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Aus dem Handgelenk

Portable Messtechnik für LED-Lichtdesign

Auf einen Blick

Aussagestarke Messwerte zu Parametern wie Beleuchtungsstärke, Farbtemperatur, Spektralverteilung, Farbwiedergabeindex und CIE-Farbort sind die Grundlage für das Design ergonomisch und energetisch günstiger LED-Beleuchtungssysteme. Solche Werte auch vor Ort genau ermitteln zu können, ist für Lichtplaner unverzichtbar. Flexibel einsetzbare Handmessgeräte dienen dabei als wichtiges Werkzeug.

Lichtdesign als interdisziplinäre Aufgabe

Modernes Lichtdesign bestimmt heute die Beleuchtung von allen Lebensbereichen. Ob Verkehrsbauten, Verkaufsflächen, Museen, Veranstaltungsorte, Parks und städtische Plätze, Verwaltungsgebäude, Büros oder anspruchsvoll gestaltete Privathäuser – als Zielvorstellung gelten überall Beleuchtungslösungen, die sich an den architektonischen Besonderheiten und der spezifischen Nutzung orientieren, die menschliche Wahrnehmung und Zufriedenheit berücksichtigen und schließlich die Ansprüche an Energieeffizienz und Nachhaltigkeit erfüllen.

Als einfaches Alltagsbeispiel dient ein Blick in die Frischfleisch-Auslage eines Supermarktes (Bilder 1a-c): Die Ware ist unter allen drei Lichtquellen gut erkennbar und sieht appetitlich aus. Ein Vergleich zwischen dem linken (CRI = 52) und mittleren Bild (CRI = 82) bei gleicher Farbtemperatur der Lichtquellen zeigt aber, wie wichtig die spektrale Zusammensetzung des Lichts ist, um alle Körperfarben besonders attraktiv zu beleuchten. Der Farbwiedergabeindex (Color Rendering Index, CRI) muss stimmen, also die Maßzahl für die im Vergleich zum Tageslicht (CRI = 100) mehr oder weniger »richtige« Wiedergabe möglichst aller Farben bei künstlicher Beleuchtung. Im Bild 1a (bei einer warmen Farbtemperatur von 3000 K) ist der CRI-Wert mit 52 recht niedrig, während das Bild 1b (CRI = 82) schon wesentlich attraktiver ist. Auch die Ware in Bild 1c bei etwas kälterem Licht (6500 K) wirkt recht ansprechend, dank einem CRI-Wert von 82.

Damit sind zwei Kenngrößen eingeführt, die neben der Beleuchtungsstärke großen Einfluss auf die funktionelle Lichtgestaltung haben. Die Frage ist, wie sich eine derartige Gestaltung in der Praxis effizient erzielen lässt. Die Antwort liegt in den neuen Möglichkeiten der LED-Technologie, die messtechnisch angemessen unterstützt, zu völlig neuen Lösungen führt.

Bilder 1a-c: Das Spektrum der Lichtquellen entscheidet darüber, wie Körperfarben wiedergegeben werden. Bild 1a: Farbtemperatur 3000K und CRI 52, Bild 1b: CRI 82, Bild 1c: 6500K, CRI 82

Bild 2: Ohne Zusatzkomponenten und PC-Anschluss in nur drei Schritten zum Messergebnis.

LED-Lighting – von der Revolution zum Mainstream

Ein wesentlicher Unterschied zu Glühlampen besteht im Emissionsspektrum der LEDs für Beleuchtungszwecke. Dieses beschränkt sich auf den sichtbaren Wellenlängenbereich von 360 bis 760 nm, hat also keine Infrarot-Anteile. LEDs strahlen deshalb in Lichtaustrittsrichtung keine Wärme (oberhalb von 780 nm) ab. So können Waren, wie in den Bildern 1a-c, schonend beleuchtet werden. Am anderen Ende des sichtbaren Spektrums liefern LED-Leuchten auch keine ultraviolette Strahlung (unterhalb 380 nm). Damit entfallen mögliche Schädigungen von Papier, Stoff und Pigmenten durch die energiereiche UV-Strahlung. Das macht die LED-Beleuchtung attraktiv für den Einsatz in Galerien und Museen. Ein möglicher Nachteil ist die dadurch eingeschränkte Wirkung von »Weißmachern« in modernen Druck- und Textilfarben, die auf der Reflexion der UV-Lichtanteile beruht.

