AllgemeinephysikalischeBetrachtungvonLichtunddessenWirkung

HerbertStöriIns>tutfürAngewandtePhysik

TUWien

Überblick

•  Physik– NaturdesLichts– Entstehung– Wirkung

•  Technik– Lichtquellen

•  Mensch– WahrnehmungvonHelligkeitundFarbe– Gefahren

Störi-Licht 2

Physik:Elektromagne>scheWelle

Wellenlänge

Störi-Licht 3

Quelle:hRps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Onde_electromagne>que.svg

Physik:Elektromagne>schesSpektrum

DieWellenlängedessichtbarenLichtsliegtknappunter1/1000mm

Störi-Licht 4

QuellehRps://de.wikipedia.org/wiki/Elektromagne>sches_Spektrum#/media/File:Electromagne>c_spectrum_c.svg

Physik:Photon,SchwarzerKörper

•  Photon–  Elektromagne>scheWellenkommeninkleinenPaketen,genanntPhotonen

–  DieEnergieeinesPhotonsistumgekehrtpropor>onalzurWellenlänge•  KurzeWellen->EnergiereichePhotonen•  LangeWellen->EnergiearmePhotonen

•  SchwarzerKörper–  Idealisierung:perfektschwarz,glüht–  Real:kleinesLochineinemglühendenHohlraum–  ErzeugteineMischungvonPhotonenallerWellenlängen

•  HoheTemperatur->mehrStrahlung,mehrkurzwelligePhotonen•  NiedrigeTemperatur->wenigerStrahlung,eherlangwelligePhotonen

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EntstehungvonPhotonen•  Atome

–  PhotonenfixerWellenlänge(n)–  AlsLichtquellefürBeleuchtungwenigbrauchbar–  Beispiele:

•  Niederdruck-NatriumundQuecksilberdampflampenAnregungdurchElektronen•  Moleküle

–  PhotonenineinemBereichvonWellenlängen–  Beispiele:

•  FarbstoffeAnregung:chemischoderdurchkurzwelligeStrahlung•  OLEDsAnregungelektrisch•  GlühwürmchenAnregungchemisch??

•  Kristalle–  Photonenineinemrela>vengenWellenlängenbereich

•  Mischungenmöglich!(Leuchtstoffröhren)–  Beispiele

•  LeuchtstoffeAnregungdurchkurzwelligeStrahlungoderElektronen•  LEDsAnregungelektrisch

•  HeißeKörper–  Photonen(fast)allerWellenlängen–  Beispiele

•  GlühlampeAnregungThermisch•  Lichtbogen-LampenAnregungdurchElektronenXenon-Scheinwerfer,Beamer-LampenStöri-Licht 6

Spektrum(Sonnenlicht)

Störi-Licht 7

Quelle:hRps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Sonne_Strahlungsintensitaet.svg

Wirkungvonelektromagne>scherStrahlung

•  Wärme–  DeponierteEnergieerwärmtKörper

•  EnergieeinzelnerPhotonenistzugering–  Beispiele

•  Brennglas•  Mikrowellen-Herd•  Badezimmer-Strahler•  Laserschweißen•  ThermokameraErwärmungverändertWiderstandvonMikrobolometern

•  Photonen–  EnergieeinzelnerPhotonenwirkt

•  MindestenergiejePhotonerforderlich–  Beispiele

•  FilmPhotonenzersetzenSilberjodid•  DigitalkameraPhotonenerzeugenElektronen-Loch-PaareimChip•  SehzellenPhotonenzersetzenSehfarbstoffe•  SonnenbrandPhotonenschädigenDNAvonHautzellenStöri-Licht 8

Technik:Lichtquellen•  Glühlampe

–  Vorteil:ÄhnlichSchwarzkörperstrahlung–  Problem:MaximaleTemperatur2800K,Wirkungsgradmax.3%

•  Bogenlampe(HID,HighIntensityDischargeLamp)–  Beispiele:Xenon-Scheinwerfer,LampenfürBeamer–  Vorteil:ÄhnlichSchwarzkörperstrahlung,hoheTemperatur–  Problem:Technischaufwendig

