzel-Chip-LEDs in separaten Packages
• Unabhängig angesteuerte Chips ermöglichen flexible Beleuchtungsmuster
• Optional erweiterbar um zusätzliche Wellenlängen und Fotodioden für Anwendungen, die komplexe Messungen und Analysen erfordern

Einsatz der Multi-Chip-LEDs von Ushio in Pulsoximetern und Herzfrequenzmessgeräten

Zur Messung der Blutsauerstoffsättigung wird bei der Oximetrie üblicherweise die Lichtabsorption des arteriellen Blutes bei Einwirkung bestimmter Wellenlängen, typischerweise 660 nm (sichtbares Rotlicht) und 940 nm (IR), überwacht. Das eisenhaltige Protein, das für die Verteilung des Sauerstoffs im menschlichen Körper über die roten Blutkörperchen verantwortlich ist, das Hämoglobin, zeigt deutlich unterschiedliche Eigenschaften, je nachdem, ob es vollständig oxygeniert ist (Oxyhämoglobin – HbO₂) oder ob der Sauerstoffgehalt drastisch reduziert ist (Desoxyhämoglobin – Hb). Diese Zustandsänderungen wirken sich direkt auf die Menge des vom Blut absorbierten Lichts aus, so dass Fachleute beurteilen können, ob der Grad der Oxygenierung Anlass zur Sorge gibt oder nicht. Um genau zu sein, absorbiert Oxyhämoglobin einen größeren Anteil der IR-Wellenlänge, während es einen größeren Anteil des sichtbaren roten Lichts reflektiert als das desoxygenierte Hämoglobin, und umgekehrt.

Typischerweise sind die 660-nm- und 940-nm-Emitter zusammen mit einer einzelnen Fotodiode im Package untergebracht und werden abwechselnd aktiviert. Zur Verdeutlichung der Absorptionsunterschiede können die Entwickler ein flexibles Beleuchtungsmuster entwerfen, bei dem jeder Emitter für eine unterschiedliche Zeitspanne aktiv ist. Das bedeutet, dass der Endanwender ein LED-Package erhält, das perfekt auf seine individuellen Bedürfnisse abgestimmt ist. Bei Herzfrequenzmessgeräten werden beispielsweise grüne Wellenlängen von ca. 525 nm bevorzugt, da die Lichtabsorption des Hämoglobins bei dieser Wellenlänge am höchsten ist. Darüber hinaus ermöglichen Multi-Chip-LED-Packages auch eine erhebliche Verkleinerung der tragbaren sensorischen Geräte, dank einer geringeren Anzahl von LED-Packages, einer kleineren Grundfläche und des oben beschriebenen flexiblen Beleuchtungsmusters.

Unterstützung für medizinisches Fachpersonal und für OEMs präziser Probenanalysegeräte

Probenuntersuchungen, wie z. B. die routinemäßige qualitative Untersuchung von Blut und Urin, spielen eine wichtige Rolle bei der Analyse des Probeninhalts, und ein entscheidendes Element dabei ist ein Verfahren namens Fluoreszenzspektroskopie. Diese Art der Analyse ermöglicht es Medizinern, die Mengen verschiedener Verbindungen in der Probe zu bestimmen. Das Grundprinzip der Fluoreszenzspektroskopie ist das Einwirken von elektromagnetischer Strahlung auf eine Lösung, mit dem Ziel, die Elektronen innerhalb bestimmter vorhandener Verbindungen anzuregen. Dieser Energietransfer bewirkt dann, dass die Elektronen selbst Licht emittieren. Diese neuartige Technik ist nicht-invasiv und hat sich einen guten Ruf als schnelles Verfahren für die Diagnose bestimmter Krebsarten erworben.

Traditionell war die Fluoreszenzmessung ein Gebiet, das von Halogen-Metalldampf- oder Quecksilberlampen, Xenonlampen und Lasern beherrscht wurde; die Dominanz dieser Lichtquellen, insbesondere im Bereich der Fluoreszenzmikroskopie, wird jedoch heute durch die winzige Grundfläche von Hochleistungs-Multi-Chip-LEDs infrage gestellt. LED-Lichtquellen zeichnen sich durch eine sehr lange Lebensdauer und einen äußerst geringen Platzbedarf aus, insbesondere im Vergleich zu Quecksilber- oder Xenonlampen. Ihre Hauptvorteile liegen allerdings in der minimalen Wärmeentwicklung, der nahezu monochromatischen Wellenlängenemission und der vollständigen Vermeidung von Ozonbildung. Diese Faktoren werden vor allem von den Originalherstellern (OEMs) medizinischer Geräte geschätzt.

Um möglichst viele Informationen aus der Probe zu gewinnen, werden bei der Analyse mehrere Reagenzien verwendet, mit denen sich die An- oder Abwesenheit bestimmter Stoffe nachweisen lässt. Da jedes Reagenz mit einer anderen Wellenlänge des Lichts interagiert, benötigt man eine LED mit mehreren Fluoreszenz-Anregungswellenlängen. Die am häufigsten benötigten Anregungswellenlängen sind 405 nm, 525 nm und 640 nm.

