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Copyright by ~Gesus~ Stand: 30.01.2006 1/22 Einführung in die Lichttechnik Auge & Sehen: Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad: Sichtbarer spektralbereich: 380-780nm photopisches Sehen (Tagessehen) ( ) V λ (max. bei 555nm) skotopisches Sehen (Nachtsehen) ( ) ' V λ (max. bei 507nm) Aufbau des Auges, Regelungsvorgänge: Stäbchen ( 6 120 10 ) Nachtsehen (kein Farbensehen, sehr lichtempfindlich, mehrere an einem Nerv, nur außerhalb der Netzhautgruppe) Zapfen ( 6 6 10 ) Tagessehen (unterscheiden Farben, zentral angeordnet, einzeln an Nerv, großes Auflösungsvermögen) Regelungsvorgänge: Akkomodation: Scharfeinstellen des Bildes auf der Netzhaut mit dem Ringmuskel und der Linse Adaption: Anpassung an Helligkeit (Lidschlag, Pupillenöffnung, Verschiebung des Gleichgewichts der Sehpurpurbildung und –zerstörung) Strahlung als Licht: Blendung: Zu hohe Leuchtdichten führen zu physiologischer Blendung. Absolutblendung ( 4 2 10 / a L cd m > ) Relativblendung ( 4 2 10 / a L cd m < ) Direktblendung (Blendquelle leuchtet direkt in die Augen) Indirekt-/Reflexblendung (Blendquelle leuchtet durch Spiegelung in die Augen) c λ ν = ( ) ( ) : spektrale Strahldichte : spektrale Leuchtdichte e L L λ λ ( ) ( ) ( ) m e L K L V d λ λ λ λ λ =

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Einführung in die Lichttechnik Auge & Sehen: Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad: Sichtbarer spektralbereich: 380-780nm photopisches Sehen (Tagessehen) ( )V λ (max. bei 555nm)

skotopisches Sehen (Nachtsehen) ( )'V λ (max. bei 507nm) Aufbau des Auges, Regelungsvorgänge:

• Stäbchen ( 6120 10⋅ ) Nachtsehen (kein Farbensehen, sehr lichtempfindlich, mehrere an einem Nerv, nur außerhalb der Netzhautgruppe)

• Zapfen ( 66 10⋅ ) Tagessehen (unterscheiden Farben, zentral angeordnet, einzeln an Nerv, großes Auflösungsvermögen)

Regelungsvorgänge:

• Akkomodation: Scharfeinstellen des Bildes auf der Netzhaut mit dem Ringmuskel und der Linse

• Adaption: Anpassung an Helligkeit (Lidschlag, Pupillenöffnung, Verschiebung des Gleichgewichts der Sehpurpurbildung und –zerstörung)

Strahlung als Licht: Blendung: Zu hohe Leuchtdichten führen zu physiologischer Blendung.

• Absolutblendung ( 4 210 /aL cd m> ) • Relativblendung ( 4 210 /aL cd m< ) • Direktblendung (Blendquelle leuchtet direkt in die Augen) • Indirekt-/Reflexblendung (Blendquelle leuchtet durch Spiegelung in die Augen)

cλν

=

( )( )

: spektrale Strahldichte

: spektrale LeuchtdichteeL

L

λ

λ( ) ( ) ( )m eL K L V d

λ

λ λ λ λ= ⋅ ⋅∫

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Gesetze der Lichtausbreitung: Photometrische Grenzentfernung: Abstand zwischen Lichtquelle und beleuchtetem

Gegenstand muss 10mal so groß sein, wie die größte Ausdehnung der Lichtquelle!

Definition der Leuchtdichte:

Photometrisches Grundgesetz:

Quadratisches Entfernungsgesetz:

Cosinusgesetz für Punktlichtquellen:

Raumwinkel:

02 cosIEr

ε= ⋅ ⋅Ω

02

IEr

= ⋅Ω

2 1 212 1 1 22

cos cosd L dA dAr

ε ε⋅Φ = ⋅

1

2

1 1cos cosdI dL

dA d dAε

ε ω εΦ

= =⋅ ⋅ ⋅

0 1 [Steradiant]srΩ =

2

0

sinsin

dA r d dd d d

ϑ ϑ ϕϑ ϑ ϕ

= ⋅Ω = Ω ⋅

2

Ar

Ω =

302 cosIE

hε= ⋅ ⋅Ω

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Größen und Einheiten der Lichttechnik: Licht = bewertete Strahlung (Leistung) Lichtstrom: Ein monochromatischer Strahler mit der Wellenlänge 555nm und einer Strahlungsleistung von 1W hat den Lichtstrom 683lm. Für andere Wellenlängen ist der Faktor ( )V λ einzusetzen.

Lichtausbeute: P

η Φ=

Lichtstärke: Lichtstrom einer Lichtquelle wird nicht gleichmäßig ausgesandt, sondern erfüllt den Raum mit in verschiedener Richtung unterschiedlicher Dichte.