•  Fluoreszenzlampe(Neon-Röhre,Sparlampe)–  UV-StrahlungdesQuecksilbersregtLeuchtstoffan–  Vorteil:guterWirkungsgrad(ca.20%),fastalleSpektrenmachbar–  Problem:Unhandlich,Quecksilbergehalt

•  LED(LightEmitngDiode)–  Konver>ertelektrischeEnergieineinemHalbleiterdirektinLicht–  WirkungsgradblauerDiodenüber50%–  Vorteil:extremkompakt,exzellenterWirkungsgrad(bis50%)–  Probleme:SchmalerSpektralbereich

•  Lösung:VieleverschiedeneLEDsoderBlaueLED+LeuchtstoffStöri-Licht 9

Spektrentechn.Licht-Quellenkalibriert,

Fehler±20%

Sonnenlicht

QuelleDiagramme:Ferialprak>kumIvoWakounig2014DiverseLeuchtkörperausdemHandel–NuralsBeispieleQuelleSpektrum:hRp://www.bs-wiki.de/mediawiki/index.php/Elektromagne>sches_Spektrum

Störi-Licht 10

DerMensch–WahrnehmungvonHelligkeit

•  DieEmpfindlichkeitdesmenschlicheAuges–  Wellenlängenabhängigkeit

fürFarbsehen–  Wellenlängenabhängigkeit

imDunklen–  QuellenfürDaten:

CIE–ComissionInterna>onaldel‘EclairageDIN5031

–  QuelleDiagramm:hRps://commons.wikimedia.org/wiki/File:V-lambda-phot-scot.svg

683Lumen/WaRbei555m

11Lumen/WaRbei680nm

WiekommtmanzudiesenKurven??Unsicherheit! Störi-Licht 11

Defini>onlichRechnischerGrößen•  Lichtstrom[Lumen,lm]–  LeistungdesLichtsinWaR,gewichtetmitderwellenlängenabhängigenEmpfindlichkeitdesmenschlichenAuges.Maximal683lm/Wbei555nm

•  Beleuchtungsstärke[Lux,lx,lm/m2]–  FällteinLichtstromvon1LumenaufeinenQuadratmeter,istdieBeleuchtungsstärke1Lux

•  Lichtstärke[Candela,cd,lm/sr]–  IsteineLichtquellevon1Candela1MetervoneinerOberflächeen|ernt,beträgtdieBeleuchtungsstärke1Lux

–  StrahltdieLichtquellegleichmäßiginalleRichtungen(4πSteradianten)erzeugteineLichtquellevon1cdeinenLichtstromvon4π≈12,6lm

– DieLichtstärkekannvonderRichtungabhängenStöri-Licht 12

LichRechnischeGrößen-Lichtausbeute

•  Theore>schmaximaleLichtausbeute,abhängigvomSpektrum–  Lichtstrom/Lichtleistung–  Bei555nm 683Lumen/WaR–  WeißesLicht 240Lumen/WaR

•  Prak>scheLichtausbeute–  Lichtstrom/ElektrischeLeistung,inkludiertWirkungsgradderLampe–  Glübirne 10…15Lumen/WaR–  Leuchtstoff-Lampe 60…90Lumen/WaR–  LED 50…120Lumen/WaR

Lampe+Elektronik

Empfindlichkeits-kurvedesAugesElektrische

LeistungWaR[W]

Licht-leistungWaR[W]Spektrum

Licht-stromLumen[lm]

Wärme,Infrarot,UV

Störi-Licht 13

Rechenbeispiel1:Spot•  Spot– LichtstromΦ = 240 lm – Abstrahlwinkelα = 38° – Höheh = 1,5 m – BeleuchteteFlächeA

– BeleuchtungsstärkeE = Φ/A = 240 lm/0,83 m2 = 289 lx – Starkvereinfacht,keinStreulicht!

