Allgemein- und Spezialbeleuchtung

 

Der Anwendungsbereich der Beleuchtung deckt eine Vielzahl von Anwendungen ab. Diese reichen von der Allgemein- und Architekturbeleuchtung bis hin zur Spezialbeleuchtung in der Automobil- und Luftfahrtindustrie, in der Agrarwirtschaft und in vielen anderen Nischenbereichen. Die Gigahertz-Optik GmbH produziert ein umfangreiches Programm an Lichtmessgeräten für LED und traditionelles Licht. Einige typische Anwendungsbeispiele für Produkte von Gigahertz-Optik GmbH sind in diesem Kapitel aufgeführt.

Bei allen Fragen rund um das Thema Allgemein- und Spezialbeleuchtung steht Ihnen unser Vertriebsteam gerne jederzeit zur Verfügung.

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App. 005

Messung der SSL-Beleuchtung von Arbeitsstätten in Innenräumen

Die LED-Technologie, die zur Gruppe der Solid-State-Lightings (SSL) gehört, hat den Bereich der Allgemeinbeleuchtung revolutioniert. Sie bietet völlig neue Möglichkeiten bei der Lichtplanung und der Umsetzung der Beleuchtung, ist aber auch eine Herausforderung für Lichtplaner, Hersteller und Installateure. Bei der Entwicklung und Herstellung von LED-Lampen und LED-Leuchten kommen mehr oder weniger ausschließlich Lichtmessgeräte für die spektrale Charakterisierung und Produktqualifizierung zur Anwendung. Aber auch bei der Lichtplanung und Verifizierung von SSL-Beleuchtungen, in denen bisher das klassische Luxmeter als Messmittel dominierte, hat die spektrale Charakterisierung des Lichts ihren Einzug gefunden.

Die europäische Norm EN 12464-1 [1] definiert Beleuchtungsanforderungen für Arbeitsstätten in Innenräumen.

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Diese Norm enthält Prüfkriterien entsprechend der Sehaufgabe des beabsichtigten Einsatzes der Beleuchtung:

  • die mindestens erforderliche durchschnittliche Beleuchtungsstärke pro Aufgabe (spezifiziert als "mittlere Beleuchtungsstärke")
  • die minimal erforderliche Farbwiedergabe (spezifiziert als CIE Ra-Mindestwert)

Die spektrale Lichtverteilung von SSL unterscheidet sich stark von der herkömmlicher Leuchtmittel. Das kann zu erheblichen Fehlern bei der Messung der Beleuchtungsstärke führen, wenn sie mit filterbasierten Luxmetern (Breitbandmessgeräte) durchgeführt werden. Die Bestimmung des Farbwiedergabeindexes erfordert zudem unbedingt die spektrale Charakterisierung des Lichts. Für beide Messaufgaben geeignet sind daher Lichtmessgeräte mit spektraler Messfunktion wie das MSC15, das unabhängig vom Lichtspektrum präzise Messdaten der Beleuchtungsstärke und zudem farbmetrische Werte inklusive der Farbwiedergabe bietet. Das spektrale Lichtmessgerät BTS256-EF ermöglicht zudem die Messung von Lichtflimmern und stroboskopischen Lichteffekten.


Referenzen

[1] EN 12464-1:2011 Beleuchtung von Arbeitsstätten - Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen

App. 006

Messung von LED-Licht von künstlicher Pflanzenbeleuchtung im Gartenbau

LED-Beleuchtung bietet dem Gartenbau viele potenzielle Vorteile, wie z. B. höhere Ernteerträge, verbesserte Produktqualität, Kontrolle bestimmter Pflanzeneigenschaften sowie die normalen Vorteile der Festkörperbeleuchtung (SSL) durch reduzierte Energie- und Wartungskosten. LED-Beleuchtung kann natürliches Sonnenlicht in Gewächshäusern ergänzen oder ersetzen, um die Obst-, Gemüse- und Blumenanbausaison zu verlängern oder ohne Sonnenlicht zu ermöglichen.