Lichtstärkeverteilungskurve (LVK) Verbindungslinie der Endpunkte der Lichtstärkestrahlen einer Lichtquelle im Polardiagramm. Ein Candela ist die Lichtstärke einer Strahlungsquelle in bestimmter Richtung mit monochromatischer

Strahlung bei 12540 10 Hz⋅ mit 1683e

WLsr

=

Beleuchtungsstärke: Die Beleuchtungsstärke bezieht sich auf die ankommende Strahlung. Leuchtdichte: Maßgeblich für den Helligkeitseindruck. Lichtmenge: Kennzeichnung von Lampen: Belichtung: Bedeutung in der Photochemie und für Schäden durch Beleuchtung:

1 [Lumen]lmΦ

( ) ( )m eK V dλ

λ λ λΦ = ⋅ Φ ⋅∫( )' 'Strahlungsfluß in W V λ ηΦ = ⋅ ⋅

1 [Candela]I cd

IωΦ

=

111lmcdsr

=

1 [Lux]E lx

EAΦ

=

2

111lmlxm

=

2 1[bei Einfallswinkel : cos ]E Eε ε= ⋅

L 2

11cdm

ILA

=

1 [Lumenstunde]Q lmh

Q dt= Φ∫

1

2

1 1cos cosdI dL

dA d dAε

ε ω εΦ

= =⋅ ⋅ ⋅

1 [Luxsekunde]H lxs

H Edt= ∫

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Lichtausbeute: Beziehung zwischen abgestrahltem Lichtstrom und für die Erzeugung erforderliche elektrische Leistung. Eine Lichtquelle, die die gesamte Leistung ohne Verluste in Licht der Wellenlänge 555nm umwandelt, hätte eine Lichtausbeute von 683 /lm Wη = Eine Lichtquelle, die die gesamte Leistung ohne Verluste in Licht des Wellenlängenbereichs 380-780nm umwandelt, hätte eine Lichtausbeute von 196 /lm Wη = Sehleistung: Hohe Sehleistung:

• Unterschieds-/Kontrastempfindlichkeit (sicheres Kontrastsehen) • hohe Sehschärfe (Formenempfindlichkeit) • hohe Wahrnehmungsgeschwindigkeit

Planungsgrundlagen für Beleuchtung (Begrenzung der

Direkt- und Reflexblendung, Beleuchtungsniveau) Unterschiedsempfindlichkeit: Bedingungen für Objekterkennung:

• Mindestkrontast der Objekte gegen unmittelbare Nachbarschaft (Helligkeits-, Farbkontrast)

• Mindestgröße der Objekte (kleine Sehwinkel: /D Rα = ) • Mindestleuchtdichte • Auge muss an herrschende Gesichtsfeld-Leuchtdichte adaptiert sein • Objekt muss lange genug sichtbar sein

Helligkeit der Umgebung (mittlere Leuchtdichte der Umgebung): Anpassung des Auges an Gesichtsfeld-Leuchtdichte, Adaption ( 6 5 210 10 /cd m− − ):

• Durch Größe der Pupillenöffnung Änderung von 1:16 • Leuchtdichtebereich der Zäpfchen 5 23 10 /cd m− (Anpassungszeit höchste

Empfindlichkeit: 0,1s) • Leuchtdichtebereich der Stäbchen 6 210 0,01 /cd m− − (Anpassungszeit höchste

Empfindlichkeit: 1h) • Stäbchen und Zäpfchen 20,01 3 /cd m−

η

Pη Φ=

'L AΦ = ⋅Ω ⋅

: Lichtstrom: Gesichtsfeld-Leuchtdichte: Raumwinkel' : Pupillenöffnung

L

A

Φ

Ω

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Kontrast: Unterschieds-/Kontrastempfindlichkeit: Kontrastempfindlichkeit ist Funktion von Sehobjektgröße und Adaptionsleuchtdichte aL . Die Sichtbarkeit eines Objekts nimmt mit steigender Umgebungsleuchtdichte zu. Formenempfindlichkeit: Fähigkeit der Formenwahrnehmung:

• Aufbau des Auges (Anzahl Empfänger) • Form, Größe, Kontrast des Objekts • Güte der optischen Abbildung • Adaptionszustand & momentane Beleuchtung • Lernvermögen, Erinnerung, Formensinn

keine allgemeine mathematische Beziehung für Formenempfindlichkeit.

Sehschärfe: 1sα

=

Sehschärfe: Vermögen, zwei eng benachbarte Objekte noch getrennt wahrnehmen zu können. Kleinst möglicher Sehwinkel: 0,37 'α = (Bedingt durch Abstand der Zäpfchen)

Maximal theoretische Sehschärfe: 2,7s =

2 1

a

L LKL−

=

1

sK

: Schwellenkontrast (kleinster sichtbarer Kontrast bei geg. Adaptionsleuchtdichte)

sK

verringerteUmgebungsleuchtdichte

zusätzlicheBeleuchtung

geblendeterBetrachter

: Sehwinkel zu zwei gerade noch getrennt sichtbaren Linien (Winkelminuten)α

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Wahrnehmungsgeschwindigkeit: Die Wahrnehmungsgeschwindigkeit ist der Kehrwert der Zeit, die für Erkennen von Kontrasten oder Formen nötig ist. Sie steigt mit Adaptionsleuchtdichte und Kontrast. Die Verschmelzungsfrequenz ist abhängig von der Leuchtdichte, aber nicht von der Lichtfarbe. Stäbchen sind flimmerempfindlicher als Zäpfchen. Resultierender Helligkeitseindruck nach der Verschmelzungsfrequenz entspricht dem, der sich einstellen würde, wenn der Lichtreiz über die ganze Hell-Dunkel-Periode verteilt wäre. Blendung: Zu hohe Leuchtdichten L führen zu physiologischer Blendung (vorher schon psychologische Blendung)

• Absolutblendung bei 4 210 /aL cd m> (sehr hohe Leuchtdichten) • Relativblendung bei 4 210 /aL cd m< (zu hohe Kontrastunterschiede im Gesichtsfeld;

Verminderung durch Anhebung der Umgebungsleuchtdichte) Ist die Umgebungsleuchtdichte (Gesichtsfeld) ausgewogen, so adaptiert das Auge auf eine mittlere Leuchtdichte, dass sich der geringst mögliche Leuchtdichteunterschied LΔ zwischen Sehobjekt und Umgebung einstellt ( maximale Objektwahrnehmung für diese mittlere Leuchtdichte)

