Infrarotlicht sichtbar machen:

Die IR-Indikatorkarten der IRI-Serie

Mit den Typen IRI 1100, 1400 und 4400 wurde eine neue Infrarot-Indikatorkarten-Serie im Scheckkartenformat herausgebracht, die sich gegenüber der Vorgängergeneration sowohl durch teilweise erheblich verbesserte Eigenschaften als auch durch zusätzliche Funktionen auszeichnet. IR-Indikatorkarten sind für industrielle und wissenschaftliche Untersuchungen bereits seit vielen Jahren im Einsatz; entsprechend hoch ist ihr Preis. Durch Beschränkung der aktiven Fläche auf das für die meisten Anwendungen ausreichende Maß konnte ein um mindestens eine Größenordnung reduzierter Preis erreicht werden, der IR-Indikatoren nun sogar für Hobbyanwender erschwinglich macht.

Warum Infrarot-Indikatoren?

Moderne technische Informationsübertragungs- und Speichersysteme sind ohne Infrarotlicht kaum noch denkbar. So haben Infrarot-Fernbedienungen für Fernsehgeräte, Stereoanlagen, Videorecorder, ja sogar Workstations, um nur einige Beispiele aufzuzählen, andere Arten der Steuerung (Kabel, Ultraschall, Funk) fast vollständig ersetzt. Die modernste Form der Nachrichtenübertragung stellen zweifellos die Glasfaserverbindungen dar. Hier ist vorzugsweise IR- Licht der Informationsträger, da für bestimmte IR-Wellenlängen die Absorptionsverluste der Glasfaser minimal sind. Schließlich seien noch die CD-Spieler erwähnt, die in der Unterhaltungselektronik den Siegeszug der IR- Halbleiterlaser auslösten.

Möglich wurde dies alles durch Fortschritte in der Halbleitertechnik, die geeignete kostengünstige IR-Emitter in großer Auswahl als Leuchtdioden (LED) und Laserdioden zur Verfügung stellt. Leider ist IR-Licht für das menschliche Auge unsichtbar. (Normales Sehen ist auf den Wellenlängenbereich von ca. 380 nm (violett) bis etwa 780 nm (dunkelrot) beschränkt.) Anders als UV-Licht, das mit Wellenlängen unterhalb von 380 nm viele natürliche und künstliche Stoffe zur sichtbaren Fluoreszenz anregt, ist IR-Licht (Wellenlängen oberhalb von 780 nm) nicht so einfach nachzuweisen. "Schuld" daran ist die Stokes-Regel, die besagt, dass bei der Fluoreszenz die Wellenlänge des erzeugten (emittierten) Lichts immer größer ist als die des anregenden. Für IR-Licht bedeutet dies: Einmal IR - immer IR.

Trotzdem sind heute eine Reihe von kompliziert herzustellenden kristallinen Leuchtstoffen bekannt, die es erlauben, IR-Licht ohne den Umweg über die Elektronik direkt sichtbar zu machen. Bei den IR-Indikator-Karten der IRI-Reihe kommen zwei Funktionstypen zur Anwendung: aufladbare und konvertierende Indikatorleuchtstoffe.

- Aufladbare IR-Indikatoren benutzen einen Leuchtstoff, der unter Einhaltung der Stokes-Regel normalerweise sichtbar fluoresziert, wenn er mit blauem oder ultraviolettem Licht angeregt wird. Nach der Anregung hält das Leuchten noch eine Zeitlang an. Dieser Effekt wird Phosphoreszenz genannt. Durch eine spezielle zusätzliche Kristalldotierung wird die spontane Emission der Phosphoreszenz jedoch weitgehend unterdrückt, die anregende Energie bleibt gespeichert (geladen). Erst IR-Licht setzt die gespeicherte Energie unter Umgehung der Stokes-Regel wieder frei. Man spricht deshalb von stimulierter Emission. Ist die gespeicherte Energie aufgebraucht, muss die Karte nachgeladen werden. (Im Vergleich zu normalen Akkus ist die Zahl der Ladezyklen zum Glück nicht begrenzt.) Zur Gruppe der aufladbaren IR-Indikatoren zählen die Typen IRI 1100 und IRI 1400.