LEDs ermöglichen die Kontrolle der Menge und der spektralen Zusammensetzung des Lichts, die zur Steuerung der Wachstumsrate, Form und Blüte einer Pflanze verwendet werden können. LEDs können zudem viel näher am Blattwerk positioniert werden als herkömmliche Beleuchtungstechnologien, wie z.B. Natriumdampf-Hochdrucklampen, da sie keine Wärme abstrahlen.

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Damit sind energieeffiziente LED-Wachstumslampen eine Schlüsseltechnologie für eine neue Form des Gartenbaus, bekannt als Stadtfarmen, wo Pflanzen in vertikal gestapelten Ebenen ohne natürliches Tageslicht angebaut werden. Es wird davon ausgegangen, dass das Konzept der Stadtfarmen eine wichtige Rolle bei der Ernährung der schnell wachsenden Bevölkerung unserer zunehmend urbanisierten Welt spielen wird.

Im Bereich des Gartenbaus mit künstlicher Beleuchtung wird aktiv an der Erforschung von Spektral- und Intensitätsmischungen, kurz als "Beleuchtungsrezepte" bezeichnet, gearbeitet, um das Wachstum und den Ertrag von Pflanzen mit LED-Beleuchtung zu optimieren. Die Entwicklung und Anwendung dieser "Beleuchtungsrezepte" im modernen Gartenbau erfordert spektrale Messdaten über die reinen und gemischten Farben von LED-Wachstumslampen. Dies erfordert eine neue Generation von Messgeräten als Ersatz für den herkömmlichen PAR-Sensor, ein Quantengerät, das keine spektralen Informationen liefert. Das MSC15 ist ein praktisches, kostengünstiges spektrales Lichtmessgerät, ideal für Routinemessungen von LED-Beleuchtung im Gartenbau. Die zusätzlichen Funktionen des spritzwassergeschützten BTS256-EF eignen sich für anspruchsvollere Messaufgaben in der Gartenforschung.

1972 demonstrierte K. McCree [1], dass die fotosynthetische Reaktion mit der Menge an Photonen korreliert. Siehe Technischer Artikel – Messung von PAR für eine ausführlichere Erklärung. Fotosynthetisch aktive Strahlung, PAR, ist ein beschreibender Begriff für Strahlung im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm (CIE Publikation 106) [2]. Die üblicherweise verwendeten quantitativen PAR-Begriffe sind:

  • Fotosynthetischer Photonenfluss (PPF): Messung der Gesamtzahl von Photonen, die von einer Lichtquelle pro Sekunde im PAR-Wellenlängenbereich emittiert werden. Gemessen in μmol / s. Analog zu „Lumen“ für sichtbares, fotometrisch bewertetes Licht.
  • Fotosynthetische Photonenflussdichte (Photon Flux Density, PPFD): Messung der Gesamtzahl von Photonen im PAR-Wellenlängenbereich, die pro Sekunde auf eine Fläche von einem Quadratmeter einfallen. Gemessen in μmol / m2 / s. Analog zu „Lux“ (lm/m²) für sichtbares, fotometrisch bewertetes Licht.
  • Tageslichtintegral (DLI): kumulative Messung der Gesamtzahl von Photonen innerhalb des PAR-Wellenlängenbereichs, die während eines Zeitraums von 24 Stunden auf einer Fläche von einem Quadratmeter einfallen. Gemessen in mol / m² / d.

Neben der Optimierung der fotosynthetischen Reaktion bietet die LED-Beleuchtung weitere Möglichkeiten. Diese nutzen die Tatsache, dass Pflanzen auch über Fotorezeptoren verfügen, die auf UV- und tiefrote Strahlung ansprechen und damit die Pflanzenentwicklung beeinflussen. Für diese Funktion hat die American Society of Agricultural and Biological Engineers, ANSI/ASABE S640 [3], zusätzliche Messgrößen eingeführt:

  • Ultraviolette Photonenflussdichte (PFDuv) für den Wellenlängenbereich 280 nm bis 400 nm
  • Tiefrote Photonenflussdichte (PFDfr), 700 nm bis 800 nm

Referenzen

[1] Ref 1 McCree, K.J., 1972. The action spectrum, absorptance and quantum yield of photosynthesis in crop plants. Agric. Meteorol. 9: 191-216.