• Direktblendung (unmittelbar durch Lichtquellen hervorgerufen; Ausmaß abhängig von Leuchtdichte und Größe der gesehenen Leuchtfläche; Begrenzung durch Reflektoren an Leuchten)

• Reflexionsblendung (Kontrastminderung durch spiegelnde Reflexion von leuchtenden Objekten Beeinträchtigung des Kontrastsehens; Vermeidung durch matte/diffuse Oberflächen)

Gesichtssinn: Bei natürlicher Haltung 25-35 Grad nach unten gerichteter Blick. Vertikales Gesichtsfeld:

• Grün nur zwischen +14 und -17 Grad klar wahrnehmbar (Sektor von 31 Grad) • Rot nur zwischen +16 und -19 Grad klar wahrnehmbar (Sektor von 35 Grad) • Gelb nur zwischen +19 und -22 Grad klar wahrnehmbar (Sektor von 41 Grad) • Blau nur zwischen +20 und -24 Grad klar wahrnehmbar (Sektor von 44 Grad)

Horizontales Gesichtsfeld (Überlappungszonen beider Augen):

• Grün nur von +19 bis -19 Grad klar wahrnehmbar (Sektor von 38 Grad) • Rot nur von +20 bis -20 Grad klar wahrnehmbar (Sektor von 40 Grad) • Gelb nur von +26 bis -26 Grad klar wahrnehmbar (Sektor von 52 Grad) • Blau nur von +27 bis -27 Grad klar wahrnehmbar (Sektor von 54 Grad)

: Flimmer-VerschmelzungsfrequenzVf( )

( )0

lg

1V m

T

m

f a L b

L L t dtT

= ⋅ +

= ∫

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Stoffkennzahlen: Lambert-Strahler: Lichtquelle, die aus allen Richtungen gleich hell ( L const= ) aussieht. Reflexion und Transmission sind vollkommen diffus (ideal streuend). Von der Fläche A reflektierter Lichtstrom: Lichtfarbe und Farbwiedergabe: Temperaturstrahler: Je höher die Temperatur, desto mehr Strahlungsanteile liegen im sichtbaren Bereich. Kennzeichnung von Lichtfarben: Farbtemperaturen warmweiß (ww) <3300K neutralweiß (nw) 4000K tageslichtweiß (tw) >5000K Kennzeichnung mit 3 Ziffern:

• 1. 10 FarbwiedergabeindexZiffer ⋅ • 2,3. 100 Farbtemperatur in Ziffer K⋅

Farbkoordinaten (x,y): Lage im Farbdiagramm Farbtemperatur: Temperatur fT des schwarzen Strahlers, bei welcher er farblich so aussieht wie die zu kennzeichnende Farbe

1ρ τ α+ + =

: Reflexion: Transmission: Absorption

ρτα

L L

L Lρ

τ

ρ

τ

=

=

0

0

EL

EL

ρπτπ

dEdAΦ

=

( )22

0 0 00 0

, sinId I d d Iππ

ρϕ ϑ

ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ π ρΩ = =

Φ = Ω = Ω = Ω = Φ∫ ∫ ∫

cosIL constA

ε= =

( ) 0, cosI Iϑ ϕ ϑ= ⋅

00

0

0

ddI

dI ELdA

ρπ

ρπ

Φ⇒ =

Ω

⇒ = =Ω

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Farbdreieck (Farbdiagramm): Farbmischung:

• Additiv: Lichter überlagern sich. Rot Blau Grün Weiß+ + = • Subtraktiv: Farbstoffe entziehen dem weißen Licht Farbanteile bis nur schwarz

übrig bleibt Spektrale Empfindlichkeiten (Normalreizkurven): Farbdreieck (Farbdiagramm x,y): Alle Farben liegen auf der vom Spektralfarbenzug und der Purpurlinie begrenzten Fläche. Mischfarben liegen auf Verbindungsgerade der Farborte der beiden Ursprungsfarben. Ähnlichste Farbtemperaturen könnenan den Judd'schen Geraden abgelesenwerden.

( )( )( )

: Blauempfänger

: Grünempfänger

: Rotempfänger

x

y

z

λ

λ

λ

( )

1

e

X xY c L y dZ z

X Y Zx y zX Y Z X Y Z X Y Z

x y z

λ λ⎛ ⎞ ⎛ ⎞⎜ ⎟ ⎜ ⎟= ⋅⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠

= = =+ + + + + +

+ + =

Farbtemperaturen desPlanckschen Strahlers

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Farbwiedergabe: Auswirkung von Beleuchtung auf den Farbeindruck von Objektfarben.

• Farborte der reflektierenden Lichter von 8 Testfarben bestimmen, die von bekannter Bezugslichtart beleuchtet werden.

• Farborte bestimmen bei Beleuchtung mit unbekannter Lichtart • Aus Farbortdifferenzen den Farbwiedergabeindex aR berechnen.

