Projekt SAFE-LED Gesundheitsrisiken durch neuartige Hochleistungs - Leuchtdioden (LED) Endbericht
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Report nr. 51 Projekt SAFE-LED
Projekt SAFE-LED
Gesundheitsrisiken durch neuartige
Hochleistungs - Leuchtdioden (LED)
Endbericht
www.auva.at
SAFE-LED AUVA
Projekt SAFE-LED
Gesundheitsrisiken durch neuartige
Hochleistungs-Leuchtdioden (LED)
G Vees, K. Schulmeister, E. Kitz, H. Brusl
Endbericht
Version 16, August 2010
Seibersdorf Labor GmbH AUVA – Allgemeine Unfallversicherungsanstalt
Laser und Optische Strahlung Abt. HUB
Tel +43 (0)50550-2531 oder 2533 Tel +43 (0)1 33111-974
Fax +43 (0)50550 3033 Fax +43 (0)1 33111-621
laser.optic@seibersdorf-laboratories.at emmerich.kitz@auva.at
SAFE-LED AUVA
INHALTSVERZEICHNIS
Kapitel Seite
1 Einleitung ................................................................................................................................. 4
1.1 Politische Dimension (Umweltschutz) ............................................................................ 4
1.2 Einsatzbereiche der LED................................................................................................ 5
1.3 Geschichte und Zukunft ................................................................................................. 6
1.4 Projektziel....................................................................................................................... 8
2 Farbmetrik................................................................................................................................ 9
2.1 Farbeindruck .................................................................................................................. 9
2.2 Farbanpassungsfunktionen ............................................................................................ 9
2.3 Farbmaßsysteme ......................................................................................................... 10
2.4 CRI (Color Rendering Index) ........................................................................................ 12
3 LED-Eigenschaften................................................................................................................ 13
3.1 Lebensdauer und Alterung ........................................................................................... 13
3.2 Farben und Technologie .............................................................................................. 13
3.2.1 Weißes Licht ............................................................................................................ 13
3.3 Lichtstärkeverteilung .................................................................................................... 15
3.3.1 Modellierung der Lichtstärkeverteilung einer LED ................................................... 15
3.4 Aufbau von LED-Lichtquellen....................................................................................... 16
3.5 Wirkungsgrad und Lichtausbeute ................................................................................. 17
3.5.1 Wirkungsgrad e (engl. optical efficiency)................................................................ 17
3.5.2 Lichtausbeute (engl. Luminous efficiency) v ......................................................... 18
3.6 Vergleich Konventionelle „5-mm“ LEDs und „Power“-LEDs ......................................... 18
4 Lichttechnische Größen......................................................................................................... 19
4.1 Raumwinkel.................................................................................................................. 19
4.2 Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V() ..................................................................... 20
4.3 Photometrische und radiometrische Größen................................................................ 21
4.3.1 Definition der photometrischen Größen................................................................... 21
4.3.2 Zusammenhang der lichttechnischen Größen ......................................................... 23
4.3.3 Umwandlung der photometrischen in die radiometrische Größe............................. 24
Spektrale Verteilung von LEDs .................................................................................................. 26
4.4 „Monochrome“ LEDs .................................................................................................... 26
4.4.1 Definition charakteristischer Wellenlängen .............................................................. 26
4.4.2 Farbe und Wellenlängenbereich.............................................................................. 28
4.4.3 Definition der Farbreinheit (Farbsättigung): ............................................................. 29
4.5 Weiße LEDs ................................................................................................................. 29
4.5.1 Spektrum weißer LEDs............................................................................................ 29
4.5.2 Farbtemperatur ........................................................................................................ 30
5 SicherheitsBewertung............................................................................................................ 34
5.1 Spektrale Bewertung und Mittelungs-Empfangswinkel ................................................ 35
5.1.1 Mögliche Augengefährdungen................................................................................. 35
5.1.2 Spektrale Gewichtungsfunktionen SUV(), B() und R()......................................... 36
5.1.3 Empfangswinkel....................................................................................................... 37
5.2 Vereinfachte Beurteilungsmethode .............................................................................. 38
5.2.1 Umrechnung der Grenzwerte in „Watt“.................................................................... 39
5.2.2 Schritt 1 - Ermittlung der Leistung ........................................................................... 43
5.2.3 Behandlung von „Arrays“ ......................................................................................... 49
5.2.4 Farbgewichtungsfaktoren für Blaulicht-Gefährdung ................................................ 50
5.2.5 Farbgewichtungsfaktoren für Gefährdung „Netzhaut thermisch“ ............................. 54
5.2.6 Schritt 2 – Vergleich mit den Grenzwerten .............................................................. 55
5.2.7 Berücksichtigung der leuchtenden LED-Fläche bezüglich thermischer Gefährdung57
5.3 Anwendung der vereinfachten Beurteilungsmethode................................................... 60
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SAFE-LED AUVA
6 Genaue Bewertung durch messung ...................................................................................... 63
6.1 Messaufbau.................................................................................................................. 64
6.1.1 Ermittlung der Spektren, der photometrischen Daten und der 500 lx-Distanz......... 64
6.1.2 Aufnahme der Strahlbilder ....................................................................................... 64
6.2 Messentfernung............................................................................................................ 66
6.3 Auswertung .................................................................................................................. 66
6.3.1 Ermittlung des thermischen Gefahrenpotentials ...................................................... 66
6.3.2 Ermittlung des photochemischen Gefahrenpotentials ............................................. 67
6.4 Messgeräte................................................................................................................... 68
7 Zusammenfassung der Ergebnisse ....................................................................................... 69
7.1 Aufwendige Bewertung ................................................................................................ 69
7.1.1 Hinsichtlich Zeitdauer .............................................................................................. 69
7.1.2 Hinsichtlich Gefährdungsart..................................................................................... 69
7.2 Vereinfachte Bewertung ............................................................................................... 69
7.3 Direkter Vergleich von aufwendiger mit vereinfachter Bewertung................................ 70
8 Quellen .................................................................................................................................. 75
3
SAFE-LED AUVA
1 EINLEITUNG
Die Kurzbezeichnung LED ist ein Akronym der englischen Bezeichnung Light Emitting Diode,
übersetzt: lichtemittierende Diode. Solche Leuchtdioden (auch Lumineszenz-Dioden) sind
optoelektronische Halbleiter-Bauelemente, die Strom in optische Strahlung umwandeln. Obwohl
heutzutage LEDs verfügbar sind, die auch im UV- oder IR-Bereich Strahlung emittieren, wurde
der Name „lichtemittierende Diode“ aus historischen Gründen beibehalten. (Der Terminus
„Licht“ wird ansonsten ausschließlich für den sichtbaren Teil des elektromagnetischen
Spektrums verwendet). Im Rahmen des Projektes SAFE-LED wurden LEDs, die sichtbares
Licht – mit Schwerpunkt auf weißem Licht – abgeben, als auch einige UV-LEDs untersucht.
Die große Bandbreite der möglichen Wellenlängen und optischer Leistungen führte in den
letzten Jahrzehnten zu einer stetigen Erweiterung der LED-Einsatzbereiche. Waren die ersten
Anwendungen von LEDs aufgrund zu geringer optischer Leistung auf Statusanzeigen von
Geräten oder auf Punktmatrixanzeigen (z.B. Taschenrechner) beschränkt, setzt sich zur Zeit ein
Trend zum Einsatz super- und ultraheller LEDs für die Bereiche Sicherheitsbeleuchtung,
Design- und der allgemeinen Beleuchtungstechnik durch.
