beleuchtung und lichtmessung – neuere entwicklung

Beleuchtung und Lichtmessung – neuere Entwicklung Dr. Peter Blattner

Licht ???

• es werde Licht • Licht der Welt erblicken • ihm geht ein Licht auf • jemanden hinters Licht führen • Licht in eine Sache bringen • er ist kein großes Licht • Wo Licht ist, ist auch Schatten • Licht am Ende des Tunnels

www.andreashurni.ch

27.11.2014 peter.blattner 2

Licht

Wikipedia Licht ist der für das Auge sichtbare Teil der elektromagnetischen Strahlung. Im elektromagnetischen Spektrum umfasst der Bereich des Lichts Wellenlängen von etwa 380 nm bis 780 nm.


Elektromagnetische Wellen

Sichtbares Licht

Höhere Frequenzen

Höhere Wellenlängen

Wellenlänge (in Nanometer)


http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f1/EM_spectrum.svg

Wieso braucht man so spezielle (photometrische) Einheiten?

(W) elektrischP

(W) optischPStrahlungsfluss


Photometrische Messgeräte

• Photometrie: phōs, phōtós griech: „Licht“ + metron griech: „Mass“

Licht = optische Strahlung wie es das menschliche Auge wahrnimmt

+


http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Gehirn,_medial_-_Lobi_deu.svg&filetimestamp=20070830155657

Spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auge

)(λV

- Die Hellempfindung ist bei 480 nm nur noch 15% zum Vergleich bei 555nm - Das Auge ist im UV und IR nicht empfindlich -> Photometerische Einheiten-> Lumen, Lux, Candela

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

380 430 480 530 580 630 680 730 780 Wellenlänge / nm

V( λ

)


Gesamtlichtmenge einer Lichtquelle: Lichtstrom

(W) elektrischP

-> Lichtstrom : lm 27.11.2014 peter.blattner 8

Lichtstrom, typische Werte

Beispiel für Lichtstrom: Glühlampen 230V / 40W 450 lm Glühlampe 230V / 60 W 800 lm Glühlampe 230 V/100 W 1380 lm Halogenglühmlampe 12 V/100 W 2550 lm Fluoreschenzlampe 230 V/36 W 3450 lm Halogen-Metalldampflampe 230 V/70 W 5500 lm Natriumhochdruck 230 V/100 W 10000 lm Natriumniederdruck 230 V/90 W 13500 lm

Projektor: ANSI lumen

Gemessen unter spezifischen Bedingungen

1 m2


Mass für die Energieeffizienz: Lichtausbeute

Wlm][, == v

e

vv P

Φ ηηLichtausbeute einer Strahlungsquelle: (efficacité lumineuse d‘une source)

Glühlampe: 10 lm/W bis 15 lm/W Halogenlampen: 15 lm/W bis 28 lm/W Kompaktleuchtstofflampen 40 lm/W bis 65 lm/W Leuchtstofflampe T5/HE: 90 bis 95 lm/W Natriumhochdruck: 80 lm/W bis 140 lm/W Natriumniederdruck: 120 lm/W 180 lm/W

LED ?


Aktuelle Prognosen: LED Leuchten

Source: DOE, 2013 (Energy Efficiency of LEDs), angepasst für Leuchten (-20% gegenüber Lampe)

Hersteller-Statement


Innenraum

Minergie® Anforderung Downlight


Strassenbeleuchtung


Retrofit

60 W Glühlampe /incandesence


Wieso ist die Glühlampe weniger effizient?

Praktisches Experiment

Das menschliche Auge sieht nichts

Die Kamera sieht die Lampe immer noch

- Scheinbar sendet die Lampe Strahlung aus welches die Kamera sieht, aber das Auge nicht.


Spektrum einer Glühlampe


Spektrum einer Glühlampe

Filter “


Spektrum einer LED Lampe

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

380 430 480 530 580 630 680 730 780

LED-bleu

LED-vert

LED-orange

LED-rouge


Spektrum einer Sparlampe

Wellenlänge/ nm


Vergleich Glühlampe zu LED

Strahlungsausbeute einer Strahlungsquelle (rendement énergetique d‘une source)

Glühlampe: LED weiss: 80% bis 90% 20% bis 40%

Photometrische Strahlungsäquivalent (efficacité lumineuse d‘un rayonnement)

Glühlampe: LED weiss: 12 bis 18 lm / W

Lichtausbeute einer Strahlungsquelle (efficacité lumineuse d‘une source)

Glühlampe: 10 bis 15 lm/W LED weiss: 50 bis 120 lm / W

250 bis 300 lm / W


Typische Bereiche

GLS HL MV

HL LV

CFLi HID LED

0.13

0.18

0.40

0.95

1.20

1.75

EEIgeb


Ecodesign: nach Stufe 1 u 2 1. September 2014 (Europa)