Testfarben: Testfarben:

1 :R altrosa 5 :R türkisblau

2 :R senfgelb 6 :R himmelblau

3 :R gelbgrün 7 :R asterviolett

4 :R hellgrün 9 :R fliederviolett Gesättigte Testfarben:

9 :R rot 12 :R blau

10 :R gelb 13 :R Hautfarbe

11 :R grün 14 :R blattgrün Farbwiedergabestufe Farbwiedergabeindex Anforderung

1A 100 90aR> > sehr hoch 1B 90 80aR> > sehr hoch 2A 80 70aR> > hoch 2B 70 60aR> > hoch 3 60 40aR> > mittel 4 40 20aR> > gering

Licht- und Farbmessung: Zur Messung des Lichts verwendete Größen sind keine rein physikalischen Größen. Bei der Photometrie (Lichtmesstechnik) ist der Eindruck gleicher Helligkeit das Kriterium für die Gleichheit. Die Einheiten 2, , lm lx cd m sind von der Grundeinheit cd abgeleitet. Subjektive (visuelle) Photometrie: Hierbei ist die Messgröße die Leuchtdichte des Gegenstands. Das Auge dient dabei als Empfänger (Unterscheidung ob zwei Leuchtdichten innerhalb des Gesichtsfeldes gleich sind oder nicht, dabei müssen die beiden Vergleichsflächen sehr scharf aneinander grenzen).

visuelle Photometer enthalten Einrichtungen zur definierten Lichtschwächung. Wichtig ist die Güte des Photometerfeldes. Prinzip: Vergleich zweier Leuchtdichten 1 2,L L in einer Anordnung, die beide nebeneinander sichtbar macht (Photometerkopf).

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Lummer-Brodhun-Würfel: Zwei Leuchtdichten werden unmittelbar benachbart dem Beobachterauge dargeboten. Kontaktfläche der beiden Glasprismen so eingerichtet, dass sie teilweise optischen Kontakt liefert, teilweise aber total reflektiert (Aussparungen im Glas). Bei Messungen wird das Licht der einen Lampe so lange geschwächt, bis die Trennungslinie verschwindet. Vergleichsarten:

• Isoenergetischer Vergleich: gleiche Spektren, kein Farbunterschied (Beobachter muss nicht farbtüchtig sein)

• Isochromer Vergleich: ungleiche Spektren, aber gleicher Farbeindruck • Heterochromer Vergleich: ungleiche Spektren + ungleiche Farben ( Vergleich nur

mit Flimmerphotometer) Methoden der Lichtschwächung:

• Entfernungsänderung • Graufilter (unabhängig von Wellenlänge) • Periodische Lichtunterbrechung • Polarisation (fehlerträchtig)

Objektive (physikalische) Photometrie: Hierbei ist die Messgröße die Beleuchtungsstärke E . Zur Messung werden photoelektrische Empfänger eingesetzt ( Anpassung an ( )V λ notwendig). Dabei wird das Licht vom Detektor absorbiert:

Lambert-Beer’sches Gesetz: ( ) ( )ln

0 z

zz e

d dz

μ

μ

μ

Φ = −

Φ = Φ ⋅

Φ = − Φ

Quantendetektoren: Quantendetektoren basieren auf dem Photoeffekt. Dabei werden Elektronen innerhalb von Atomen oder Molekülen angeregt. Dies führt zu einer chemisch oder elktrochemischen Veränderung (innerer Photoeffekt). Falls das Photon genügend Energie hat, kann das Elektron das Atom verlassen (äußerer Photoeffekt). Die austretenden Elektronen können mittels Photovervielfacher nachgewiesen werden. Thermische Detektoren: (Bolometer) Lichtenergie wird durch Lichtabsorption meist in Wärme umgewandelt.

Nachweis durch Temperaturmessung Verbesserung der Empfindlichkeit durch Schwärzung und spezielle Abschirmung. Relativ leichte Eichung auf gesamten Energieinhalt der absorbierten Strahlung Bestimmung der Strahlungsenergie Q Wenig spektrale Abhängigkeit ( Differenzieren nicht nach Wellenlänge der Strahlung)

: Dicke des Absorbers: Absorbtionskoeffizient

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Anpassung an ( )V λ : Gezielte Veränderung der spektralen Empfindlichkeit eines Strahlungsempfängers mit optischen Mitteln.

resultierende spektrale Empfindlichkeit entspricht der des Auges (ggf. bis auf Korrekturfaktor).

• Vollfilterung • Partialfilterung (gesamte Empfängerfläche muss homogen ausgeleuchtet sein)

Die Güte der ( )V λ -Anpassung ist ein wesentliches Qualitätskriterium für Photometerköpfe, Beleuchtungsstärke-, Leuchtdichtemessgeräte (15 Schichten Fehler < 1%) Empfänger: Sekundär-Elektronenvervielfacher: Funktion durch freie Elektronen im Vakuum. Elektronen kommen aus Cäsiumoxid-Kathoden (fast so empfindlich wie das Auge). Vom Szintillator emittierte Lichtquanten lösen Elektronen an der Photokathode entsprechend der auftreffenden Lichtquanten. Diese werden beschleunigt und durch Dynoden vervielfacht. messbarer Photostrom (10-14 Dynoden verstärken bis Faktor 610 ) Halbleiter:

• Fotowiderstände: Ändern Widerstandswert beim Auftreffen von Photonen; nichtlinear; niedrige Geschwindigkeit; Alterung

• Fotodioden: Auftreffendes Licht erzeugt freie Elektronen Anstieg des Sperrstroms; linear; geringe Alterung; hohe Ansprechgeschwindigkeit; äußere Spannung nötig

• Foto-/Solarzellen: Licht erzeugt freie Elektronen unterschiedliche elektrische Potentiale; niedrige Geschwindigkeit; keine äußere Spannungsquelle

Spektralphotometrie: Messgeräte sind physikalische Empfänger mit vorgeschalteten Monochromatoren (Lichtzerleger). Bestimmbar sind Größen in Abhängigkeit von λ Farbdaten sind digital auswertbar Farbort ( ,x y )

( ) ( ) ( )rel rels k Vλ τ λ λ⋅ = ⋅

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Messung der Lichtstärke I (Photometerbank):

Photostrom proportional 02

IEr

= Ω

n xE E= einstellen; Lichtschwächung durch Abstandsänderung; Messung in schwarzem Raum;

nE aus Normallichtlampe; Photometer mit Blenden oder Linsen (gleichmäßige Ausleuchtung des Empfängers), angepasst an ( )V λ oder andere spektrale Bewertungsfunktion. Lichtverteilungskurven (LVK): Räumliche Darstellung der Lichtverteilung mit Mehrspiegelgeräten oder Einspiegelgeräten (Goniometer). Kurvendarstellung kartesisch oder polar.