Motor dieser Entwicklung ist der geringe Leistungsbedarf zur Lichterzeugung, die hohe
Betriebssicherheit und die hohe Lebensdauer. Während die Lichtausbeute von Hochleistungs-
LEDs nahe an die Werte einer Natriumdampflampe herankommt, übertrifft die Lebensdauer von
50000-100000 Stunden bereits jedes andere Leuchtmittel (LEDs halten etwa zehnmal länger
als Halogenlampen und 50 Mal länger als Glühlampen), wodurch die Kosten für Wartung (z.B.
von Straßenbeleuchtungen) drastisch reduziert werden. Berücksichtigt man beide Faktoren,
dann kann sich der Ersatz von konventionellen Leuchten durch LEDs trotz höherer
Investitionskosten innerhalb weniger Jahre amortisieren. Der geringe Energieverbrauch führte
überdies dazu, dass das weiße Licht von LEDs mittlerweile auch „grünes Licht“ genannt wird.
1.1 Politische Dimension (Umweltschutz)
Eines der zentralen Ziele der Europäischen Kommission ist, den Energieverbrauch und damit
auch den Ausstoß von Treibhausgasen in Europa zu reduzieren. Einen Beitrag dazu soll das
EU Glühbirnenverbot leisten, das am 08.12.2008 beschlossen worden ist.
Glühbirnen mit mehr als 100 Watt werden ab September 2009 an aus dem Handel genommen.
Anfang 2010 folgen dann Glühbirnen mit mehr als 40 Watt und zwei Jahre später, im August
2012, auch schwächere Lampen. Somit gilt ab 1. September 2012 ein komplettes
Glühbirnenverbot in der EU.
Man hat errechnet, dass allein Deutschland sofort auf zwei Atomkraftwerke verzichten könnte,
würden statt der Glühlampe sparsamere Lampen verwendet (Quelle: www.warum-led.de).
Australien zog daraus als erstes Land die Konsequenzen und verbot den Verkauf weiterer
Glühbirnen. Auch Neuseeland schloss sich dem Glühbirnenverbot an. Selbst China macht
offenbar Ernst mit dem Bekenntnis zum Umweltschutz und Energiesparen. In Shanghai stehen
schon über 30.000 LED-Straßenleuchten.
Elektrisches Licht macht heute 19 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs aus. Und in Asien
dürfte sich der Verbrauch in den nächsten zehn Jahren verdoppeln.
Eine weitere neue Regelung soll auch den Verkauf von Quecksilberdampflampen in Europa ab
dem Jahr 2011 untersagen (Quelle: www.channelpartner.de/news/239101/ (2007). In der Praxis
bedeutet das, dass fast jede zweite Lampe ausgetauscht werden muss.
Quecksilberdampflampen, Natriumdampf- und Halogenmetalldampflampen würden demnach
bei allen Nachteilen die derzeit einzigen verfügbaren und wirtschaftlich tragbaren Alternative
darstellen.
Energiesparlampen werden aber niemals die Sparsamkeit und die lange Lebensdauer von
LED-Leuchtmitteln erreichen. Vor allem hinsichtlich Umweltverträglichkeit haben sie große
Nachteile, da sie als Sondermüll behandelt werden müssen (Trennung, Recycling). Die LED ist
hier langfristig wohl die einzig wahre Alternative zu den Glühlampen.
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SAFE-LED AUVA
Die Einführung der LED als neue Lichtquelle wird einen revolutionären Effekt auf die
Beleuchtungsindustrie und insbesondere auf die Beleuchtung haben. Die Festkörper- oder
LED-Beleuchtung wird seit der Erfindung der Glühlampe vor über 130 Jahren als größter
Umbruch in der Beleuchtungstechnologie von Beleuchtungstechnikern betrachtet.
"Bis zum Jahr 2012 werden wir in unserer Forschung so weit fortgeschritten sein, dass LED-
Leuchten die energetisch, licht- und umwelttechnisch sinnvollste Lösung darstellen", bringt es
Prof. Tran Quoc Khanh vom Fachgebiet Lichttechnik der TU Darmstadt auf den Punkt.
1.2 Einsatzbereiche der LED
Aufgrund der begrenzten Möglichkeiten beim Herstellungsprozess von LEDs waren diese lange
Zeit auf die Signalgebung im weitesten Sinne beschränkt (Datensignale, Statusanzeigen, etc.).
Durch die stetige technische Verbesserung der Herstellungsverfahren in der LED-Chip-
Technologie ist es nun möglich, viele verschiedene Lichtquellen auch für Beleuchtungstechnik
zu fertigen und damit die vielen Vorteile der LED-Technologie zu nutzen.
Vorteile der LED
höhere Lichtausbeute als Glühlampen.
(lm/W; geringerer Energieverbrauch bei gleicher Lichtleistung).
keine UV- oder IR-Begleitstrahlung.
geringe Wärmeentwicklung (kleinere Brandgefahr).
kein 50 Hz Flimmern (Gleichstromtechnik).
geringere Anforderung an die EMV.
mehr Sicherheit durch Niedervoltbetrieb.
geringe Baugröße, kleinere Kabelquerschnitte.
hohe Zuverlässigkeit:
o sehr lange Lebensdauer (> 50.000 Stunden) Bei ausreichender Kühlung und einer
jährlichen Brenndauer von etwa 4000 h liegt die Lebensdauer der LEDs mit circa
zwölf Jahren um den Faktor drei bis vier höher, als bei herkömmlichen
Entladungslampen [1].
o hohe Stoß- und Schockbelastbarkeit
schnelle Schalt- und Modulierbarkeit:
o kein Schaltverschleiß.
o „intelligente Leuchten“ herstellbar (z.B. LED-Feld: formbarer Lichtkegel – beim
Auto von Geschwindigkeit oder Einschlagwinkel des Lenkrades abhängig).
stromproportionaler Lichtstromanstieg, Dimmbarkeit: LED lassen sich zudem als
einzige Lichtquelle stufenlos von hundert auf null Prozent dimmen - ohne
Effizienzverlust (Vorteil gegenüber Glühlampen).
monochrome Lichterzeugung (farbige LEDs); bei konventioneller Lichttechnik gehen
durch Filterung bis zu 90 Prozent des weißen Lichts verloren (z.B. für Showzwecke).
Lichtbündelung: optional integraler Bestandteil der LED.
Der Einsatz von LEDs ist angesichts der Vorteile nicht nur wirtschaftlich sondern auch technisch
begründet, wobei letzteres auch völlig neuen Lichtlösungen zulässt. Eine kleine Aufstellung der
Einsatzmöglichkeiten von LEDs ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Obwohl sich das Projekt auf
sichtbare LED-Strahlung bezieht, sind der Vollständigkeit halber alle drei optischen Bereich
angeführt.
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SAFE-LED AUVA
Tabelle 1: Bestehende und absehbare künftige Einsatzbereiche von LEDs.
UV-LED VIS-LED IR-LED
UV-Kleben Status- u. Sicherheits-Feldbeleuchtung
Punktmatrixanzeige
UV-Härten Computermaus Fernbedienung
UV-Markieren Bildschirmhinterleuchtung Lichtschranken
Fluoreszenzanregung Verkehrsampel Optokoppler
UV-Lacktrocknen Autoscheinwerfer Datenübertragung
Entkeimung Raumbeleuchtung Abstandssensor
Messtechnik OP-Leuchten Bewegungssensor
Lichtterapie Straßenbeleuchtung
Neben den Vorteilen einer Sache bestehen naturgemäß auch Nachteile, die sich aber
vorwiegend auf technische Schwachstellen beziehen.