GLS HL MV

HL LV

CFLi HID LED

0.13

0.18

0.40

0.95

1.20

1.75

EEIgeb


Ecodesign: nach Stufe 3 1. September 2016 (Europa)

GLS HL MV

HL LV

CFLi HID LED

0.13

0.18

0.40

0.95

1.20

1.75

EEIgeb

Bemerkung: 2015 wird eine Überprüfung stattfinden ob Stufe 3 so wie festgelegt eingeführt werden kann, oder ob Anpassungen notwendig sind


Die 4 photometrischen Messgrössen

vE

vI

vL

vΦ

eP

Lichstrom (le flux)

Lichtstärke, (l‘intensité)

Beleuchtungsstärke (l‘éclairement)

Leuchtdichte, (la luminance)

Lumen, lm

Candela, cd

Lux, lx

cd/m2


Beleuchtungsstärke (l‘éclairement)

vE

A∂

vΦ∂

AΦE v

v ∂∂

=

Lichtstrom pro Fläche (flux par surface)

Einheit: lm/m2 = lx

BS einer Strasse

Luxmeter


Normen und Gesetze

Bürobeleuchtung 500 lx Strasse: 5-20 lx

Art. 67 der Tierschutzverordnung vom 23. April 2008

EN 12193 Sportstättenbeleuchtung EN 12464 Beleuchtung von Arbeitsstätten EN 13201 Strassenbeleuchtung ….

Schweizer Recht

1In Räumen für Hausgeflügel darf die Beleuchtungsstärke tagsüber 5 Lux nicht unterschreiten 3 Bei Auftreten von Kannibalismus darf die Beleuchtungsstärke vorübergehend unter 5 Lux gesenkt… Die Reduktion der Beleuchtungsstärke sind umgehend der kantonalen Behörde zu melden.


Vergleich zweier Luxmeter


Spektrale Empfindlichkeit von reellen Photometern

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

380 430 480 530 580 630 680 730 780Wellenlänge / nm

photom1photom2photom3photom4photom5photom6

-> Qualitätsparameter (CIE S023:2013): f1‘


Qualitätsparameter für die spektrale Anpassung: f1‘

f1‘ Klasse (DIN 5032-7)

Qualität Applications

<1.5% L Höchste Labormessungen, Referenzgerät für die Kalibrierung von Photometern (Bezugsnormal)

1.5% < f1‘< 3%

A Hoch Präzisionsmessung

3% < f1‘<6% B Mittlere Orientierungsmessung

6% < f1‘<9%

C Gering Relativmessungen

Ohne Angabe Nicht verwenden

(CIE S023:2013)

f1‘ ist nicht der Fehler oder die Messunsicherhet sondern nur ein Qualitätsindikator


RGB-weisse LEDs

Fehl

er

Qualitätsparameter für die spektrale Anpassung : f1‘


Fehler auf Grund einer schlechten V(λ) Anpassung: farbige LEDs

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

0% 1% 2% 3% 4% 5% 6% 7% 8% 9% 10%

LED 464.9 nm (NSPB5101)LED 466.0 nm (NSPB310A)LED 470.1 nm (NSPB320B)LED 474.1 nm (NSPB546B)LED 476.4 nm (HPCB30)LED 481.2 nm (BL980601)LED 490.2 nm (NSPE800)LED 495.1 nm (NSPE5102)LED 504.7 nm (NSPE590)LED 509.3 nm (NSPE515)LED 519.5 nm (HPCM15)LED 531.5 nm (NSPG633B)LED 537.7 nm (NSPG346B)LED 558.5 nm (HPC615)LED 567.9 nm (HP3962)LED 589.0 nm (HPBL08)LED 607.5 nm (HPD401)LED 620.7 nm (NSPR346B)LED 632.8 nm (RD980601)LED 642.8 nm (HPC116)

Fehl

er

Die Messwerte müssen korrigiert werden!! Qualitätsparameter für die spektrale Anpassung : f1‘


LED-Messtechnik: Spektrale Messgrössen werden wichtiger

32

Spektroradiometer

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

380 430 480 530 580 630 680 730 780

LED-bleuLED-vertLED-orangeLED-rougeLED-blanche x,y, Tcp, Ri, Ra,∆uv

BLH, cricadien, UV,…

Ähnlichste Farbtemperatur (Tcp, CCT)

33

2‘700 K

3‘000 K

4‘000 K

5‘000 K

6‘000 K

6‘500 K

Warmweiss

Neutralweiss

Tageslichtweiss

Die Angabe einer Farbtemperatur reicht nicht -Abweichung zur Planckkurve: DUV, ∆u‘v‘ (mit Vorzeichen!)

LED Photometrie - Dr.