• A-Ebenen: Schnittgerade senkrecht zur waagerechten Leuchtenachse • B-Ebenen: Schnittgerade in waagerechter Leuchtenachse • C-Ebenen: Schnittgerade ist Lot durch Lampenmitte

Messung der Beleuchtungsstärke E: Messung mit physikalischen Empfängern (Luxmeter) an vielen Rasterpunkten in Höhe der Nutzfläche. Darstellung durch Linien gleicher Beleuchtungsstärke mit Angabe von Extremwerten und Mittelwert. Messung der Leuchtdichte L: L ist Eigenschaft der Lichtquelle ( unabhängig vom Abstand des Beobachters). Die Stelle, deren Leuchtdichte gemessen wird, muss möglichst punktförmig sein. Mit Teleobjektiv den Messpunkt auf Empfänger abbilden. Bei konstantem Öffnungswinkel entfernungsabhängiger Durchmesser. Gips ( 0,95ρ = ) als Leuchtdichtestandard (ideal streuend bis 45°)

2

xx n

n

rI Ir

⎛ ⎞= ⎜ ⎟

⎝ ⎠

1 12 1 12

cosAE L Lr

ε⋅= = Ω 1 1

1

: Leuchtdichte von : Raumwinkel unter dem vom Empfänger aus erscheint

L AAΩ

0

EL ρπ

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Messung des Lichtstromes Φ : Messung über IdΩ∫ oder EdA∫ . Bei Messung mit Goniometer mit konstantem Radius folgt: Überschlagsmäßige Bestimmung aus LVK: (LVK liegt katalogmäßig vor) Aus LVK alle 10 Grad die Mittelwerte der Lichtstärken ( )I ϑ getrennt für unteren und oberen Halbraum entnehmen. Messung des Gesamtlichtstroms mit Ulbrichtscher Kugel: Einfache und schnelle Ermittlung des Gesamtlichtstroms. Voraussetzungen:

• Konstante Bedingungen für Lampenbetrieb (Spg, Temp) • Kugelinnenwand A muss Lambertstrahler sein • Ort der Lichtquellen und LVK beliebig, aber Empfänger

darf nicht direkt beleuchtet werden Messung von Transmissions- und Reflexionsgrad: Reflexionsgrad: Indirekte Messung über Leuchtdichte im Vergleich zu Leuchtdichtestandard Transmissionsgrad: Messen durch Probe vor Leuchtdichtemesser oder Beleuchtungsstärke-Messgerät im Vergleich mit Ablesung ohne Probe.

( )2

00 0

, sinI d dπ π

ϕ ϑ

ϑ ϕ ϑ ϑ ϕ= =

Φ = ⋅Ω ⋅∫ ∫

( )

( )

2

0

2

u

o

I

I

π

ϑ

π

ϑ π

ϑ

ϑ

=

=

Φ = ⋅ΔΩ

Φ = ⋅ΔΩ

1ind indA E k Eρ

ρ−

Φ = ⋅ ⋅ = ⋅ : Kugelfaktork

Copyright by ~Gesus~ Stand: 30.01.2006 14/22

Energie und Umwelt: Von der elektrischen Energie werden in Deutschland ca. 10% für Beleuchtung aufgewendet. Dabei werden ca. 70% des Lichtes von Leuchtstofflampen erzeugt, bei nur 50% des Energieverbrauchs. Steulicht aus Städten (Lichtimmision) erhellt den Nachthimmel so sehr, dass astronomische Forschung kaum noch möglich ist. Objekte verändern unter Lichteinwirkung (abhängig von Bestrahlungsstärke eE , deren Spektrum ( )e rel

E λ , Dauer der Einwirkung und relativer spektraler Empfindlichkeit des

Stoffes ( )rels λ ) Farbe und Festigkeit. ( ) ( )e rel

t

H E s d dtλ

λ λ λ= ∫ ∫

• UV schadet besonders in Verbindung mit Wärme; natürliches Tageslicht ist besonders schädlich

• Feuchtigkeit und Säuren beschleunigen die Schadwirkung Aus Schwellenwerten für dei Bestrahlung H können Maßzahlen für die Lichtechtheit abgeleitet werden. Schädliche Stoffe in Lampen / Recycling: Auf Quecksilber als hauptsächlichen Träger der Lichterzeugung kann man nicht verzichten. Quecksilber und alle anderen Lampenbestandteile (Ausnahme einige Leuchtstoffe) können recycled werden. Eine sehr geringe Strahlenbelastung (Radioaktivität) ist für gutes Startverhalten einiger Entladungslampen unumgänglich. Schäden durch UV-Strahlung können nur bei extrem langen und intensiven Beleuchtungen auftreten (Vermeidung durch UV-Filter und geeignete Regelung der Beleuchtungszeit) Durch Licht angelockte Insekten gehen dem natürlichen Kreislauf verloren (Artenschutz). Dabei werden unterschiedliche Insekten von unterschiedlichen Lampen verschieden stark angelockt. Lichterzeugung: Lichtquellen erzeugen Licht durch Wärme, Entladung, Lumineszenz. Dabei werden Elektronen auf ein höheres als das ursprüngliche Energieniveau gehoben und fallen unter Abgabe von Strahlungsenergie wieder auf ihr ursprüngliches Niveau zurück. Elektronen nehmen nur in diskreten Werten Energie auf bzw. geben sie ab Termschemata Energiedifferenz bei Frequenz f der abgegebenen Strahlung: E h fΔ = ⋅ 34 26,6 10h Ws−= ⋅ Ein bestimmter Energiezustand kann nur von einem Atom eingenommen werden.