Ein wichtiger Grund für den Einsatz von LED-Leuchten ist deren hoher Wirkungsgrad: Eine High-Power-LED-Lampe mit 5 W Anschlussleistung liefert den gleichen Lichtstrom wie eine 13-W-Energiesparlampe oder eine 40-W-Glühlampe (415 lm). Sie verbraucht aber nur ein Achtel der Energie.

Vor dem Hintergrund der zunehmenden Anwendung von LED-Technik hat die photometrische Messtechnik für das LED-Lichtdesign in letzter Zeit große Fortschritte gemacht. Das in diesem Beitrag beschriebene portable Spektroradiometer zur Lichtmessung ist vor allem auf die Anforderungen der LED-Beleuchtungstechnik zugeschnitten.

Portable Lichtmessung

Bisher bestanden tragbare Geräte für Lichtmessungen außerhalb des Labors, wenn sie mehr als nur die Beleuchtungsstärke erfassen sollten, aus mehreren Komponenten: Sensor und Spektrometer sowie PC oder Notebook zur Analyse der Daten. Um Lichtdesignern größtmögliche Mobilität zu bieten, werden diese Funktionen nun in handlichen Geräten zusammengefasst. Bild 2 zeigt das universell einsetzbare Spektroradiometer »MK-350«. Es wurde im letzten Jahr vorgestellt und seitdem schon mehrfach ausgezeichnet. Es ermöglicht auch ungeübten Nutzern, die wesentlichen Lichtparameter in nur drei Schritten zu ermitteln:

1)   auf die Lichtquelle zielen
2)   per Knopfdruck die Messung auslösen
3)   nach drei Sekunden den Messwert ablesen

Dazu vereint das Gerät einen Lichtaufnehmer mit einer Cosinus-Korrektur, die nahe am Idealverlauf liegt, ein hoch auflösendes Spektrometer neuartiger Architektur, dessen Halbwertsbreite von 12 nm noch ein Wellenlängen-Inkrement von 1 nm darstellen kann, sowie einen Zeilensensor in CMOS-Technologie mit leistungsfähiger Auswerteelektronik. Zur Bedienung des Geräts und Darstellung der Ergebnisse dient ein berührungsempfindliches 3,5-Zoll-Farbdisplay mit ¼-VGA-Auflösung. Mit dem geringen Durchmesser des Lichtaufnehmers von 6,6 mm lassen sich die Daten auch kleiner, punktförmiger Strahler, wie Einzel-LEDs, sicher erfassen.

Bild 3: Das Messgerät kann in vier Betriebsmodi genutzt werden.

In seinen vier Betriebsarten (Bild 3) Basic, Spectrum, CIE1931 und CIE1976, liefert das Gerät die wesentlichen Lichtparameter:

•     Beleuchtungsstärke
•     Spektrale Energieverteilung
•     Farbort nach CIE-Standard
•     Peak-Wellenlänge
•     Farbtemperatur
•     Farbwiedergabeindex (CRI)

Der Messbereich der Beleuchtungsstärke reicht von matten 70 lx bis zu strahlenden 70.000 lx, mit einer Messtoleranz von ±5%. Das Spektrum wird für Wellenlängen zwischen 360 und 750 nm erfasst. Dabei blendet die Wellenlängenbegrenzung des eingesetzten Spektrometers die Ultraviolett- und Infrarot-Anteile außerhalb des sichtbaren Spektrums sicher aus. Durch diese Begrenzung ist das LED-Meter »MK-350« für andere Lichtquellen wie Halogenstrahler oder Leuchtstofflampen nur bedingt geeignet, mit möglicherweise verringerter Genauigkeit.