Nachteile der LED:
geringe Lichtleistung pro Einheit.
spezielle Elektronik zur Ansteuerung erforderlich (Stromquelle).
geringe maximale Sperrschichttemperatur und damit begrenzte
Einsatztemperatur.
diskontinuierliches Spektrum weißer LEDs (Nachteil gegenüber Halogen-
Glühlampen).
gegenüber Glühlampen und Hochdruck-Gasentladungslampen geringere
Leuchtdichte, daher schlechter geeignet für stark bündelnde Scheinwerfer.
extreme Empfindlichkeit gegenüber Mikrowellenstrahlung (durch die hohe
Ladungsträgermobilität in den verwendeten III-V-Halbleitermaterialien).
1.3 Geschichte und Zukunft
1907 entdeckte Joseph Round den physikalischen Effekt der Elektrolumineszenz, der jedoch in
Vergessenheit gerät. Anfang der 60er Jahre wurden die ersten roten Lumineszenzdioden
angeboten. Danach konnte die Effizienz in jedem Jahrzehnt etwa um das Zehnfache erhöht
werden. Anfang der 70er Jahre konnten durch entsprechende Dotierung der Halbleiter die LEDs
im grünen, orangen und gelben Spektralbereich Licht emittieren. Die permanente Verbesserung
hinsichtlich Leistung und Effizienz zeigte in den 80er Jahren die ersten Vorteile der LED
gegenüber den Glühlampen auf, sodass diese beispielsweise in Signalleuchten und
Anzeigetafeln zum Einsatz kamen. 1997 kam die erste weiß leuchtende LED auf den Markt.
Heute decken hocheffiziente Lumineszenzdioden nicht nur den sichtbaren sondern auch den
UV- und IR-Spektralbereich ab.
LEDs werden nach wie vor weiterentwickelt. Innerhalb der nächsten 10 Jahre wird eine
Steigerung der Lichtausbeute auf 300 Lumen pro Watt erwartet, womit die LED die effektivste
Lichtquelle wäre. Zwei Prognosen von zwei weltweit agierenden Unternehmen sind in
Diagrammform in Abb. 1 dargestellt. Einmal ist die Lichtausbeute in Abhängigkeit von der Zeit,
einmal als Funktion der Stromdichte angeführt. Beide Diagramme spiegeln die rasante
Entwicklung der Weißlicht-LED.
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SAFE-LED AUVA
a) Quelle: Fa. Ledon (2008) b) Quelle Fa. Philips (2008)
Abb. 1: Prognostizierte Lichtausbeute zweier Global Player.
Die Entwicklungsfortschritte beruhen vor allem auf der Material- und Technologieseite. Die
Chiptechnologie, die Lichtkonverter und spezielle Leistungsgehäuse müssen dabei aufeinander
abgestimmt werden, um die heutigen Spitzenwerte wie
155 lm bei 350 mA für die Helligkeit und
136 lm/W für die Effizienz
zu erreichen. Die Entwicklungsparameter und Ziele bis 2020 sind daher
Lichtausbeute: 150-200 lm/W
Farbwiedergabeindex: CRI > 90
Lebensdauer: > 30.000 h
Zu dem Zukunftsszenario gehören beispielsweise auch haardünne organische Leuchtdioden
(OLED), die aber aufgrund der inhärenten geringen abgestrahlten Leistungen pro Fläche im
Rahmen des Projektes SAFE-LED nicht behandelt werden.
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SAFE-LED AUVA
1.4 Projektziel
Neben Hochleistungs-LEDs sind eine sehr große Anzahl von schwachen bis mittelstarke LEDs
in Verwendung, z.B. als Statusanzeige bei elektrischen Geräten oder auch als
Hintergrundbeleuchtung bei Anzeigen (Handy-Display, etc). Diese Quellen sind auch unter
Fehlerbedingungen und Missbrauch sicher, jedoch fehlen einfache Bewertungsgrundlagen, um
dies beurteilen zu können. Ohne vereinfachte Bewertungsgrundlagen ist es, wenn man sich
bezüglich Sicherheit absichern will, derzeit notwendig, eine aufwendige Auswertung
durchzuführen.
Eine exakte sicherheitstechnische Beurteilung ist sehr aufwendig, da mehrere Messverfahren
und Grenzwerte anzuwenden sind: neben der spektralen Verteilung ist die auf das Auge
auftreffende Leistung und auch die Größe der scheinbaren Quelle im Auge, also die
Bestrahlung der Netzhaut zu bestimmen. Besonders die Beurteilung des kritischsten
Bestrahlungsmusters auf der Netzhaut ist sehr aufwendig, da die Quelle komplex ist
(emittierender Chip, reflektierender Ring, Linse) und das Bild auf der Netzhaut auch vom
Abstand des Auges von der LED abhängt, sowie für jeden Abstand auch noch vom
Akkomodationszustand des Auges und von der Richtung der Bestrahlung.
Die Messverfahren sind weiters unterschiedlich, je nachdem ob man eine fotochemische
Schädigung der Netzhaut, eine thermische Schädigung der Netzhaut oder eine mögliche
Schädigung der Linse durch UV Strahlung (ein Nebenprodukt bei blauen LEDs) beurteilt. Der
Zeitaufwand für die Messung und Auswertung kann unter Umständen einige Tage dauern,
vorausgesetzt dass Spezialmessgeräte, teilautomatisierte Messverfahren und entsprechendes
Know-How bereits vorhanden sind..
Im Rahmen des Projektes waren verschiedene Beurteilungskriterien zu entwickeln, die es
erlauben, anhand von einfachen Methoden in Form eines stufenweisen Schemas zu
entscheiden, ob eine LED sicher ist (d.h. die Bestrahlung des Auges liegt unter den
Grenzwerten) oder einer exakten Analyse zugeführt werden muss.
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SAFE-LED AUVA
2 FARBMETRIK
2.1 Farbeindruck
Die Beschreibung einer Farbe ist schwierig, da der Farbeindruck eine subjektive Wahrnehmung
ist. Das individuelle Empfinden ist zudem altersabhängig. (Fünf verschiedene Personen werden
fünf verschiedene Beschreibungen einer Farbe geben). Der Farbeindruck wird zusätzlich von
folgenden Faktoren beeinflusst:
Art der Lichtquelle
Hintergrund (Kontrasteffekt)
Betrachtungswinkel
Größe der Farbfläche (Flächeneffekt)
Farbunterschiede lassen sich durch folgende Eigenschaften einer Farbe charakterisieren:
Farbton (blau, rot, …)
Helligkeit (heller, dunkler, …), ist unabhängig vom Farbton
Sättigung (stumpf, kräftig, intensiv, leuchtend, …) oder Farbkraft oder Buntheit; ist
unabhängig von Farbton und Helligkeit.
Werden diese drei Eigenschaften mit Hilfe einer Werteskala beschrieben, lassen sich Farben in
Zahlenwerten ausdrücken, womit die Farbbeschreibung objektiviert wird. Die Farbmetrik ist
somit die theoretische Grundlage der Farbmessung, die auf der additiven Farbmischung
basiert.