[2] Definition PAR metric (CIE Publication 106, Section 8, 1993

[3] ANSI/ASABE S640 JUL2017 Quantities and Units of Electromagnetic Radiation for Plants

Gigahertz Optik Application Measurement LED Grow Light in Horticulture 2

Gigahertz Optik Application Measurement Human Centric Lighting

App. 007

Lichtmessung im Rahmen der HCL-Lichtplanung

Die aktuelle wissenschaftliche Forschung bestätigt, dass die menschliche Netzhaut neben den Zapfen und Stäbchen, die für das Farb- und Nachtsehen verantwortlich sind, auch nicht bildgebende Fotorezeptoren, sogenannte intrinsisch fotosensitive Ganglienzellen (ipRGC) (ipRGCs) aufweist. Diese spielen eine große Rolle in den menschlichen circadianen Rhythmen. Die spektrale Lichtempfindlichkeit des ipRGCs ergibt sich aus dem Fotopigment namens Melanopsin. Während unsere Kegel und Stäbchen eine spektrale Empfindlichkeit haben, die durch die V (λ)- und V '(λ)-Funktionen für photopisches und skotopisches Sehen definiert wird, haben ipRGCs eine eigene "melanopische" spektrale Empfindlichkeit mit Spitzenempfindlichkeit im blauen Spektralbereich von etwa 480 nm.

Moderne Einblicke in die menschliche Chronobiologie in Kombination mit den Möglichkeiten der SSL-Beleuchtung bieten viele neue Chancen zur Verbesserung der Gesundheit und des Wohlbefindens durch geeignete Beleuchtung. Diese werden allgemein als "Human Centric Lighting" (HCL) bezeichnet, aber auch als "circadian lighting", "biodynamische Beleuchtung" oder "biologisch wirksame Beleuchtung".

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In seiner Grundform versucht ein HCL-Planer typischerweise, die korrelierte Farbtemperatur (CCT) der Beleuchtung so zu steuern, dass sie natürliches Tageslicht nachahmt. Anspruchsvollere Strategien umfassen zudem die Steuerung der melanopischen Beleuchtungsstärke (CIE TN 003:2015) [1] oder des zirkadianen Stimulus (LRC Rensselaer) [2].

Grundvoraussetzung für eine genaue Messung der HCL-Messgrößen ist eine spektrale Charakterisierung der Beleuchtung. Die Messung von "äquivalentem melanopischen Lux" (EML oder melanopische Beleuchtungsstärke), wie sie z. B. vom WELL Building Standard gefordert wird, und die "melanopic daily equivalent illuminance" sind Standardmerkmale unserer spektralen Lichtmessgeräte einschließlich des kostengünstigen spektralen Lichtmessgerätes MSC15

melanopic photopic scotopic responses

HCL befasst sich nicht nur mit der ipRGC-Reaktion auf die Intensität und das Timing von "Blue Light". Stab- und Zapfen-Fotorezeptoren tragen ebenfalls zur menschlichen zirkadianen Phototransduktion bei. Kenntnisse zum Lichtspektrum sind für HCL-Entwickler wichtig. So wurde z.B. nachgewiesen, dass "rotes Licht" die Wachheit erhöht, ohne Melatonin zu unterdrücken.

Zu Forschungszwecken empfiehlt die CIE (CIE TN 003:2015) [1], alle fünf α-opisch äquivalenten Beleuchtungsstärken für S-Kegel, M-Kegel, I-Kegel, Stäbchen und ipRGCs anzugeben. Dementsprechend werden von dem spektralen Lichtmessgerät BTS256-E  und dem Labor-Spektralradiometer BTS2048-VL  die nachfolgenden Messwerte angezeigt:

α-optisch

 

Einheit

Ez Melanopische Beleuchtungsstärke (melanopic illuminance)  z-lx
Ee,z Melanopische Bestrahlungsstärke (melanopic irradiance)  W/m² 
Ev,mel Melanopische tageslichtäquivalente Beleuchtungsstärke (melanopic daylight equivalent lluminance)   lx
Esc Cyanopische Beleuchtungsstärke (cyanopic illuminance) sc-lx 
Ee,sc Cyanopische Bestrahlungsstärke (cyanopic irradiance) W/m² 
Emc Chloropische Beleuchtungsstärke (chloropic illuminance)  mc-lx
Ee,mc Chloropische Bestrahlungsstärke (chloropic irradiance)