A = r2π = h tan α2

⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

2

π = 1,5 tan 19°( )⎡⎣ ⎤⎦2π

A = 1,5• 0,345[ ]2 • 3,14 = 0,83m2

α=38°

h= 1

,5 m

α/2$=19°

Radius r

Störi-Licht 14

Rechenbeispiel2:Glühlampe•  NackteGlühlampe100W– LichtstromΦ=1300 lm – StrahltinalleRichtungen– Höheh = 2 m – LichtstärkeI = Φ/4π

I = 1300 lm/12,6 = 103 cd – BeleuchtungsstärkeE = I/r2

E = 103 lm/(2 m)2 = 25,7 lx – Starkvereinfacht,keinStreulicht!

h= 2

m

Störi-Licht 15

ZusatzfragezuBeispiel1

•  WelcheLichtstärkehatderSpot?– Lichtstärke[cd]=Lichtstrom[lm]/Raumwinkel[sr]

•  RaumwinkelΩdesKegelsvon38° istca.0,34 sr – SieheWikipedia->Raumwinkel

•  LichtstärkeI = Φ/Ω = 240 lm/0,34 sr = 706 cd •  Reflektorenlohnensich!

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FarbsehenDasmenschlicheAugehat3verschiedenar>geZäpfchenDasDiagrammzeigtdie3spektralenEmpfindlichkeitsfunk>onen

Wellenlänge[nm]

DiemeistenWellenlängenregen2oder3verschiedeneZäpfchenan.FarbwahrnehmungistdasVerhältnisderAnregungen.DasDiagrammistnormalisiert.DieblaueKurveistinWirklichkeitcircaumdenFaktor20niedriger,dieroteKurveumca.30%.DieSummeder3KurvenergibtdieEmpfindlichkeits-kurvevonFolie11

Störi-Licht 17QuelleDiagramm:hRps://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cones_SMJ2_E.svg

Tri-S>mulus-Farben•  DieAnregungeinereinzelnen

ArtvonZäpfchenberechnetsichausdemSpektrumdesLichtsgewichtetmitderEmpfindlichkeitsfunk>onderArtvonZäpfchen.

•  Auchmonochroma>schesLichtregt2oderalle3ArtenvonZäpfchenan.

•  DiefeinsteFarbunterscheidungliegtimBereichRot-Gelb-Grün

•  DieEmpfindlichkeitsfunk>onensindrela>vbreit,bizarreSpektrenvonLampenstörendaherrela>vwenig.

Empfindlichkeitsfunk>onen

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Quelle:hRps://en.wikipedia.org/wiki/Color_vision#/media/File:Cone-fundamentals-with-srgb-spectrum.svg

Tri-S>mulus-Farben(2)•  DasSpektrumdesLichts,mul>pliziertmitderL-Kurveundaddiert

ergibtdieroteAnregungL. •  DasSpektrumdesLichts,mul>pliziertmitderM-Kurveundaddiert

ergibtdiegrüneAnregungM.•  DasSpektrumdesLichts,mul>pliziertmitderS-Kurveundaddiert

ergibtdieblaueAnregungS.•  DieSummevonroter,grünerundblauerAnregungergibtdieHelligkeit

H=L+M+S –  DasErgebnisistiden>schmitderHelligkeit,welchesichergibt,wenndas

SpektrummitderEmpfindlichkeitskurveausFolie11mul>pliziertundaddiertwird.

–  WirhabeneigentlichdieHelligkeitHnurinderTeileL,MundSzerteilt.•  DieArtundSä0gungderFarbeergibtsichausdenVerhältnissenvon

L,MundS•  Digitalkameras,Farbbildschirme,Beamer,etc.arbeitenmit3

Farbsignalen,dieabermeistandersdefiniertsind.Störi-Licht 19

CIE1931Normalfarbsystem•  WirersetzendieKurvenL,MundSdurchsynthe>sche

Kurvenx(λ),y(λ) und z(λ) desStandardbeobachters.y(λ)istgleichzei>gdieEmpfindlichkeitsfunk>onausFolie11.

•  DarausergebensichdiedreiAnregungen X, Y undZ

Störi-Licht 20

QuelleDiagramm:hRps://commons.wikimedia.org/wiki/File:CIE1931_XYZCMF.png

FarbraumCIExyY

Helligkeit+Verhältnisseder3Anregungen

x = XX +Y + Z

y = YX +Y + Z

Y istauchdieHelligkeit

Störi-Licht 21QuelleDiagramm:hRps://commons.wikimedia.org/wiki/File:CIE1931xy_blank.svg

FarbtemperaturTC (Farbtemperatur)LichtidealschwarzerKörperderTemperaturTC hateineFarbeentlangderKurve.DieFarbtemperaturrealerLichtquellenwirdermiRelt,indemmandennächstenPunktderKurvesucht.Lus>g:WirnennenLichtquellenmithoherFarbtemperatur„kalt“.