Peter Blatt

ner – Züric

h - 26

Januar

2012

LED Photometrie: Ein paar Hinweise

34

5700K

6300K

6000K

METAS 2700K

3300K

3000K

Stabilisationszeit (bevor die Messung gestartet wird)

prEN 13032-4: Letzten 15 Minuten Änderung kleiner 0.5% (Max zu Min).

u.U. richtungsabhängige Farbkoordinaten

84%

86%

88%

90%

92%

94%

96%

98%

100%

0 15 30 45 60 75 90 105 120

sign

al p

hoto

mét

rique

t / min

prEN 13032-4: - Entlang einer deklarierten Richtung - Als Verteilung (Goniokolorimeter) - Als Mittelwert (Ulbricht Kugel oder Integratio

LED Photometrie - Dr.

Peter Blatt

ner – Züric

h - 26

Januar

2012

LED Photometrie: Ein paar Hinweise (2)

35

Elektrische Messgrössen

prEN 13032-4: Leistungsmessung: mind 200 kHz Bandbreite NB gewisse LEDs haben Strukturen bis >20MHz

Ein paar metrologische Worte


Kalibrierung: Vergleich mit Referenzluxmeter

Kalibrierzertifikat

Überprüfen Sie die Kalibrierbedingungen

Benützen Sie die Resultate

Woher kennen die Kalibrierlabors den «richtigen» Wert der Messgrösse?

Referenzlampe

Antwort: Das Kalibrierlabor nimmt eine Referenzlampe

Frage: Woher kennt die Referenzlampe ihren wahren Wert???


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Spermöl-Kerzen -> Candlepower

Als ein Candlepower wurde ursprünglich in England die Intensität einer Walrat-Kerze definiert (1860), die in einer Stunde 7,77 g Walrat verbraucht.

, die im Kopf von Pottwalen (Physeter macrocephalus) enthalten ist. Der Pottwal kann durch Erwärmung und Abkühlung des Walrats sein spezifisches Gewicht verändern, um so ohne große Kraftanstrengung in große Tiefen tauchen bzw. wieder auftauchen zu können

Walrat (Cetaceum), auch als Spermaceti (-> Spermöl) bezeichnet, ist eine weiße bis leicht gelbliche, bei Zimmertemperatur feste wachsähnliche Substanz

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Flag_of_the_United_Kingdom.svg&filetimestamp=20080908144614

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Aktuelle Definition der Candela Die Candela (cd) ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle die monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt pro Steradiant beträgt. La candela(cd) est l'intensité lumineuse, dans une direction donnée, d'une source qui émet un rayonnement monochromatique de fréquence 540 x 1012 hertz et dont l'intensité énergétique dans cette direction est 1/683 watt par stéradian. La candela (cd) è l'intensità luminosa, in una determinata direzione, di una sorgente che emette una radiazione monocromatica di frequenza 540·1012 hertz e la cui intensità energetica in tale direzione è di 1/683 watt per steradiante.

[email protected]

Aktuelle Definition der Candela

Die Candela (cd) ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Strahlungsquelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hertz aussendet und deren Strahlstärke in dieser Richtung 1/683 Watt pro Steradiant beträgt.

ν = 540 THz

Wie realisieren?

“principles régissant la photométrie “, Monographie, BIPM 1983 http://www.bipm.org/utils/en/pdf/Monographie1983-1.pdf

Die Photometrie arbeitet nicht mit monochromatischem Licht

Ie = 1/683 W/sr

http://www.bipm.org/utils/en/pdf/Monographie1983-1.pdf

Primärrealisierung am METAS Vom kryogenisches Radiometer zur Candela

LN2-Tank

LHe-Tank

~10K shield Brewster window

Vaccum chamber

~90K shield

temperature: 4 K = -269°C volume: 2.8 l hold time: 80h

temperature: 77 K = -196°C volume: 2.5 l hold time: 20h

Heat sink

cavity

<1e-8 torr

Heat link

Kryogenisches Radiometer (Wel -> Wopt)

(lx -> cd)

Set von Standardlampen

Si-Trap Detektor (EAM 4)

0.9

0.95

1

1.05

1.1

250 350 450 550 650 750 850 950

Wellenlänge / nm

Qua

nten

wir

kung

sgra

d

Si-Trap Empfänger (Radiometer

spektraler Hellemfindlichkeitsgrad

0.0

0.10.2

0.3

0.40.50.6

0.7

0.80.9

1.0

380 430 480 530 580 630 680 730 780

Wellenlänge / nm

V (λ)

(Wopt -> lx)

Si-trap-Empfänger + V(λ) + Blende


Falls Sie sich noch mehr für‘s Licht interessieren:

http://www.slg.ch 27.11.2014 peter.blattner 43

http://www.slg.ch/

l'embarras de choix


beleuchtung und lichtmessung – neuere entwicklung

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