W/m²

Elc Erythropische Beleuchtungsstärke (erythropic illuminance)  lc-lx
Ee,lc Erythropische Bestrahlungsstärke (erythropic irradiance)  W/m²
Er Rhodopische Beleuchtungsstärke (rhodopic illuminance)  r-lx
Ee,r Rhodopische Bestrahlungsstärke (rhodopic irradiance)   W/m²


Referenzen

[1] CIE TN 003:2015 Report on the First International Workshop on Circadian and Neurophysiological Photometry, 2013

[2] LRC Circadian stimulus calculator

[3] WELL Building Standard - Circadian lighting design

App. 008

Messung des Flimmerns und Flickerns von SSL-Lampen und -Leuchten für die Allgemeinbeleuchtung

In der Vergangenheit wurden durch die Einführung von elektronischen Vorschaltgeräten für Leuchtstofflampen Bedenken über das durch die Lampen und die Leuchten selbst verursachte Lichtflimmern weitgehend beseitigt. Durch die zügige Einführung der Festkörperbeleuchtung (SSL) ist das Thema Flickern wieder hochaktuell geworden. Dies resultiert aus der Tatsache, dass das LED-Licht sehr schnell und proportional dem Strom folgt, der durch die LED fließt.

Eine regelmäßige Veränderung der Lichtintensität einer Lichtquelle kann sowohl sichtbare als auch nicht sichtbare schädliche Auswirkungen auf den Betrachter haben. Diese Effekte werden zusammen als "Temporal Light Artefacts" (TLA) bezeichnet.

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CIE TN 006:2016 [1] identifiziert drei Arten von visuell wahrnehmbaren TLAs:

  • Flicker: Wahrnehmung von visueller Unstetigkeit, die durch einen Lichtreiz induziert wird, dessen Leuchtdichte oder spektrale Verteilung mit der Zeit fluktuiert. Gilt für einen statischen Beobachter in einer statischen Umgebung.
  • Stroboskopischer Effekt: Änderung der Bewegungswahrnehmung, die durch einen Lichtreiz induziert wird, dessen Leuchtdichte oder spektrale Verteilung mit der Zeit fluktuiert. Gilt für einen statischen Beobachter in einer nicht statischen Umgebung.
  • Phantom-Array-Effekt (Ghosting): Änderung der wahrgenommenen Form oder der räumlichen Position von Objekten, induziert durch einen Lichtreiz, dessen Leuchtdichte oder spektrale Verteilung mit der Zeit schwankt. Gilt für einen nicht statischen Beobachter in einer statischen Umgebung.

Es wird berichtet, dass nicht-visuelle TLAs verschiedene physiologische und psychologische Auswirkungen haben, wie Migräne, Krampfanfälle, autistisches Verhalten, Schwindel usw. Einen umfassenden Bericht neurophysiologischer Effekte bietet IEEE 1789:2015 [2].

TLAs können durch die interne Treiberelektronik von LED-Lampen und -Leuchten sowie durch zugehörige Betriebsgeräte wie Dimmer-Schaltungen verursacht werden. Zusätzlich können TLAs durch vorübergehende Schwankungen in der Netzwechselspannung entstehen. Aktuelle Normen zu Beleuchtungseinrichtungen wie die EN 12461-1 [3] empfehlen die Vermeidung von Lichtflimmern und stroboskopischen Effekten. Bisher sind alle Aussagen zu den Risiken des Flickern und deren Vermeidung reine Empfehlungen. Darum sind IEEE 1789-2015 [2] und (NEMA 77) [4] etwas umstritten. Das US ENERGY STAR-Programm [5] verlangt zwischenzeitlich Tests mit spezifizierten Dimmer-Schaltungen. Forderungen werden auch in Kaliforniens Titel 24: 2016 angegeben. [6]

Zum Zeitpunkt der Abfassung dieses Textes gibt es in Europa noch keine Vorschriften bezüglich der Prüfung und Kennzeichnung von SSL-Produkten in Bezug auf TLA. Ein neuer EN-Standard auf der Grundlage der Empfehlungen von CIE TN 008:2017 [7] wird allerdings kurzfristig erwartet.