Eine besondere Anwendung für diesen LED-Typ in der Medizin hat 2020 große Bekanntheit erlangt: der Polymerase-Kettenreaktion-Test (PCR-Test). Wenngleich es mehrere Methoden zum Nachweis des neuartigen Coronavirus SARS-CoV-2 gibt, ist der PCR-Test die am weitesten verbreitete, da er als das zuverlässigste Verfahren gilt. Bei diesem Verfahren wird ein kleiner Teil des Coronavirus entnommen und wiederholt vervielfältigt, in der Hoffnung, das gleiche genetische Material auch in einer vorliegenden Probe nachweisen zu können. PCR-Tests sind extrem empfindlich, so dass das Virus auch dann in der Probe nachgewiesen werden kann, wenn die Person noch keine große Menge des Virus in sich trägt. Dies bedeutet jedoch nicht, dass sich das Virus sofort nachweisen lässt, da zum Zeitpunkt des Tests genügend Virus in Nase und Rachen vorhanden sein muss. Man geht davon aus, dass der PCR-Test etwa ein bis zwei Tage vor dem Auftreten der ersten Symptome von COVID-19 positiv anschlägt.

Gut sortiert: Ushios LEDs dringen in den kurzwelligen Infrarotbereich vor

Eine weitere Anwendung, für die sich die Epitex-LEDs von Ushio besonders anbieten, ist die Messung des Wasser- und Zuckergehalts in industriell verarbeiteten Lebensmitteln, Obst und Gemüse. In den letzten Jahren hat sich hier der Einsatz von SWIR-LEDs und SWIR-Kameras immer weiter durchgesetzt, die mit kurzwelligem Infrarot (short-wavelength infrared) arbeiten. Wie bei der Messung der Blutsauerstoffsättigung werden auch hier verschiedene Wellenlängen, die von den nachzuweisenden Stoffen entweder absorbiert oder reflektiert werden, in einem einzigen LED-Package untergebracht. Wasser weist eine hohe Absorptionsrate im Wellenlängenbereich um 1450 nm auf, während Zucker mehr Licht im Bereich von 1500 nm bis 1650 nm absorbiert. Multi-Chip-LEDs bieten die genaueste Beleuchtung für präzise Messungen auf diesem Anwendungsgebiet.

Jedes Material, ob organisch oder künstlich hergestellt, hat seine eigene molekulare und chemische Zusammensetzung. Verschiedene Strukturen reflektieren oder absorbieren SWIR-Strahlen in unterschiedlichem Maße, so dass wir Maschinen beibringen können, Gegenstände zu identifizieren und entsprechend zu sortieren. Viele organische Materialien absorbieren den größten Teil der Strahlung im Wellenlängenbereich von 1000 bis 1750 nm. Werden mehr Strahlen absorbiert, was aufgrund des hohen Feuchtigkeitsgehalts zum Beispiel bei Obst oder Gemüse der Fall ist, erscheint bei der Aufnahme mit einem SWIR-Bildgerät ein dunkleres Bild. Im Gegensatz dazu erscheinen Materialien oder Substanzen, die mehr Strahlen reflektieren, heller. Diese Art der Spektroskopie kann zum Nachweis und zur Messung des Wassergehalts verwendet werden, um Früchte von Fremdkörpern in der Produktionslinie zu trennen oder um zwischen den verschiedenen Polymeren zu unterscheiden, die in einer Kunststoff-Recyclinganlage anfallen.

Sobald der erwartete Absorptionsgrad bei 1050 nm gemessen und in die Sortiersoftware eingegeben wurde, kann die Maschine angewiesen werden, alles zu akzeptieren oder abzulehnen, was das Sichtfeld der Maschine durchläuft und den entsprechenden Absorptionsgrad aufweist. Dies kann auch in der Produktqualitätskontrolle zur Erkennung von Artikeln verwendet werden, die zwar aus dem richtigen Material bestehen, jedoch vor dem Sortierprozess beschädigt wurden. Ein gängiges Beispiel für dieses Verfahren ist die Obstsortierung vor der Verarbeitung oder Verpackung. So hat ein Apfel möglicherweise eine Druckstelle unter der Schale, die mit bloßem Auge nicht zu sehen ist. Der SWIR-Sensor erkennt diesen Fehler jedoch und löst die Ausschleusung des Apfels aus der Produktionslinie aus, ohne dass menschliches Eingreifen erforderlich wäre.

Diese Fähigkeit zur Feuchtigkeitserkennung ermöglicht es sogar, den Reifegrad verschiedener Früchte noch auf dem Förderband zu messen und zu beurteilen. Ushios rekordbrechende 700-mW-LED SMBB1050GD zeichnet sich für diese Anwendung besonders aus.