Störi-Licht 22QuelleDiagramm:hRps://commons.wikimedia.org/wiki/File:PlanckianLocus.png

GammutdarstellbarerFarbereich

FarbenderPixel

DurchMischungerzielbarerFarbbereich(Gammut)

Mit3realenFarbenkönnenniealleFarbendargestelltwerden.

Störi-Licht 23QuelleDiagramm:hRps://commons.wikimedia.org/wiki/File:PlanckianLocus.png

Farbwiedergabe–reflek>ertesLicht•  DasLichtvoneinerbuntenOberfläche,welcheswirsehen,istdasProduktausdemSpektrumderQuelleunddemReflexionsspektrumderOberfläche!–  SpektraleFeaturesderLichtquellesindhierwich>g!

•  BeispielevonReflexionsspektren

Que

lle:h

Rp://www.hue

valuechrom

a.com

Störi-Licht 24

EinReflexionsspektrum-3Lichtquellen•  Sparlampe:GuteFarbwidergabenichtzuerwarten!•  LED:EinigermaßenOK–  ExtremesVioleRundMangenta?

•  Glühlampe:PerDefini>on100%Farbwidergabe(CRI=100)–  Blautöneschwerzuunterscheiden!!

Störi-Licht 25

Quellen:SieheFolie10und24

Farbwiedergabe–reflek>ertesLicht•  FürdieempfundeneFarbeeinerLichtquellespieltdiedetaillierteForm

desSpektrumskeinewesentlicheRolleAber:

•  BeimBetrachtennichtselbstleuchtenderOberflächenistdasanders!(Reflek>ertesLicht=SpektrumderLichtquelleXReflexionsspektrum)–  Farbwiedergabe(colorrendering)isteinProblem–  DieselbeOberflächeschautinverschiedenemLichtverschiedenaus

•  Farbwiedergabeindex(colorrenderingindexCRI)–  Vergleicht(rechnerisch)dieFarbwidergabevon

•  ZuuntersuchenderLichtquelle•  SchwarzerKörpergleicher(Farb-)Temperatur

–  DasAugepasstdasFarbempfindenandiejeweiligeFarbtemperaturan.VergleicheWeißabgleichbeiKameras

–  HatSchwachstellen!Nur8Farben!•  VergleichvonFarbenamMonitorundaufPapier!

–  DerbeimDruckenerreichbareFarbbereich(Gammut)istziemlichklein.

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GefahrendurchLichtquellen•  Ha�ungsausschluss:IcherzähleIhnen,wovorichmichfürchte

odernichtfürchteundbegründedas.–  Vielleichtirreichmich.–  Siedürfensichfürchten,wovorSiewollen.–  Langzei|olgensindsehrschwierigzuuntersuchen,wasStofffürallerleiÄngstegibt.

•  MirbekannteGefahren/ÄngsteimZusammenhangmitLEDs–  Blaulicht-Schäden–  GefahrenhoherLeuchtdichten–  NeurologischStörungendurchFlackern–  StörungderinnerenUhren(circadianeRhythmik)–  …IhrDiskussionsbeitrag

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Blaulicht•  NetzhautkanndurchintensiveblauesLichtgeschädigtwerden.

–  DieWellenlängenabhängigkeitistbekannt(ungefähr)–  DieHelligkeitvonreinblauemLichtwirdvomAugeunterschätzt.NatürlicheSchutzmechanismenwirkenzuwenig.•  Pupilleverengen•  Wegschau-Reflex(AlleLebewesenvermeidenes,direktindieSonnezuschauen)

•  Schutzmaßnahmen:–  Vermeidenintensiver,reinblauerLichtquellen(blauePower-LEDs)–  Fallserforderlich(MachineVision):Soeinbauen,dassmannichthineinschauenkann.

