Querschnitt 21 / Februar 2007 - h_da: Hochschule Darmstadt

Querschnitt 21
Abbildung 2 • Satellitenaufnahme von europa bei Nacht (www.nasa.org)
Neben der klassischen Glühbirne, die sich auch heute noch
großer Beliebtheit erfreut, stehen inzwischen weitere elektrische
Leuchtmittel zur Verfügung: Leuchtstofflampen und
-röhren, Gasentladungslampen, LeDs und (als ein zukünftiges
Leuchtmittel) OLeDs (dabei steht das„O“ für organisch, Abbildung
1).
Laser können hingegen als Lichtquelle aufgrund des so genannten
„Speckle-effekts“ nur sehr eingeschränkt im Alltag
eingesetzt werden.
Die entwicklung des weltweiten Marktvolumens für Beleuchtungseinrichtungen
beläuft sich auf 30 Mrd uS$ in 2000, 63
Mrd uS$ in 2004 und prognostizierte 85 Mrd uS$ in 2008 (www.
freedoniagroup.com/World-Lighting-Fixtures.html).
Die Anforderungen an heutige moderne Beleuchtungseinrichtungen
sind:
1 • Optimale, d. h. der menschlichen Wahrnehmung ange-
passte, Ausleuchtung der zu betrachtenden Szene.
• Der menschlichen Wahrnehmung (und der jeweiligen
Stimmung) angepasste Farbe und ein hoher Farbwieder-
gabe-Index. Dies ist ein Maß für die Vergleichbarkeit
mit dem Farbspektrum der Sonne.
• Kompakte, leichte und ästhetisch ansprechende Bauweise
der Leuchte.
• Den entsprechenden lokalen Gegebenheiten angepasste
Stromversorgung (z. B. AC 230 V, max. 100 Watt/Leucht-
mitteleinheit in europa).
100
5 • energiesparende eigenschaften, d. h. hohe effizienz bei
der umwandlung von elektrischer Leistung in Lichtstrom.
Letztere Kennzahl wird in „lm/Watt“ gemessen. Die physikalische
Größe Lichtstrom, welche in Lumen (lm) gemessen wird,
gibt im Wesentlichen die gesamte von der Lampe abgestrahlte
Lichtmenge an, die pro Zeit erzeugt wird. Die folgende Tabelle
stellt für verschiedene Leuchtmittel die effizienzwerte zusammen.
typische effizienzwerte verschiedener leuchtmittel
leuchtmittel lm/Watt
Kerze 0.1
Öllampe 0.2
Glühlampe 13 – 15
Halogenglühlampe 28
energiesparlampe 40 – 80
Leuchtstofflampe 80 – 110
Xe-Gasentladungslampe 90
Leuchtdiode weiß 35
In der technischen Beleuchtungstechnik unterscheidet man
begrifflich zwischen dem „Leuchtmittel“ (z. B. Glühbirne, Leuchtstoffröhre,
LeD) und der Leuchte (auch Lampe genannt), welche
aus dem Leuchtmittel, den reflektoren und anderen
optischen Bauteilen besteht. Abbildung 3 skizziert dies am Beispiel
eines Kfz-Scheinwerfers.
kompetenz lichttechnik und Beleuchtungstechnik an der h_da
2 • lichtmesstechnik
Die Lichtmesstechnik unterstützt die entwicklung und den Betrieb
von heutigen Leuchtmitteln und Leuchten. Dabei ergeben
sich folgende Teilaufgaben:
1 • Die optische Vermessung der räumlichen Lichtverteilung
einer Leuchte und Vergleich mit nationalen und inter-
nationalen Normen.
• Die physikalische Vermessung der Farbe und des Farb-
wiedergabeindex des Leuchtmittels und Vergleich
mit nationalen und internationalen Normen.
• Die thermische Vermessung der Leuchte, d. h. die
Bestimmung der lokalen Wärmeentwicklung
• Die Vermessung der elektrischen Leistungsaufnahme
und die Bestimmung der Wandlungseffizienz elektrisch-
optisch.
5 • Die Bestimmung des Alterungsverhaltens anhand von
Langzeitmessungen.
• Die Bestimmung des physiologischen einflusses der
Leuchte auf Probanden (Wohlbefinden, Aufmerksamkeit,
reaktionszeiten).
An der h_da ist im Studiengang Optotechnik und Bildverarbeitung
(Fachbereich MN) die Kompetenz Lichttechnik durch den
Aufbau und die Inbetriebnahme des Lichtlabors im Keller des
Hochhauses weiter ausgebaut worden. Auf ca. 100 m 2 werden
verschiedene lichttechnische Messapparaturen betrieben (Abbildung
4).
goniophotometer
Als „Arbeitspferde“ der Lichtmesstechnik dienen so genannte
Goniophotometer. Abbildung 5 skizziert hierzu den Aufbau.
Das Leuchtmittel bzw. die Leuchte wird dabei auf einer Plattform
befestigt, welche (durch Schrittmotoren angetrieben) um
die horizontale und vertikale Achse gedreht werden kann. In
einer definierten entfernung befindet sich ein Photodetektor.