Während sich die Wellenlänge von 1050 nm ideal für die Sortierung von Lebensmitteln anhand ihres Feuchtigkeitsgehalts eignet, bietet Ushio ein breites Sortiment an LEDs für SWIR-Anwendungen an, das den gesamten Wellenlängenbereich von 1000 bis 1700 nm abdeckt. Für Anwendungen außerhalb des Infrarotbereichs enthält das Epitex-Sortiment auch LEDs, die das sichtbare und das violette Spektrum bis hinunter zu einer Wellenlänge von 365 nm abdecken. Die vollständigen Spezifikationen jeder Diode finden Sie in unserer Online-LED-Bibliothek.

8 Chips in 1 Package: Das Ergebnis eines stetigen Strebens nach Innovation in der SSL-Technik

Ushios Entwicklungsingenieure im Geschäftsbereich Festkörperbeleuchtung (Solid State Lighting, SSL) in Kyoto geben sich nicht damit zufrieden, sich zurückzulehnen und sich im Glanz ihrer bisherigen Erfolge zu sonnen. Hinter den Errungenschaften der SSL-Sparte von Ushio steht ein Team engagierter Fachleute, die stets danach streben, ihre früheren Erfolge zu übertreffen. Ein Beispiel dafür ist ein neuartiges, anpassbares LED-Package, das sich derzeit noch in der Entwicklung befindet und bis zu acht verschiedene Chips in einem einzigen Package vereinen soll.

Diese bahnbrechende Entwicklung könnte das Design von Sensoren und Analysegeräten revolutionieren, da auf engstem Raum Fotoemitter- und Fotodetektor-Chips für bis zu acht verschiedene Wellenlängen zur Verfügung stünden. Das 2,9 mm mal 2,2 mm große Package wird unabhängig angesteuerte Chips enthalten und soll in Vitaldaten- und Spektralsensoren integriert werden sowie in Anwendungen zur Farbsortierung und Qualitätskontrolle zum Einsatz kommen.

Die Besten der Besten unter einem Dach: Die Wachstumsgeschichte der SSL-Sparte von Ushio

Im Zuge der anhaltenden Expansion auf dem SSL-Sektor hat sich Ushios Sortiment an LEDs und Laserdioden schnell als eines der größten und vielseitigsten auf dem Markt etabliert. Das Jahr 2020 markiert einen besonders wichtigen Meilenstein, da über vierzig Jahre Innovation auf dem Gebiet der optischen Halbleiter endlich unter einem Dach zusammenfinden. Ushios unermüdliche Innovationskraft und sein sicheres Gespür für Talente haben zur Übernahme verschiedener Unternehmen der Festkörpertechnologie und deren anschließender Integration in die bestehenden Engineering-Abteilungen geführt.
Mit der Eingliederung der ehemaligen Geschäftsbereiche für optoelektronische Geräte von so namhaften Unternehmen wie beispielsweise Hitachi hat Ushio nun den krönenden Abschluss erreicht. Im letzten Schritt fusioniert Ushio Opto Semiconductors, Inc. mit Ushio, Inc. und schließt sich mit der zuvor integrierten Ushio Epitex, Inc. und der bestehenden LED-Entwicklungsabteilung von Ushio zusammen. Daraus ist einer der technologisch fortschrittlichsten

Unternehmensbereiche der gesamten Branche entstanden, in dem der große Erfahrungsschatz der vereinten Abteilungen allen Beteiligten ohne Einschränkungen zugänglich ist. In der sich ständig weiterentwickelnden Welt der optischen Halbleiter ist Ushio mit dieser neuen Struktur in der Lage, schnell und präzise auf die unterschiedlichen Bedürfnisse seiner Kunden zu reagieren und den Ausbau seines Geschäftsbereichs Festkörperbeleuchtung zu beschleunigen.

Weitere Informationen zu Ushios jüngsten Erfolgen im Bereich Festkörperbeleuchtung (SSL)

• SWIR-LEDs der Epitex D-Serie: Hohe Leistung, maximale Effizienz (Juli 2020)
• Ushio präsentiert neue 670-nm-Single-Mode-Rotlicht-Laserdioden (Juli 2020)
• Ushio bringt neue 405-nm-Violett-Laserdioden mit 600 mW auf den Markt(September 2020)
• Epitex SMBB- und EDC-LEDs: Einzigartige Vielseitigkeit auf engstem Raum (September 2020)
• Einfache automatische Nummernschilderkennung (ANPR) mit Ushio (September 2020)
• Neue leistungsstarke 638-nm-Rotlicht-Laserdiode: Ushio reagiert auf steigende Nachfrage (Oktober 2020)
• Ushio stellt mit 700-mW-Chip neuen Ausgangsleistungsrekord für 1050-nm-SWIR-LEDs auf (Oktober 2020) 
• Neue 404-nm-Laserdiode von Ushio mit Dauerstrichleistung von 400 mW ab Dezember (November 2020)