Bei hohem Druck Ausweichen auf benachbarte Energievinveaus, kontinuierl. Spektrum Bei niedrigem Druck Linienspektrum

Copyright by ~Gesus~ Stand: 30.01.2006 15/22

Temperaturstrahler: Körper wird durch Wärme zum Strahlen angeregt. Kontinuierliches Spektrum. Spektrale Strahldichte des Planck’schen Strahlers (schwarzer Körper): Wirtschaftliche Lichterzeugung mit Temperaturstrahlern ist nur bei hohen Temperaturen und hohem Emissionsvermögen möglich. Lichterzeugung durch Entladung: Vorhandensein beweglicher Ladungsträger im Entladungsgefäß. Weitere Ladungsträger entstehen durch Beschleunigung freier Elektronen Strom von Ladungsträgern durch das leitend werdende Gas Anregung durch Stöße und Lichterzeugung Lumineszenz: Leuchtstoffe können Strahlung oder Lichtquanten im kalten Zustand absorbieren und in längerwellige (energieärmere) Strahlung umwandeln. Unsichtbare UV-Strahlung in sichtbare Strahlung umwandeln. Durch Kombination von Entladung und Lumineszenz erzielt man bedeutend höhere Lichtausbeuten und Lebensdauern als bei Temperaturstrahlern. Glühlampen: Konventionelle Glühlampen: Temperaturstrahler mit Wolframwendel. Die Lebensdauer ist begrenzt durch Verdampfen der Wendel bis zum Bruch. Gegenmaßnahmen sind Doppel- und Dreifachwendel, Füllgas, Halogenzusatz Halogenglühlampen: Durch Halogenzusätze zum Füllgas werden Lichtausbeute, Farbtemperatur, Lebensdauer erhöht und eine Kolbenschwärzung vermieden. Halogenkreisprozess: Bei kalter Lampe sind Wolfram und Halogen getrennt; bei heisser Lampe gasförmiges Wolframhalogenid; bei noch höheren Temperaturen (Wendelnähe) zerfällt es wieder in Wolfram und Halogen. Cool-Beam: Reflektoren mit / 4λ Schichten ( weniger IR-Strahlung im Lichtbündel) UV-Stop: Dotiertes Glas absorbiert UV-Strahlung IRC: IR-Strahlung auf Wendel zurückreflektiert ( 10% Energieersparnis)

( )0

05

0

2 1 1,1

e c hk T

c hL Te λ

λλ⋅

= ⋅ ⋅Ω

231,38 10 /k J K−= ⋅

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Elektronische Transformatoren: Die Verlustleistung bei elektronsichen Transformatoren ist im Vergleich zu konventionellen Transformatoren wesentlich geringer. Zudem weisen sie eine konstantere Ausgangsspannung über weite Belastungsbereiche auf. Entladungslampen: Leuchtstofflampen (Quecksilberdampf-Niederdrucklampen): Entladung in Quecksilber-Niederdruck. Krypton oder Argon als Zusatz für besseres Starten. Gewendelte Elektroden zur Verringerung der Austrittsarbeit mit Bariumoxid beschichtet. Röhre innen mit Leuchtstoff (Umwandlung UV-Strahlung in sichtbares Licht) beschlämmt. Der Lichtstrom der Lampe ist temperaturabhängig. Die Lebensdauer ist durch die Elektroden begrenzt, dieser Ausfall kann durch Einsatz von elektrodenlosen Lampen vermieden werden. Kennzeichnung und Farbwiedergabe (1A,1B,2A,2B,3): z.B. L18W/32-930

Erste Ziffer entspricht Farbwiedergabe: 8 19 1

Farbwiedergabestufe BFarbwiedergabestufe A

Ziffer 2 und 3 enstprechen der Farbtemperatur: 30 3000K Vorschaltgeräte: KVG: Starter und Induktivität. Zündspannung min. 900V nötig Dauerbogenentladung Die Lampenlebensdauer (Betriebsdauer) ist bei Betrieb mit EVG wesentlich größer als bei KVG. Zusätzlich bieten EVG mehr Betriebssicherheit, gute Funkentstörung, Leistungsrückregelung, zuverlässige Zündung. Kompaktleuchtstofflampen: Vorhandene Brennstellen, integriertes elektronisches Vorschaltgerät Natriumdampf-Niederdrucklampen: Verwendung von Natrium statt Quecksilber im Niederdruck-Entladungsgefäß höchste bei Lampen erreichte Lichtausbeute einschließlich Vorschaltgerät: 145 /lm W Jedoch schlechteste Farbwiedergabe, da nur Licht bei 599nm erzeugt wird.