Für eine umfassende Beschreibung der verschiedenen Messgrößen, die für die Messung der TLAs angegeben sind, verweisen wir auf den Technischen Artikel – Flicker-Messung mit einem BTS-Messgerät. Auf zwei einfache Messgrößen wird häufiger verwiesen:

Modulation Depth und Flicker Index

  • Modulationstiefe (MD) oder Flicker Prozent – Verhältnis der Differenz und der Summe der maximalen und minimalen Lichtstärken, ausgedrückt in Prozent.
    Formula Flicker percent
  • Flicker Index (FI) – Verhältnis der Bereiche über und unter dem durchschnittlichen Lichtniveau.
    Formula flicer index

Diese Messgrößen unterscheiden jedoch weder zwischen Flicker und Stroboskopeffekt noch berücksichtigen sie den Einfluss der frequenzabhängigen Empfindlichkeit oder die Wellenform des Licht-Flickern. Anspruchsvollere Messgrößen werden daher zunehmend in den Vordergrund gestellt:

  • Kurzzeitige Flicker-Bedingung, Pst (CIE TN006:2016) [1] Bewertung des wahrgenommenen Lichtflackerns für Frequenzen bis zu 80 Hz.
  • Stroboskopische Sichtbarkeitsmessung, SVM (CIE TN006:2016) [1] berücksichtigt Auswirkungen auf das Sehen von sich bewegenden und rotierenden Objekten, wenn diese mit einer Lichtmodulation von bis zu 2 kHz beleuchtet werden.
  • ASSIST Flicker Perception Metric, Mp (ASSIST Bd. 11, Iss. 3) [8] beschreibt eine objektive Methode zur Beurteilung der visuellen Wahrnehmung von Flimmern.

Alle obigen Messgrößen (MD, FI, Pst, SVM und Mp) können mit dem spektralen Lichtmessgerät BTS256-EF und dem Spektralradiometer BTS2048-VL gemessen werden.

Der Begriff "Flicker" wird auch in Verbindung mit Spannungsschwankungen im öffentlichen Netzsystem und dem daraus resultierenden Flickern am Netz angeschlossener Beleuchtungsanlagen verwendet. Die IEC 61000-3-3: 2017 befasst sich mit der Begrenzung der Auswirkung solcher Spannungsschwankungen. Zur messtechnischen Unterstützung der SSL-Hersteller hinsichtlich der Einhaltung der EMV-Richtlinie (2004/108 / EG) steht ein Flicker-Testsystem gemäß IEC TR 61547-1: 2017 [9] zur Verfügung:

  • Messung des Flickers, der durch die Beleuchtungsanlage selber erzeugt wird
  • Messung der Störfestigkeit der Beleuchtungseinrichtungen gegenüber Schwankungen der Netzwechselspannung

Referenzen

[1] CIE TN 006:2016 Visual Aspects of Time-Modulated Lighting Systems - Definitions and Measurement Models

[2] IEEE Std 1789-2015 - IEEE Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers

[3] EN 12464-1:2011 Light and lighting. Lighting of work places. Indoor work places.

[4] NEMA 77: 2017. Standard for temporal light artifacts: Test methods and guidance for acceptance criteria

[5] ENERGY STAR Method of Measurement for Light Source Flicker

[6] CEC Title 24: 2016. Reference appendices: Appendix JA10 - Test Method for Measuring Flicker of Lighting Systems and Reporting Requirements.

[7] CIE TN 008:2017 Final Report CIE Stakeholder Workshop for Temporal Light Modulation Standards for Lighting Systems

[8] ASSIST Recommended metric for assessing the direct perception of light source flicker Volume 11, Issue 3 January 2015

[9] IEC TR 61547‐1:2015. Technical Report: Equipment for general lighting purposes - EMC immunity requirements - Part 1: An objective voltage fluctuation immunity test method

Gigahertz Optik Application Measurement Flicker