•  BlauerPeakimSpektrumweißerLEDs:–  NatürlicheSchutzmechanismengreifen(realis>scherHelligkeitseindruck)

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Blaulicht(2)SpektrumeinerwarmweißenLEDImVergleichzu:BlaulichtempfindlichkeitProgressinRe>nalandEyeResearch30(2011)239-257

Augenempfindlichkeit(gem.DIN5031)

Blaulichtanteilrela>vzumLichtstromSchwarzeKörperGlühlampen,Halogenlampen,Sparlampe,LEDs,Sonne

Störi-Licht 29Quelle:SieheFolie10

Blaulicht(3)•  BlauerPeakimSpektrumweißerLEDs:–  DerintegralerAnteildesBlaulichts(WaR)rela>vzurHelligkeit(Lumen)istbeiweißenLEDähnlichwiebeianderenLichtquellen(Sonne,Glühlampen,Neonröhren)mitgleicherFarbtemperatur.•  Voraussetzung:DiebekannteWellenlängenabhängigkeitistungefährrich>g•  BeruhtaufeigenenMessungenundRechnungen(Fehlernichtganzauszuschließen)

–  NatürlicheSchutzmechanismengreifen•  WeißeLEDsgebeneinenrealis>schenHelligkeitseindruck

•  MöglicherweisehabenPersonen,dieimmerimSonnenlichtarbeiten,imAltereineleichterhöhteHäufigkeitvonMakula-Degenera>on.–  AllerdingsistSonnenlichtvielstärkeralsKunstlicht128.000lxzuca.500lx

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HoheLeuchtdichte•  Grundsätzlichgefährlich–  IntensitätdesBildesaufderNetzhautistzuhoch.– Aucheine100WHalogenlampekannSchädenverursachen.

– DienatürlichenSchutzmechanismen(Wegschauen)sindnichtimmerverlässlich.

•  DerscharfeSchaRenwurfwirdo�alsunangenehmempfunden.

•  Lösung:– DiffuseLichtquelleninArbeits-undAufenthaltsräumen

•  LED-Balken•  LED-LeuchtkörpermitMaRglashülle•  VielekleineLEDshabenohnedieseinenbesserenWirkungsgrad

Störi-Licht 31

Flackern•  VieleLichtquellenschwankeninRhythmusderNetzfrequenz(100

Hz,selten50Hz)•  DieEmpfindlichkeitaufFlackernistsubjek>vverschieden.•  VorallemimperipherenBereichdesGesichtsfeldesistZeitauflösung

größer(Fluchtreflex!)•  DieStärkedesEffektshängtvonderTechnikderLichtquelleab:

–  Glühbirnen,vorallemNiedervoltlampengleichenSchwankungendurchthermischeTrägheitdesFadensteilweiseaus.

–  Neonröhrenmitmagne>schemVorschaltgerätflackernstark.–  SparlampenundNeonröhrenmitelektronischemVorschaltgerätflackernkaum.

–  BeiLED-LampenhängtdasvonderverbautenElektronikab.MansollteLEDsmitechtemGleichstrombetreiben.•  Pulsmodula>onimKHz-Bereichstörtehernicht.•  WasmachenDimmer???•  Herstellersagendazunahezunichts!Störi-Licht 32

StörunginnererUhren•  WahrscheinlichgibtesimAugeSensoren,diederSteuerungderinnerenUhrendesMenschendienenundselek>vaufblauesLicht(Sonne)empfindlichsind.

•  Beobachtung:bisnachMiRernachtmitComputer,TableRoderHandyspielenstörtdenSchlafrhythmus.–  ObdasderLED-Hintergrundbeleuchtungzuzuschreibenist?–  NeonröhrenhabegenausovielBlaulicht

•  Vorschlag:InRäumen,indenenspätgearbeitetwird,könntemanWarmton-Beleuchtungeinsetzen.

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Zusammenfassung•  LEDssindeinesinnvolletechnischeLichtquelle•  DieFarbwidergabeistnichtperfekt,aberauchnichtschlechteralsetwabeiNeonbeleuchtung–  SpezielleLEDsmitextremguterFarbtreuesinderhältlich(CRI98)

•  IchfürchtemichnichtvordemLichtderblauenLED,dieinweißenLEDsdieAnregungübernimmt.

•  Flackernsolltevermiedenwerden,wasabermöglichist.•  LichtquellenextremerLeuchtdichtesolltenvermiedenwerden.

•  FürAk>vitätamspätenAbendwärewarm-weißeBeleuchtungzuüberlegen(ArbeitsmedizinerInfragen!).

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