Gemäß der Theorie des Trichromatischen Farbsehens genügen drei Farben, um alle Farbtöne
additiv mischen zu können. International hat man sich seitens der CIE auf drei reelle
monochromatische Farben als Primärvalenzen (monochromatische Strahlung mit einer
Wellenlänge) geeinigt (was aber physiologisch nicht eindeutig sein muss):
Tabelle 2: Primärvalenzen
CIE-Farbe Kürzel Wellenlänge
Spektral-Rot R 700,0 nm
Spektral-Grün G 546,1 nm
Spektral-Blau B 435,8 nm
Eine Farbvalenz F (Wertigkeit) ist die additive Mischung der drei (zu definierenden)
Primärvalenzen R, G und B. Werden die Farbvalenz und die Primärvalenzen mathematisch als
Vektor erfasst, dann ergibt sich F als vektorielle Addition zu
F = RR + GG + BB
wobei die Richtung und die Einheitslängen der Primärvalenzen beliebig wählbar sind. Die
Beiträge R, G und B sind die Farbwerte der Farbvalenz F.
Neben diesem System wurde 1931 von der CIE ein Nomvalenzsystem X, Y, Z verabschiedet.
Die Übergangsregeln vom R, G, B System in das das System X, Y, Z wurden so gewählt, dass
X und Z keinen Beitrag zur Leuchtdichte liefern, womit einzig Y proportional zur Leuchtdichte
ist.
2.2 Farbanpassungsfunktionen
Die Netzhaut des menschlichen Auges setzt sich aus zwei Sensoren-Gruppen zusammen: die
Stäbchen und die Zapfen, wobei erstere für das Hell-Dunkelsehen und letztere für das
Farbsehen verantwortlich sind. Die Wahrnehmung von Farbe erfordert eine absolute
Leuchtdichte von mindestens einigen cd/m².
9SAFE-LED AUVA
Während bei den Stäbchen nur eine Form existiert, kann man bei den Zäpfchen drei
verschiedene Typen unterscheiden. Sie formen das Tristimulus-Messsystem des Auges. Somit
geht die radiometrische spektrale Information in drei Farbinformationssignale über, wobei diese
Farbsignale als Blau, Grün und Rot bezeichnet werden (der „rote“ Sensor ist eigentlich ein
„oranger“ Sensor).
Die Sensitivität der Zapfen kann nicht direkt gemessen werden, sondern sind mathematische
Interpretationen von Farbanpassungsexperimenten.
2.3 Farbmaßsysteme
Im Laufe der Geschichte wurden verschiedene Methoden zur Farbbeschreibung vorgeschlagen.
Die wichtigsten Farbsysteme sind:
a) Munsell-Farbsystem
b) L*a*b – Farbsystem
c) Hunter-Lab-Farbsystem
d) L*C*H – Farbsystem
e) XYZ (Yxy)-Farbsystem
a) Munsell Farbsystem
Herr Munsell stellte 1905 ein System für den visuellen Vergleich zwischen der zu
bestimmenden Farbe und einer großen Zahl von auf Papier gedruckten Musterfarben vor, die
entsprechend ihres Farbtons, ihrer Helligkeit, Sättigung und Buntheit angeordnet waren. Später
wurden die Munsell-Farbtafelfelder mit Buchstaben und Zahlen gekennzeichnet (H V/C).
b) L*a*b – Farbsystem (auch CIELAB-System)
Heute das gebräuchlichste System für die Farbmessung. Es wurde 1976 als einer der
gleichabständigen Farbräume von der CIE definiert, um dem Hauptproblem des ursprünglichen
XYZ-Systems zu begegnen: Gleiche geometrische Differenzstrecken im x,y-Farbdreieck führen
nicht zu empfindungsgemäß gleichen Farbunterschieden. Der Farbraum des L*a*b*-Systems ist
durch die Helligkeit L* und die Farbkoordinaten a* und b* gekennzeichnet. Abb. 2 zeigt die
zugehörige Farbtafel, in der die a*b*-Werte gleichzeitig den Farbton und die Buntheit einer
Farbe (vergleichbar mit der Eigenschaft der Farbsättigung) angeben. Im Koordinatenursprung
befindet sich ein neutrales Grau ohne jede Buntheit. Mit wachsenden a*b*-Werten, je weiter
also der Farbort von der Mitte entfernt liegt, wird die Sättigung größer.
Im L*a*b*-Farbraum können Farbunterschiede mit Hilfe eines einzigen numerischen Wertes
(∆E*ab) angegeben werden, der aber nur den Betrag der Farbdifferenz angibt und nicht deren
Richtung.
Abb. 2: L*a*b – Farbsystem.
10SAFE-LED AUVA
c) L*C*h-Farbsystem
Dem L*C*h-System liegt die gleiche Methode wie dem L*a*b*-System zugrunde, es werden
jedoch Polarkoordinaten anstelle von rechtwinkligen Koordinaten benutzt.
Der Helligkeitswert L* ist bei beiden Systemen identisch, das C* steht für die Buntheit und h für
den „Bunttonwinkel“. Der Wert für C* beträgt 0 im unbunten Koordinatenursprung und wächst
mit dem Abstand zur Mitte (Radius). Der Bunttonwinkel h wird von der +a*Achse ausgehend in
Grad angegeben. Entsprechend lassen sich die Werte des L*a*b-System in das L*C*h-System
umrechnen:
L* = L*
C* = ((a*)2 + (b*)2)1/2
h = atan(b*/a*)
d) Hunter-Lab-Farbsystem
Wurde von Hunter im Jahr 1948 entwickelt, um eine bessere empfindungsgemäße
Gleichabständigkeit gegenüber dem Yxy-Farbsystem (CIE 1931) zu erreichen. Es ähnelt dem
CIE L*a*b*-Farbsystem und wird in manchen Bereichen immer noch verwendet.
e) XYZ (Yxy)-Farbsystem
Grundlage für die gegenwärtigen CIE-Farbsysteme sind die Normfarbwerte XYZ und das
daraus abgeleitete Yxy-Farbsystem. Die Normfarbwerte beruhen darauf, dass das Auge
Sinneszellen für die Wahrnehmung der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau besitzt, wobei alle
von uns wahrgenommenen Farben aus einer Verschmelzung dieser selektiven Sinneseindrücke
hervorgehen. Die Berechnung der Normfarbwerte XYZ basiert auf diesen allgemeingültigen
Augenempfindlichkeitskurven.
0,9
520 Spektralfarblinie
0,8 540
0,7
560
Kurve für den
0,6 schwarzen Strahler
y 500
0,5 580
Weißpunkt E
3000K
0,4 4000K
2000K
600
620
0,3 10000K
490 15000K 700
0,2 unendlich
Purpurlinie
0,1 480
Theoretische
470 Farben
0,0 460 380
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
x
Abb. 3: Normfarbtafel (x, y) nach CIE.
11SAFE-LED AUVA
Die (x,y)-Farbtafel findet zwar häufig Anwendung, sie hat jedoch den entscheidenden Nachteil,
dass die geometrischen Abstände in der Farbtafel nicht den wahrgenommenen
Farbunterschieden entsprechen. 1976 wurde daher von der CIE die einheitliche (u',v')-Farbtafel
(UCS) definiert.
Geringe Farbabweichungen haben schon immer Probleme bereitet. Mit einem Farbmessgerät
jedoch lassen sich auch kleinste Farbdifferenzen in Zahlen ausdrücken und anschaulich
machen.