- Konvertierende IR-Indikatoren können kontinuierlich IR-Licht in sichtbares Licht umwandeln. Hierbei kommen Leuchtstoffe zum Einsatz, die die Stokes-Regel durch Mehrphotonenprozesse umgehen. Solche Leuchtstoffe sind um 1970 herum entwickelt worden, um grüne und blaue Leuchtdioden herstellen zu können. (Aus Kostengründen und wegen der schnellen Fortschritte bei der Entwicklung der direktstrahlenden LEDs kam dieses Prinzip allerdings nie zum Einsatz.) Aufgrund der quadratischen Abhängigkeit der Emission von der Intensität des eingestrahlten IR-Lichts (bei Zweiphotonenprozessen) und wegen der nicht erforderlichen Nachladung ist dieses Funktionsprinzip besonders vorteilhaft bei höheren Strahlungsleistungsdichten. Die IR-Indikatorkarte IRI 4400 arbeitet nach diesem Prinzip.

Wie sind die neuen Infrarot-Indikatoren aufgebaut?

Die Karten der IRI-Serie sind im wesentlichen wie eine Telefonkarte aufgebaut; das bewährte Scheckkartenformat der Vorgänger-Generation (Beispiel IR-A2) wurde also beibehalten. An die Stelle des Telefonmoduls tritt ein Kunststoffchip, der den Leuchtstoff enthält. Der Chip ist quadratisch und hat eine Fläche von 1 cm². Damit ist die aktive Fläche zwar kleiner als die der Vorgängerserie, aber immer noch groß genug, um den weitaus größten Teil der Anwendungen abzudecken. Da die Fläche des Leuchtchips im wesentlichen den Preis bestimmt, ist es auf diese Weise möglich geworden, IR-Indikatoren mit sehr viel teureren Leuchtstoffen (Beispiele: IRI 1100 und IRI 4400) für den Normalanwender erschwinglich zu machen. Der einbettende Kunststoff hat die Aufgabe, den Leuchtstoff gegen Umwelteinflüsse zu schützen und so eine lange Lebensdauer zu garantieren. Im Unterschied zum Telefonmodul sitzt der Leuchtchip in einem kreisrunden transparenten Fenster, so dass eine weitere wesentliche Eigenschaft der Vorgängergeneration erhalten bleibt: die Möglichkeit des transmissiven Betriebs. In der Regel ist es ja doch praktischer, den IR-Indikator zwischen IR-Quelle und Auge zu halten, als das Infrarotlicht im Auflichtverfahren nachzuweisen. (Letzteres ist mit der vorliegenden Karte natürlich auch möglich.) Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, den aktiven Bereich nicht mehr zentral, sondern im Eckbereich der Karte zu plazieren. Auf diese Weise sind jetzt auch unzugängliche Stellen erreichbar.

Welcher Indikatortyp für welche Anwendung?

Die IRI 1100 leuchtet nach Aufladung in sichtbarem Licht bei IR-Bestrahlung deutlich sichtbar orange auf. Aufgrund der ultrakurzen Ansprechzeit im Nanosekundenbereich, der hohen Empfindlichkeit im Bereich um 1000 nm und der hohen Speicherfähigkeit ist die IRI 1100 ideal für die Überprüfung von Fernbedienungen geeignet. IR-Fernbedienungen benutzen meist 950 nm- Leuchtdioden, die im Pulsbetrieb (Hochfrequenz mit einer sichtbaren niederfrequenten Komponente) arbeiten. Eine Abdunklung des Raums ist nicht erforderlich, es sei denn, man möchte kleinste IR-Intensitäten nachweisen. Der Arbeitsbereich liegt bei ca. 780 nm bis über 1300 nm.