Nur für Straßen und Industrieanlagen geeignet. Hochdrucklampen: Quecksilberdampf-Hochdrucklampen (HQL): Durch Bogenentladung bei hohem Druck Verbreiterung des Quecksilberspektrums Sichtbare Strahlung auch ohne Leuchstoff, aber Leuchstoff üblich zur Verbesserung der Lichtfarbe. Kaltstart kein Starter notwendig. Heisse Lampe startet nicht! Bei Mischlichtlampen wird Induktivität durch eingebaute Glühlampe als Vorschaltgerät ersetzt. (160-500W, 20-30lm/W, 3600-4100K, 2aR B )

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Halogen-Metalldampflampen (HQI): Lampen benötigen keine Beschichtung mit Leuchtstoff; Metalle und seltene Erden in der Füllung sind verantwortlich für das aufgefüllte Viellinienspektrum. Zündung mit induktiv eingekoppelten 4,5kV-Impulsen; Heißzündung erfordert 30-60kV. Punktförmige Lichtquelle, hoher Farbwiedergabeindex, hohe Lichtausbeute, lange Lebensdauer, hoher Lichtstrom, verschiedene Farbtemperaturen (70-3500W, 5200-300000lm, 3000-6000K, 80aR ≥ ). HCI-Lampen (Keramikbrenner) als Nachfolger für HQI-Lampen. Sehr gute Farbkonsistenz über die gesamte Lebensdauer, hohe Lichtausbeute und Farbwiedergabe, längere Lebensdauer. Natriumdampf-Hochdrucklampen (NAV): Verbesserung des Spektrums von Na-Niederdrucklampen durch Druckerhöhung. Für das Entladungsgefäß wird anstelle von Glas wegen höherer Druck- & Temperaturbeständigkeit Keramik auf der Basis von Aluminum-Oxid verwendet. Schaltungen für Hochdrucklampen: KVG: Drossel zur Strombegrenzung. Zündimpulse werden induktiv eingekoppelt. EVG: KVG Funktionen werden nachgebildet; zusätzlich Funkentstörung und Kompensation Licht emittierende Dioden (LEDs): Lichterzeugung durch Rekombination von Ladungsträgern in Halbleitern (Elektronen im Leitungsband rekombinieren mit Loch im Valenzband Von Strom durchflossener PN-Übergang). Schmalbandiges Spektrum von etwa 10nm Halbwertsbreite. Je nach Material unterschiedliche Lichtfarben. Erzeugung von weißem Licht durch Mischung von Licht aus blauen, grünen, roten LEDs (resultierende Mischfarbe einstellbar) oder Verwendung eines blauen Chips dessen kurzwellige Strahlung in gelbem Leuchtstoff teilweise in längerwellige Strahlung umgesetzt wird (nicht veränderbares Weiß). (20-30% relativer Wirkungsgrad, >100000h Lebensdauer, sehr hohe Stoßfestigkeit) Wirtschaftlichkeit verschiedener Lampen: Allgebrauchsglühlampen 10 /lm W≈ Halogenglühlampen (230V) 15 /lm W≈ Halogenglühlampen (12V) 20 /lm W≈ Leuchtstofflampen 80 /lm W≈ Kompaktleuchtstofflampen 60 /lm W≈ Hg-Dampf-Hochdrucklampen 50 /lm W≈ Halogen-Metalldampflampen 80 /lm W≈ Na-Dampf-Niederdrucklampen 100 /lm W> Na-Dampf-Hochdrucklampen 100 /lm W> LED Ziel 80 /lm W

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Leuchten: Geräte zum Halten und Schutz der Lampen, Energieversorgung und Lichtlenkung Einteilung: Einteilung nach Verwendungszweck, Bauart, Art der Anbringung, Art der Lampen, Gehäusematerial, sicherheitstechnische und lichttechnische Kriterien. Einteilung nach Lichtstromverteilung: Einteilung nach Installation: Montage auf Oberflächen; Schutz auf Oberflächen Einteilung nach Schutzklassen: Schutz gegen elektrischen Schlag!

• Schutzkontakt • Schutzisolierung • Schutzkleinspannung

x12.3

.: A...E

Lichtstromanteiledie nach oben undunten abgestrahltwerdenKlassen

Zahl zum AbzählendokumentierterLeuchtentypen

: 1...6

Lichtstromanteil der inStandardanordnungenauf Nutzebene fälltKennziffern

: 0...3

Lichtstromanteil der inStandardanordnungenzur Decke strahltKennziffern

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Einteilung nach Schutzarten: IP-Schutzarten:

• Erste Kennziffer 2-6 beschreibt den Schutz gegen Eindringen fester Körper und Berührschutz

• Zweite Kennziffer 0-7 beschreibt den Schutz gegen Eindringen von Flüssigkeiten Europanormen für Leuchten: Leuchten muss zwei europäischen Richtlinien entsprechen: Niederspannungsrichtlinie & EMV-Richtlinie Reflektoren und Linsen: Grundformen von Reflektoren:

• Kugelspiegel (Vom Zentrum kommendes Licht wird wieder ins Zentrum reflektiert) • Parabolspiegel (Auftreffendes Licht wird eng gebündelt) • Ellipsoidspiegel (Licht aus Brennpunkt in 2.Brennpunkt bündeln und breit abstrahlen)

Abwandlungen, Zwischenformen, Kombinationen. Oberflächen von Linsen und Spiegeln sind glatt oder mit Struktur versehen. Güteklassen der Blendungsbegrenzung: Bei normaler Blickrichtung können Leuchten durch zu hohe Leuchtdichten unter Ausstrahlungswinkeln ab 45° stören. Die Güteklassen (Güte der Blendungsverhinderung) werden mit A,1,2,3 bezeichnet. Für psychologische Blendung muss der Grad der Direktblendung nach dem UGR-Verfahren berechnet werden.