2.4 CRI (Color Rendering Index)
Die Farbe eines Gegenstandes ändert je nach verwendeter Lichtquelle (Leuchtstofflampe,
Glühlampe, Tageslicht, etc.). „Color Rendering“ ist ein Maß dafür, inwieweit die Lichtquelle die
Farbe eines Gegenstandes beeinflusst. Als Referenz werden dazu bestimmte Lichtquellen und
Farben definiert:
Referenzlichtquelle: a) < 5000 K … Planckscher Strahler
b) > 5000 K … CIE daylight
(Die Temperaturfarbe wird auf die der zu prüfenden Lichtquelle
abgestimmt).
Referenzfarben: CIE hat 14 Farben (R1 bis R14) für Vergleichszwecke definiert (CIE 1964
U*V*W und CIE 13.3 (1995) [2]).
Der CRI gibt nun an, wie genau die Farbe eines Gegenstandes (Referenzfarbe) im Vergleich
zur Referenzlichtquelle wiedergegeben wird, wenn er mit der Prüflichtquelle (z.B. LED) bestrahlt
wird. Ein CRI-Wert von 100 bedeutet, dass die zu prüfende Lichtquelle dieselbe Farbe
produziert wie die Referenzlichtquelle.
Es sind zwei Arten von CRI definiert:
1) General CRI (Ra): gibt den Mittelwert von R1 bis R8 an.
8
Ra 1
8
R
i1
i
2) Special CRI (Ri): gibt den jeweiligen Wert der 14 Farben an.
Ri = 100 – 4,6Ei
Ei … Differenz der Farberscheinung (inklusive Von Kries-Korrektur)
Probleme
Das CRI-System hat jedoch gewisse Nachteile, besonders wenn es auf LEDs angewandt wird.
Der vereinheitlichte Farbraum ist veraltet und wird nicht mehr empfohlen (speziell im
roten Bereich). CIE empfiehlt zur Zeit CIE 1976 L*a*b* (CIELAB) and CIE 1976 L*u*v*
(CIELUV) [3] zur Prüfung von Farbunterschieden.
Überdies ist die Von Kries-Korrektur zur chromatischen Adaption weniger genau als
andere bereits verfügbare Modelle wie z.B. CMCCAT2000 (the Colour Measurement
Committee’s chromatic adaptation transform) and the CIE CAT02 (the CIE’s chromatic
adaptation transform) [4].
12SAFE-LED AUVA
3 LED-EIGENSCHAFTEN
3.1 Lebensdauer und Alterung
Als Lebensdauer einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute auf die Hälfte
des Anfangswertes abgesunken ist. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen
aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom Halbleitermaterial
(Degradationsverhalten) und den Betriebsbedingungen v.a. Wärme und Strom ab. Die
angegebene Lebensdauer reicht von einigen tausend Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu
über 100.000 Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs.
Hohe Temperaturen (bedingt durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer von LEDs
drastisch. Auch die Umgebungstemperatur beeinflusst die Lebensdauer – z.B. Bestrahlung von
Verkehrsampeln durch die Sonne. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale
Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei
15.000 bis 30.000 Stunden liegt. Auch im Handel erhältliche LED-Leuchtmittel in
Glühlampenform sollen bereits über 10.000 Stunden Lebenszeit erreichen.
Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung von Fehlstellen im Kristall durch
thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche können nicht mehr für die Lichterzeugung
genutzt werden; es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und
Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht
mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird
deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt,
wodurch eine Lebensdauer von 100.000 Stunden erzielt wird, was etwa 11,5 Jahren
Dauerbetrieb entspricht.
3.2 Farben und Technologie
Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können vor allem der
Spektralbereich und die Effizienz beeinflusst werden:
Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) – rot (z. B. 665 nm) und infrarot (bis 1000 nm)
Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) – rot,
orange und gelb
Galliumphosphid (GaP) – grün
Siliciumcarbid (SiC) – erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz
Zinkselenid (ZnSe) – blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte
Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) – Ultraviolett, Violett, blau und grün
Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen Fluoreszenz-
Schicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt „Weißes Licht“)
Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt. Die
Halbleiter werden zum Schutz in transparenten Kunststoff eingegossen.
3.2.1 Weißes Licht
Um weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz.
1) Es werden drei (bzw. zwei) Leuchtdioden mit den Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB)
zusammengeschaltet. Das kann über
a) drei separate LEDs
b) drei LED-Chips in einem Gehäuse
c) zwei LEDS mit Komplementärfarben (z.B. Blau und Gelb)
erfolgen. Um weißes Licht zu generieren muss das Verhältnis der Lichtstärke der drei
Grundfarben folgendem Verhältnis entsprechen: R:G:B = 3:7:1
Wichtigste Grundlage in der heutigen visuellen Optoelektronik bildet die Verfügbarkeit der drei
Primärfarben rot, grün und blau mit gleichen Parametern in Lichtstärke Iv und Abstrahlwinkel v,
13SAFE-LED AUVA
womit optimale additive Farbmischungen (und daher viele verschiedene Farbtöne) ermöglicht
werden.
2) Es werden Fluoreszenzfarbstoffe (Phosphore) verwendet. Dabei wird – ähnlich wie bei der
Leuchtstoffröhre - hochenergetisches Licht (UV-Licht, blaues Licht) in sichtbares Licht
umgewandelt. Auch hierfür gibt es prinzipiell zwei Methoden.
a) Anregung dreier (geeigneter) Farbstoffe durch eine UV-LED.
b) Blaue LED + Anregung von zwei Farbstoffen (gelb+rot oder grün+rot)
c) Anregung einer einzigen Substanz durch eine blaue LED.
Konvertierungsmaterialien [5]
i) Anorganische Leuchtstoffe
Mikroskalige Pulver ((Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce / (Ca,Sr,Ba)2SiO4:Eu / (Ca,Sr)S:Eu /
Sr2Si5N8:Eu)
Nanoskalige Pulver ((Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce)
Quantum Dots ((Zn(S, Se) / (In, Ga)P)
ii) Organische Leuchtstoffe
Polykondensierte Aromate (Perylene, Coumarine)
Metallkomplexe (Ln3+-Komplexe, Ln = Tm, Tb, Eu / Ru- und Ir-Komplexe)
Da die Verwendung mehrerer Farbstoffe einerseits teuer ist, andererseits diese Methode
geringe Lichtausbeute liefert, wird meist eine blaue Leuchtdiode in Kombination mit einer
darüberliegenden gelblich fluoreszierenden Schicht (Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat-
Pulver) verwendet. Zudem haben blaue LEDs einen mehr als doppelt so hohen Wirkungsgrad
als UV-LEDs.
Da die spektrale Qualität der weißen LED durch die Art der Farbbeschichtung bestimmt wird,
erscheinen diese LED zumeist bläulich (hohe Farbtemperatur). Für „warmweiße“ LEDs sind
trichromatische Ausführungen notwendig.
a) b)
Abb. 4: Methoden zur Erzeugung von weißem Licht (aus [6]). a) RGB-LED (trichromatische
Ausführung) b) Konvertierung mit einer einzigen Substanz.
Eine Farbtemperatur unter 3.300 K bezeichnet man gemäß DIN 5033 als „warmweiß“, eine
Farbtemperatur von 3.300 K bis 5.000 K entspricht „neutralweiß“ und über 5.000 K wird als
„tageslichtweiß“ („kaltweiß“) bezeichnet – s.Abb. 16. Die CIE Publikation No. 29.2 legt etwas
andere Grenzen fest: warmweiß T < 3300 K, mittelweiß 3300 K T 5300 K und kaltweiß T >
5300 K.
Hocheffiziente LED-Leuchtstoffe sind eine Schlüsselkomponente, um LED-Weißlichtquellen
zum Durchbruch in der Allgemeinbeleuchtung zu verhelfen.