Die IRI 1400 ist wie die IRI 1100 aufladbar, leuchtet jedoch bei IR-Bestrahlung grün auf. Besondere Eigenschaft ist die sehr hohe Empfindlichkeit für niedrige IR-Intensitäten im Wellenlängenbereich um ca. 780 nm, wobei allerdings eine Betrachtung im Dunkeln erforderlich ist. (Natürlich sind auch höhere Intensitäten nachweisbar, jedoch muss dann bereits nach kurzer Zeit wieder nachgeladen werden.) Oberhalb von 900 nm, also im Bereich der üblichen IR- Fernbedienungen, fällt die Empfindlichkeit ab, um im Bereich um 1300 nm nochmals etwas anzusteigen. Nutzbar ist die IRI 1400 von ca. 650 nm (rot) bis ca. 1500 nm. Beispiele sind 880 nm-IR-LEDs oder das Fernfeld von 780 nm- Laserdioden für CD-Spieler. Weitere Anwendungen sind Leucht- und Laserdioden für Lichtwellenleiter. Wegen der grünen Emission eignet sich diese Karte besonders bei Benutzung mit Laserschutzbrillen, die den roten Teil des Spektrums mit herausfiltern, bei Grün jedoch durchlässig sind. Da das dunkeladaptierte menschliche Auge für Grün besonders empfindlich ist, lässt sich die IRI 1400 bei völliger Abdunklung für den Nachweis sehr niedriger IR- Intensitäten einsetzen.

Eine echte Neuheit, die in dieser Form bisher nicht erhältlich war, stellt der konvertierende IR-Indikator IRI 4400 dar. Diese Karte muss nicht auf- und damit auch nicht nachgeladen werden, sondern wandelt IR-Licht kontinuierlich in sichtbares Grün um. Damit lässt sich problemlos der obere IR-Leistungsbereich abdecken, vorausgesetzt, die Strahlung erhitzt die Karte nicht zu sehr (der Leuchtchip verträgt zwar kurzfristig über 200 °C, das Kartenmaterial selbst ist aber nur für ca. 50 °C gut). Das Empfindlichkeitsmaximum liegt bei 970 nm. Der nutzbare Bereich umfasst je nach Intensität ca. 830 nm bis ca. 1100 nm. Anwendungsbeispiele sind die bei 950 nm strahlende IR-LED LD 242 von Siemens direkt an der Gehäuseoberkante oder fokussiertes 830 nm-Laserlicht (30 mW). Fernbedienungen mit 950 nm-LED sind mit der IRI 4400 ebenfalls testbar, jedoch erfordert dies wegen der relativ niedrigen Strahlungsdichte in der Regel eine Abdunklung der Umgebung. Sogar der fokussierter IR-Anteil des Sonnenlichts ist problemlos nachweisbar. In diesem Fall ist die grüne Emission sogar ohne Abdunklung leicht zu sehen. Wie die IRI 1400 eignet sich auch die IRI 4400 besonders gut für die Benutzung zusammen mit IR-Laserschutzbrillen.

Vergleicht man alle drei Kartentypen miteinander, so ist festzustellen, dass die IRI 1100 am besten für den Nachweis mittlerer IR-Intensitäten (Fernbedienungen) bei wenig abgeschirmtem Umgebungslicht geeignet ist. Für niedrige IR- Intensitäten bei Betrachtung im Dunkeln empfiehlt sich die IRI 1400, die bei Wellenlängen unter 900 nm die grösste Empfindlichkeit von allen Kartentypen aufweist, während die IRI 1100 im Bereich um 1000 nm der Spitzenreiter ist. Im Vergleich zur IRI 1400 zeichnet sich die IRI 1100 außerdem durch besonders niedriges "Selbstentladungs"-Leuchten aus. Will man leistungsstarke IR-LEDs ohne ständiges Nachladen beobachten, ist die IRI 4400 unumgänglich. Wie man sieht, ergänzen sich die spezifischen Stärken der Karten so, dass man mit dem kompletten Kartensatz für die meisten Anwendungsfälle gut gerüstet ist.

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