Durch computergesteuerte Drehung der Leuchte um die beiden
rotationsachsen kann die komplette winkelabhängige
Lichtstärkeverteilung der Leuchte aufgenommen werden. Im
Hintergrund von Abbildung 4 sieht man beispielsweise die
Lichtverteilung eines Kfz-Scheinwerfers. Hier soll nach der
entsprechenden Prüfnorm die entfernung zwischen Goniometer
und Photodetektor 25 m betragen. Das Lichtlabor der h_da
ist daher mit einer 25 m langen, komplett abgedunkelten und
geschwärzten Lichtmessstrecke ausgerüstet, in der diese untersuchungen
durchgeführt werden können.
orBEna-Fernfeldmessplatz
Neben den sequentiell (scannend) messenden Goniophotometern
gibt es an der h_da auch ein parallel (zeitgleich) messendes
System zur Bestimmung der Lichtstärkeverteilung von
Leuchten (Abbildung 6). Die Messstrecke, d. h. der Abstand der
Leuchte zum Detektor, beträgt hierbei nur etwa 1.5 m. Mit optischen
Hilfsmitteln wird innerhalb dieser kurzen Strecke die
Fernfeldverteilung (d. h. in großen entfernungen) der Lichtstärke
erzeugt und detektiert. Mit diesem Gerät können Verteilungen
innerhalb eines vollen Öffnungswinkels von ca. 40° mit
einer einzigen sekundenschnellen Messung aufgenommen
werden. Der besondere Vorteil des Systems gegenüber Goniophotometern
ist die kurze Messdauer und somit die Möglichkeit,
das Zeitverhalten (Aufwärmverhalten etc.) von Lichtquellen
vermessen zu können. Auch für Blitzlampen bietet sich das
FAchbereich mAthemAtik und nAturwissenschAFten
System an, da ein einziger Blitz zur Messung ausreicht, während
beim Photogoniometer bei jeder angefahrenen Winkeleinstellung
geblitzt werden muss.
Farbmeßgeräte
Als Detektoren in Photogoniometern können spezielle Farbmessgeräte
und Spektralradiometer eingesetzt werden. Diese
Instrumente nehmen neben der Gesamt-Lichtstärke auch die
spektrale Verteilung des Lichts auf. Hieraus können dann die
Farbe und der Farbwiedergabeindex bestimmt werden. Abbildung
7 zeigt beispielsweise das Farbspektrum einer weißen
LeD.
Effizienzmessung
Jede zu untersuchende Beleuchtungseinrichtung wird durch
einen zugehörigen elektrischen Treiber (z. B. Netzteil, aber
auch intelligente Geräte) mit Strom versorgt. Aus der Leistungsanalyse
dieser Treiber kann die mittlere elektrische Leistungsaufnahme
durch das Leuchtmittel bestimmt werden und
mit dem gesamten abgestrahlten Lichtstrom verglichen werden.
Für letzte Größe wird in der regel eine so genannte ulbricht-Kugel
verwendet, welche die gesamte Abstrahlung der
Leuchte aufnimmt und einem Photodetektor zuführt. es ergibt
sich für die Leuchte die effizienz-Kennzahl in lm/Watt (siehe
Tabelle auf S. 100).
3 • simulationswerkzeuge
Das Design und die entwicklung von neuen Leuchtmitteln und
Leuchten wird heutzutage entscheidend durch computerbasierte
numerische Simulationen unterstützt. Dazu wird im
PC zunächst ein geometrisch-optisches Modell der Leuchte
erzeugt (Abbildung 8a). Danach werden Strahlen von den Licht
emittierenden Flächen (z. B. Glühwendel-Oberfläche) nach den
Gesetzen der Optik (reflexion, Brechung…) durch die Leuch te
verfolgt. Diesen Prozess nennt man „raytracing“ (Abbildung
8b). Trifft ein Strahl auf eine absorbierende Fläche (z. B. einen
Detektor-Schirm vor der Leuchte), so stoppt die Verfolgung
für diesen Strahl und die Beleuchtungsstärke an dieser
Detektorstelle wird um den durch den Strahl transportierten
Lichtstrom erhöht. Nach dem „Tracen“ von typischerweise 100
Tsd. bis 10 Mio. Strahlen lässt sich aus den gewonnenen Daten
die räumliche Lichtabstrahlung der Leuchten bestimmen (Abbildung
8c) und z. B. mit experimentellen Werten (an realen
Leuchten) vergleichen (Abbildung 4).
Die Vorteile der numerischen Simulation liegen darin, dass bei
der Vorentwicklung von Leuchten neue Designkonzepte auch
ohne die Herstellung von Prototypen überprüft werden können.
Des Weiteren lässt sich diese Technik auch sehr gut zur
schnellen und kostensparenden Optimierung von bestehenden
und neuen Leuchten einsetzen. An der h_da werden als Simulationsplattformen
für das Leuchtendesign die kommerziellen
Software-Pakete ASAP und ZeMAX eingesetzt.
Ist das Lichtabstrahlverhalten der neuen Leuchte berechnet
(bzw. durch Messungen bekannt), kann diese im PC eine virtuelle
umwelt-Szenerie beleuchten. Numerisch wird die Ausleuchtung
der Szene durch raytracing berechnet und dargestellt.
Auf diese Weise lassen sich erste eindrücke über die
lichttechnische Funktionalität der Leuchten in Standard-Situationen
erhalten. Abbildung 9 zeigt dies an einem Beispiel. An
der h_da wird für diese Berechnungen das kommerzielle Programmpaket
DIALuX verwendet.
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