2

10 21

8 log 0,25n

i i

i b i

LUGR BlendzifferL P=

Ω− = ⋅ ⋅∑

Leuchtenbetriebswirkungsgrad:

aus Leuchte austretend der Lampe bei ReferenzbedingungenLBη Φ

optischer Wirkungsgrad:

aus Leuchte austretend in Leuchte erzeugt

η Φ=

Φ

: Anzahl Leuchten: Hintergrundleuchtdichte: Leuchtdichte der Leuchte in Richtung Beobachter: Raumwinkel der Leuchte gesehen vom Beobachter

: Positionsfaktor Leuchte

b

i

i

i

nLL i

iP iΩ

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Grundlagen der Beleuchtungsplanung: Voraussetzungen für gute Planung:

• Kenntnis der Erfordernisse (Sehleistung, Vorschriften, Wünsche der Nutzer) • Kenntnis baulicher Gegebenheiten • Kenntnis des Instrumentariums • Gestalterische Phantasie

Übliche Schwierigkeiten bei der Planung:

• Knappes Budget • Unterschiedliche Interessenlage • Zeitmangel • Einengende Vorschriften

Grundaufgaben der Beleuchtungsberechnung: Beleuchtung mit Punktlichtquelle: Quadratisches Entfernungsgesetz, Cosinusgesetze Beleuchtung durch Linienlichtquelle: Lichtbänder mit Leuchtstofflampen; Linienlichtquelle erzeugt flächige Beleuchtung mit gemilderten Schatten. Beleuchtung durch gleichmäßig leuchtende Fläche: Beleuchtung mit Gruppen von Lichtquellen: Raumwirkungsgradverfahren zur Berechnung der mittleren Beleuchtungsstärke die von Lichtquellengruppen mit Reflexion und Mehrfachreflexion erzeugt wird.

Die Raumform wird mit dem Raumfaktor berücksichtigt: ( )

0,85a bk h H mh a b

⋅= = −

+

Die lichttechnischen Eigenschaften der Raumbegrenzungsflächen werden durch die Reflexionsgrade erfasst. Aus Tabellen sind Raumwirkungsgrade Rη für Kombinationen der Raumfaktoren und Reflexionsgrade ersichtlich (Annahme idealer Streuung).

Anzahl Leuchten: LB R

E a bn Wartungsfaktorη η⋅ ⋅

= ⋅Φ ⋅ ⋅

Um das Altern der Anlage zu Berücksichtigen nimmt man einen Wartungsfaktor >1 an. Beleuchtungswirkungsgrad: B LB Rη η η= ⋅ Einflussgrößen die das Ergebnis verfälschen können sind Ungenaue Messgeräte, Spannungsschwankungen, Raumtemperatur, Lampen-/Leuchtendaten

Faustregel: Mann kann auf 10% genau planen

( )2

1

002

1 1 sin 22 2

I hEI a

α

α

α α⎛ ⎞= + ⋅Ω⎜ ⎟⎝ ⎠

( )4

cos sinx x ydE L dydz

rϑ ϑ−

=

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Innenraumbeleuchtung mit künstlichem Licht:

• Hell genung für vorherrschende Tätigkeit? • Wird man geblendet? • Stimmt Lichtrichtung? • Lichtfarbe, Farbwiedergabe?

Kriterien der Beleuchtungsplanung: (Norm: ‚Beleuchtung von Arbeitsstätten’)

• Beleuchtungsstärke und deren Verteilung im Bereich der Sehaufgabe und Umgebung • Blendung: UGR-Blendziffern • Leuchtdichten: Ausgewogen für Sehaufgabe, Umfeld und Umgebung • Lichtrichtung: Vorzugsrichtung des Lichts, so dass Tätigkeit erleichtert wird • Lichtfarbe & Farbwiedergabe: Licht der Allgemeinbeleuchtung soll weiß aussehen • Flimmern & stroboskopische Effekte sind zu vermeiden • Tageslicht: Sinnvoll zur Beleuchtung einsetzen aber mindestens bezüglich Blendung

und Helligkeit eingeplant werden Randbedingungen für Beleuchtungsanlagen:

• Budget • Persönlicher Geschmack • Anordnung der Arbeitsplätze, Deckenkonstruktion, Säulen oder andere Verbauungen • Besondere Arbeitsplätze (z.B. für Behinderte) • Sicherheits- & Notbeleuchtung

Kosten: Kosten berechnen sich aus Kapitalkosten, Energiekosten, Lampenersatz und Wartung der Anlage. Energie für Beleuchtung trägt erheblich zum Gesamtstromverbrauch eines Gebäudes bei. Hinweise für häufige Beleuchtungsaufgaben: Für Räume und Bereiche (Wohnzimmer, Bad, Gang, Industriehallen, Verkäufsräume, Schaufenster,...) können grundlegende Aussagen über die Art der Beleuchtung, Helligkeit usw. auf Grundlage der Benutzungsart und -dauer getroffen werden. Messung von Beleuchtungsanlagen: Messung entlang eines Messrasters, dass nicht identisch mit dem Leuchtenraster ist. Genauigkeitsklassen von Meßgeräten:

• Klasse L: höchste Genauigkeit Fehler 3%± • Klasse A: hohe Genauigkeit Fehler 5%± • Klasse B: mittlere Genauigkeit Fehler 10%± • Klasse C: geringe Genauigkeit Fehler 20%±

Copyright by ~Gesus~ Stand: 30.01.2006 22/22

Beleuchtung mit Tageslicht: Der Tageslichtquotient D setzt sich aus der Geometrie des Fensters & Durchlassgrad, Geometrie der Verbauung, Lage des Punktes, Raumwirkungsgrad, leuchtdichten des bedeckten Himmels und der Verbauung Technische Vorrichtungen für Beleuchtung mit Tageslicht: Einsatz von Spiegeln, die das Tageslicht gebündelt ins Gebäude lenken. Verwendung von Fenstern, die IR-reflektierend oder durchlässig sind und Jalousien.

i aE D E= ⋅