14SAFE-LED AUVA
3.3 Lichtstärkeverteilung
3.3.1 Modellierung der Lichtstärkeverteilung einer LED
Die Lichtstärke Iv ist der meist gemessene photometrische Parameter einer LED. Ein
wesentliches Charakteristikum ist dabei die räumliche Verteilung der Lichtstärke. Ausgehend
von einer idealisierten rotationssymmetrischen Punktquelle mit nur einem Maximum I0 in der
Strahlachse kann die Winkelverteilung der Lichtstärke mit
Iv () = I0 cos()g-1
angenähert werden, wobei Anpassungsparameter g 1 sein muss. Je größer g gewählt wird,
desto schmäler wird die modellierte „Lichtkeule“. Abb. 5b zeigt die winkelabhängige
Lichtstärkeverteilung in kartesischen Koordinaten für g = 1,5 bis 50. Eine bessere Vorstellung
dieser Verteilung erzielt man durch die Darstellung in Polarkoordinaten – s. Abb. 5a. Mit Hilfe
des Parameters g lassen sich verschiedene Lichtverteilungen modellieren:
g = 1 ... isotroper Strahler
g = 2 ... Lambert-Strahler, offene LED
g > 30 ... LEDs mit Kunststoffkapsel
Um den Parameter g einer vorgegebenen Verteilung anzupassen, muss noch eine zweite
Größe angegeben sein: der Winkel ½, bei dem die Lichtstärke nur mehr 50% von I0 beträgt.
Setzt man diesen Wert in Gleichung 1 ein, dann erhält man nach Umformung
log(0,5)
g 1
log(cos(1/ 2 ))
Eine zweite übliche Verteilung ist die sogenannte Batwing-Verteilung, die sich durch ein
ringförmiges Maximum auszeichnet, wodurch im Querschnitt zwei Maxima aufscheinen. Diese
Verteilung kann durch die Formel
Iv() = I0{(0,5 + a)cos()g1-1 + (0,5 - a)cos()g2-1}
dargestellt werden. Die Parameter a, g1 und g2 sind entsprechend der gewünschten Form
anzupassen. Zwei Beispiele dazu sind in Abb. 6 zu sehen.
90 75 1
60
45 g=1,5
g=1,5
0.8
30
g=2
g=10 15 g=2
0.6
g=50
0 0
0 0.25 0.5 0.75 1 g=10
0.4
345
330
0.2
315 g=50
300
270 285 0
90 60 30 0 30 60 90
[°]
a) in Polarkoordinaten b) in karthesischen Koordinaten
Abb. 5: „Keulen-Verteilung“: modellierte winkelabhängige (rotationssymmetrische) Lichtstärkeverteilung.
15SAFE-LED AUVA
1.2
90
75
60 a=3,5 / g1=12 / g2=1,6
45 a=2,5 / g1=4 / g2=1,6
1
Lambert-Strahler
30
0.8
15
0.6
0
0 0.3 0.6 0.9 1.2
345 0.4
330
0.2
315
300 0
285 90 60 30 0 30 60 90
270
x
[°]
a) in Polarkoordinaten b) in karthesischen Koordinaten
Abb. 6: „Batwing-Verteilung“: modellierte winkelabhängige (rotationssymmetrische)
Lichtstärkeverteilung (zum Vergleich ist der Lambert-Strahler eingezeichnet).
Der Winkel bei der die maximale Strahlleistung abgegeben wird ergibt sich aus
(0,5 a ) (g 2 1)
ln
(0,5 a ) (g1 1)
max a cos exp
g1 g 2
Die Halbwertswinkel ½ kann jedoch nicht mehr analytisch dargestellt und muss nummerisch
ermittelt werden.
3.4 Aufbau von LED-Lichtquellen
austretender Lichtstrahl
c
ne Epoxy-Kapsel
ns
Austrittskegel Aktive Schicht
Absorbierende Schicht
Abb. 7: Mögliche Lichtwege von der aktiven Schicht heraus.
16SAFE-LED AUVA
In diesem Kapitel soll nur kurz auf den Aufbau von LEDs eingegangen werden. Waren früher
LEDs auf die Bauart mit runder Kunststoffkapsel beschränkt – die konventionellen 5 mm oder
3 mm-LEDs – so existiert heute eine Vielzahl an möglichen Bauformen, v.a. wenn es sich um
Hochleistungs-LEDs handelt.
Ziel aller Hersteller ist es, möglichst viel Licht, das in der aktiven Schicht entsteht zu
extrahieren. Nicht jedes erzeugte Photon findet auch seinen Weg nach außen. Der
geometrische Aufbau entscheidet darüber, wie viel von dem generierten Licht tatsächlich nach
außen durch den sogenannten Austrittskegel treten kann. So existieren LEDs mit einem oder
auch mehreren Austrittskegeln. Welchen Winkel c dieser Austrittskegel aufweisen kann, hängt
wiederum vom Brechungsindexunterschied an den einzelnen Grenzschichten ab – s. Abb. 7.
Zuletzt hat auch der Übergang vom Kunststoff zur Umgebungsluft Einfluss auf den
Gesamtwirkungsgrad (s. nächstes Kapitel).
Die meisten Verluste werden durch die Absorption in der aktiven Schicht und im umgebenden
Material (z.B. transparente Fenster Schichten) verursacht. Die Verluste in der aktiven Schicht
hängen von der Wahrscheinlichkeit der Reemission eines Photons ab – absorbierte Photonen
können neuerlich als Photon emittiert werden und bekommen eine neue Chance, den
Austrittskegel zu finden. Wenn die interne Quantenausbeute hoch ist, dann wird ein Photon
unter Umständen mehrmals „wieder verwendet“ bis es durch den Austrittskegel austritt.
Die Lichtextraktion hängt somit sowohl vom Material (z.B. Serienwiderstand) als auch von der
Geometrie des Halbleiteraufbaus (z.B. Anzahl der Austrittskegel) ab.
3.5 Wirkungsgrad und Lichtausbeute
3.5.1 Wirkungsgrad e (engl. optical efficiency)
Unter „Wirkungsgrad“ versteht man das Verhältnis von abgestrahlter Lichtleistung e zur
aufgenommenen elektrischen Leistung P. Während eine normale Glühlampe einen
Wirkungsgrad von 3-4% oder eine Halogenlampe von 7% haben, wird bei LEDs ein
Wirkungsgrad von ca. 25% erreicht. Der Wirkungsgrad wird mit e gekennzeichnet.
e = e / P (wird auch als „wall-plug“ Effizienz wp bezeichnet).
e = wp = ext f wp ... „wall-plug“ efficiency (WPE)
f ... feeding efficiency
ext ...external quantum efficiency (EQE)
f … (mittlere Photonenenergie) / (Gesamtenergie eines Elektron-Loch-Paares)
f = h./(q.VF) q … Elementarladung (1,602210-19 C)
VF … Vorwärtsspannung
ext ... (Photonenanzahl, die die LED verlassen) / (Elektronenanzahl, die die LED passieren)
ext ist abhängig von der Stromdichte (A/cm²)
ext = inj rad opt inj … injection efficiency
rad ... internal quantum efficiency (IQE) or (radiative
efficiency)
opt optical efficiency (light-extraction)
Elektronenanzahl in der aktiven Zone
inj =
Elektronenanzahl, die die LED passieren
Photonenanzahl, die in der aktiven Schicht generiert werden
rad =
Elektronenanzahl in der aktiven Zone
17SAFE-LED AUVA
Photonenanzahl, die die LED verlassen
opt =
Photonenanzahl, die in der aktiven Schicht generiert werden
auch ext bezeichnet (Index „ext“ für „extraction“; nicht verwechseln mit external quantum efficiency!)
3.5.2 Lichtausbeute (engl. Luminous efficiency) v
Die photometrische „Lichtausbeute“ v ist ein Maß für die Umwandlung elektrischer Leistung P
in Lichtleistung v und wird in lm/W angegeben. Die physikalische Grenze der Lichtausbeute
liegt bei 683 lm/W bei einer Wellenlänge von 555 nm. Für weißes (tageslichtähnliche) Licht ist
hingegen nur 225 lm/W möglich. Bei einem thermischen Strahler wird das theoretische
Maximum von etwa 95 lm/W bei 6600 K erreicht.
v = v / P e K() [lm/W] (daraus folgt K()=v / e das photometrische
Strahlungsäquivalent; siehe Kapitel 4.3).
Beispiele:
Glühlampe ca. 15 lm/W
Halogenlampe ca. 35 lm/W
Leuchtstoffröhre ca. 60 lm/W
weiße LED (Labor) ca. 140 lm/W
weiße LED (kommerziell) ca. 100 lm/W
Natriumdampf-Niederdrucklampen ca. 200 lm/W
3.6 Vergleich Konventionelle „5-mm“ LEDs und „Power“-LEDs
5-mm LEDs sind limitiert durch [Quelle: Lumileds]
Hohen thermischen Widerstand (> 120 K/W)
Epoxy-Kapsel verträgt nicht mehr ca. 120°C
Anschlussleistung < 0,1 W
Geringe Lichtausbeute
Power-LEDs
Hohen thermischen Widerstand (2 - 12 K/W)
Temperatur im Inneren 120 – 200°C
Anschlussleistung 1-5 W
Hohe Lichtausbeute
18SAFE-LED AUVA
4 LICHTTECHNISCHE GRÖßEN
4.1 Raumwinkel
So wie der ebene Winkel über das Verhältnis von der Länge einer Strecke zur Entfernung zu
dieser Strecke definierbar ist, beschreibt der Raumwinkel das Verhältnis einer Fläche zum
Abstand zum Quadrat. Der Raumwinkel ist demnach definiert als Verhältnis einer Fläche A
auf einer Kugel zum Quadrat des Kugelradius r, wobei sich die Fläche A aus der Projektion
einer beliebigen Fläche S auf die Oberfläche dieser Kugel ergibt 1.
Der differentielle Raumwinkel d eines allgemeinen Flächenstücks dA ergibt
A
sich zu d = dA.cos/r², falls die Flächennormale mit der Verbindungsgeraden r
r2 den Winkel einschließt.
Die Einheit für den Raumwinkel wird im SI-System Steradiant genannt, abgekürzt mit „sr“.
Gemäß obiger Gleichung ist er eine abgeleitete Einheit: 1 sr = 1 m²/m².
Ein Raumwinkel von 1 sr umfasst auf der Oberfläche einer Kugel mit 1 m Radius eine
Kugelfläche von 1 m². Wird der Raumwinkel von einem rotationssymmetrischen Konus und
einer Kalotte gebildet, dann lässt sich der Raumwinkel aus dem ebenen Winkel des Konus
ableiten. Diese Umwandlung ist von praktischer Bedeutung, da meist von einer kreisrunden
Messblende auf den korrespondierenden Raumwinkel geschlossen werden muss.
Die differentiell kleine Fläche dA ergibt sich zu
dA = (rsindrd
dA (r sin d) (r d)
d 2
r·d r r2
d sin d d
2
d rsind sin d d
0 0
d
r 2 (1 cos ) 4 sin2 ( )
2
Abb. 8: Ableitung des Raumwinkels aus dem ebenen Winkel .
Neben kreisrunden Blenden werden auch rechteckige Blenden in der Praxis angewandt. Auch
für rechteckige Flächen (ab) lässt sich ein entsprechender Raumwinkel ab ableiten:
z dA cos dx dy
h
mit cos
h
x y 2 h2
2
ab
h
ab r
0 0
2
cos dx dy
a b
4A r ab arcsin
a 2 h2 b h2
2
a b
A
y Für die 4-fache Fläche 4A ergibt
sich entsprechend der 4-fache
x Raumwinkel = 4ab.
d
d
Abb. 9: Ableitung des Raumwinkels für ein Rechteck 2 [7].
1
In 3D kann der Raumwinkel als Verallgemeinerung des Bogenmaßes = Bogenlänge/Radius (2D) angesehen werden.
2
Ein effizienter Algorithmus zur Berechnung des Raumwinkels eines allgemeinen Dreiecks mit Vektoren R1, R2 und R3 - betrachtet
vom Ursprung - wurde von Van Oosterom und A. Strackee entwickelt.
19SAFE-LED AUVA
4.2 Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V()
Der spektrale Hellempfindlichkeitsgrad ist ein Maß für die Empfindlichkeit des menschlichen
Auges in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Diese physiologisch bedingte
Empfindlichkeitskurve wurde empirisch gefunden und von der CIE (im Jahr 1924 erarbeitet [8])
als V()-Kurve für den 2°-Beobachter 3 für das helladaptierte Auge genormt (Tag-Sehen;
photopisches Sehen).
Die V()-Kurve ist im Wellenlängenbereich 380 – 780 nm definiert. Das Maximum der V()-
Kurve liegt bei etwa 555 nm, Links und rechts des Maximums fällt die Kurve bei 400 nm bzw.
bei ca. 750 nm nahezu auf den Wert Null ab.
Die Empfindlichkeitskurve für das dunkeladaptierte Auge (Nacht-Sehen; skotopisches Sehen)
wurde erst im Jahr 1951 V’()-Kurve von CIE veröffentlicht [9]. Die V’()-Kurve ist gegenüber
der V()-Kurve um etwa 50 nm in Richtung blauer Spektralbereich verschoben, das Maximum
liegt bei etwa 507 nm.
1,0
0,9
VFe(
0,8 V’(
V( ), V'( ), VM( ), VFe( )
0,7
0,6 V()
0,5
0,4
0,3 VM()
0,2
0,1
0,0
380 430 480 530 580 630 680 730 780
Wellenlänge [nm]
Abb. 10: V()-Funktion und andere Empfindlichkeitskurven.
Die V()-Funktion ist eine Mittelwertsfunktion, wobei die Streuungen im blauen Bereich
erheblich sind. Nach neueren Messungen sind die Werte im blauen Bereich um einen Faktor 2-
3 zu gering [10]. Überdies ist altersbedingte Abnahme der Empfindlichkeit im blauen Bereich
nicht berücksichtigt. (Die Versuche wurden großteils mit jungen Versuchpersonen
durchgeführt).
Auch die Größe des Sehwinkels beeinflusst die Wahrnehmung, da sich das Verhältnis von
bestrahlten Zapfen zu Stäbchen ändert. Für ein 10°-Feld wurde daher in Ergänzung von der
CIE die V10()-Kurve definiert [11], die im Blaubereich höhere Werte aufweist als V(). Im laufe
der Zeit hat es mehrere Verbesserungsvorschläge hinsichtlich Augensensitivität gegeben,
wovon nur zwei genannt werden sollen: VM() gemäß Judd-Vos (1951 Judd [12], 1978 Vos [13])
und VFe() gemäß Stockman and Sharpe 1999 bzw. 2000 ([14], [15]).
Trotz dieser Einwände wird V() weiterhin als Basisfunktion in der Photometrie verwendet.
3
Der Beobachter hat ein Sichtfeld (FOV – field of view) von 2°.
20SAFE-LED AUVA
4.3 Photometrische und radiometrische Größen
4.3.1 Definition der photometrischen Größen
Lichtstärke - Maßeinheit Candela (cd)
Aus messtechnischen Gründen ist als Basisgröße der photometrischen Größen die Lichtstärke
Iv gewählt worden. die zugehörige SI-Basiseinheit ist die Candela.
Die Definition für die Einheit der Lichtstärke hat sich im Laufe der Zeit mehrfach geändert. Bis
1948 bezog man sich auf die sogenannte Hefner-Kerze. Da diese Festlegung jedoch von den
Materialeigenschaften abhängt, wurde die nächste Definition auf einem fundamentalen
Naturgesetz aufgesetzt, wozu die Strahlung eines schwarzen Strahlers als Normallichtquelle
verwendet wurde.
Aufgrund der Schwierigkeiten einen Planckschen Strahler für hohe Temperaturen zu
realisieren, erfolgte 1979 bei der 16. General Conference on Weights and Measures (CGPM)
wieder eine Neudefinition der Maßeinheit Candela:
„Ein Candela (cd) ist die Lichtstärke (Lichtstromdichte) in eine gegebene Richtung, die
monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hertz (entspricht ca. 555 nm), mit
einer Leistung in diese Richtung von 1/683 Watt pro Steradiant aussendet.“
Der scheinbar willkürliche Wert von 1/683 wurde so gewählt, damit die Neudefinition mit der
alten Definition 4 übereinstimmt. Obwohl die Einheit Candela teilweise im Sinne von Watt
definiert ist, wobei Watt bereits eine abgeleitete Einheit im SI-Maßsystem darstellt, wurde das
Maß Candela per Definition als Basiseinheit im SI-Maßsystem übernommen.
Aufgrund dieser Definition ist der Maximalwert des photometrischen Strahlungsäquivalents für
das Tagsehen mit Km = 683 cdsrW-1 (= 683 lm/W) festgelegt.
Beispiele
100 W Glühlampe: 1,1 cd
100 W Scheinwerfer bis 106 cd in Strahlrichtung [6]
Signal-LED (10 mA) 1- 300 mcd
weiße LED (30 mA) 5 cd
Da die Lichtstärke (Intensität) vom Abstrahlwinkel abhängt, hat ein LED-Chip mit einem 30°-
Reflektor eine höhere Lichtstärke als derselbe LED-Chip mit einem 60°-Reflektor (Lichtstrom ist
in beiden Fällen gleich groß).
Lichtstrom - Maßeinheit Lumen (lm)
Auch das Lumen (lm) ist eine SI-Einheit mit deren Hilfe man den Lichtstrom v einer Lichtquelle
misst. Das ist die gesamte sichtbare Strahlung, die von der Lichtquelle ausgesandt wird. Der
Lichtstrom ist die durch das menschliche Auge bewertete Strahlungsleistung.
1 lm = 1 cd.sr
Aufgrund des Zusammenhangs dv = Ivdwird für die Strahlungsäquivalente Km und Km'
die prägnantere Einheit lm/W verwendet.
Das Lumen entspricht somit der Strahlungsleistung mit 1/683 Watt bei einer
monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 THz. (Diese 540 THz entsprechen genau
genommen 555,016 nm in der Luft. Der Wert von V() ist 0,999997 bei 555,016 nm, sodass
683/0,999997 = 683,002 der exakte Multiplikator wäre).
4
Alte Definition: 60 Candela ist die Lichtstärke der 1 cm² großen Öffnung in Normalrichtung eines schwarzen Strahlers mit einer
Temperatur von 2045 Kelvin (Schmelztemperatur von Platin) bei einem Druck von 11013,25 hPa. Der Maximalwert von Km ergab
sich allerdings zu 673 lm/W.
21SAFE-LED AUVA
Beispiel
Strahlt eine Lichtquelle mit einem Candela isotrop in den Raum, also 1 lm pro sr, dann
ergibt sich der Lichtstrom durch das Integral der Lichtstärke über den gesamten Raum zu
lm
v = 1 cd 4π sr = 1 4π sr 12,6 lm
sr
Beleuchtungsstärke – Maßeinheit (lx)
Die Beleuchtungsstärke ist das Verhältnis von auftreffendem Lichtstrom zur bestrahlten Fläche
und daher eine Empfängergröße. Wenn 1 lm gleichmäßig auf eine 1 m² große Fläche trifft, dann
ist die Beleuchtungsstärke 1 Lux (lx).
Beispiele
Sonnenschein (mittags) bis 100000 lx
Büroarbeitsplatz 500 lx
klare Vollmondnacht 0,2 lx
Leuchtdichte – Maßeinheit (cd/m²)
Die Leuchtdichte ist das Maß für die „gesehene Helligkeit“, also für die Lichtstärke pro
leuchtende Fläche 5 (das menschliche Auge empfindet Leuchtdichteunterschiede als
Helligkeitsunterschiede).
Beispiel: Helligkeit der Wahrnehmung [16]
skotopisches Sehen (reines Nachtsehen): 3 µcd/m² bis 3-30 mcd/m²
mesopisches Sehen: 3-30 mcd/m² bis 3-30 cd/m²
photopisches Sehen (reines Tagsehen): über 3-30 cd/m²
Zapfensättigung: ab 100.000-1.000.000 cd/m²
Demnach ist die Leuchtdichte eine von der Entfernung unabhängige Strahlergröße mit der
Einheit cd/m². Eine Lichtquelle mit einer vorgegebenen Lichtstärke erscheint umso heller, je
kleiner ihre Fläche ist.
Beispiel: Leuchtdichte (gerundet) einiger Quellen [17]
Sonne 109 cd/m²
100 W Glühbirne (klar) 107 cd/m²
100 W Glühbirne (matt) 106 cd/m²
Leuchtstofflampe 104 cd/m²
weiße LED 103 cd/m²
grüne LED 30 cd/m²
Tabelle 3: Photometrische Größen. (Anmerkung: Index 1: Sender; Index 2: Empfänger)
Größe Zeichen Einheit Definition Erläuterung
Auch Strahlungsfluss. Ist die
Lichtstrom
(luminous flux)
v lm
v K m e V( ) d *) V()-bewertete gesamte
Strahlungsleistung.
Richtungsunabhängig.
Verhältnis aus abgestrahltem
Lichtstärke cd d v,12 Licht-strom in eine Richtung
Iv Iv zum dazu-gehörigen
(luminous intensity) lm/sr d 2
durchstrahlten Raumwinkel.
Beleuchtungsstärke lx d v,12 Empfängergröße. Verhältnis
Ev 2 Ev von auffallendem Lichtstrom zur
(illuminance) lm/m dA 2 bestrahlten Fläche.
2
cd/m d2 v,12
Gesehene Helligkeit, vom
Leuchtdichte Abstand unabhängig.
Lv lx/sr Lv Kann nicht durch optische
(luminance) dA1 cos(1 ) d2
lm/m2sr Elemente verändert werden.
)
* e = de/d…spektrale Strahlungsleistung
5
Das von der Fläche ausgehende Licht kann durch Reflexion, Transmission und/oder Emission stammen.
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