Zur optimalen Aussteuerung des Zeilensensors für höchste Genauigkeit wird die Integrationszeit automatisch im Bereich 8 bis 1000 ms angepasst. Sie lässt sich aber, vor allem für den Vergleich verschiedener Strahler, auch manuell einstellen.

Aus dem Spektrum wird auch die Peak-Wellenlänge des gemessenen Strahlers, also dessen spektraler Anteil mit der größten Intensität, bestimmt und in der Betriebsart Basic angezeigt. Ergänzend kann man im Spectrum-Modus messen und eventuelle Nebenmaxima finden und bewerten.

Bild 4: Spektrumsanalysen geben Auskunft über die Art der Leuchtmittel.

Eine einfache Nutzung der Spektralfunktion ist im Bild 4 dargestellt: Hier soll festgestellt werden, um welche Art Strahler es sich handelt. Das linke Bild ist typisch für Tageslicht mit einer Wellenlängenspitze bei 466 nm (Farbe blau). Im mittleren Bildteil strahlt eine Glühlampe mit einem Maximum im Infrarotbereich, der hier aber nicht mehr erfasst wird. Als höchster Wert erscheint deshalb der langwellige Grenzbereich des Spektrometers von 760 mm (Farbe dunkelrot). Der rechte Bildteil charakterisiert eine LED-Lampe mit ihrem Anregungsmaximum bei 451nm (blaue LED) und ihren durch Phosphor-Konversion transformierten Nebenmaxima.

Für die Bestimmung des Farbortes nach CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) sieht das »MK-350« zwei Betriebsarten vor. Sie legen die Position des gemessenen Strahlers im Farbraum gemäß CIE1931 als x,y-Koordinaten und im einfacher zu berechnenden CIE1976-Standard als u‘,v‘-Koordinaten fest. Dabei beträgt das Toleranzband der Farbabweichung für CIE1931-Messwerte nur ± 0,0025 %. Für die Wiederholgenauigkeit der Messung gelten niedrige 0,0005 %, sodass die vierstellige numerische Darstellung der gemessenen Koordinaten in den Bildern Sinn ergibt.

Aus der Bestimmung des Farborts erfolgt die Berechnung der Farbtemperatur als CCT- (Correlated Color Temperature) Wert in Kelvin. Die Farbtemperatur charakterisiert einen dem untersuchten Strahler am nächsten liegenden Ort auf der Kurve der Strahlung des idealen schwarzen Körpers. Dafür ist ein Definitionsbereich von 2500 bis 10000 K vorgesehen, der übliche Lichtfarben wie warmweiß, neutralweiß oder kaltweiß abdeckt.

Die aus der Spektralanalyse stammenden Daten bilden die Grundlage zur Bestimmung des Farbwiedergabeindex CRI. Er wird als arithmetischer Mittelwert Ra aus dem Mittelwert der einzelnen Farbwiedergabeindizes für die ersten acht CIE-Testfarben (von insgesamt 14, mit genormter Remission nach DIN 6169). Ra-Werte oberhalb 90 für künstliche Strahler gelten als ausgezeichnet. Werte zwischen 80 und 90 sind in den meisten Fällen ausreichend für eine gute Farbwiedergabe; unterhalb 60 werden die Testfarben nur eingeschränkt wiedergegeben.

Anwendung in der Produktdefinition

Mit steigender Nachfrage nach LEDs für Beleuchtungszwecke müssen deren Spezifikationen den Ansprüchen der Kunden angepasst werden. Wenn ein Leuchtenhersteller 100 Halogenlampen bei seinem Hersteller ordert, kann er sicher sein, dass alle 100 Exemplare im gleichen Weiß leuchten. Die Herstellung von LEDs für Beleuchtungszwecke ist komplexer. Daher kann es vorkommen, dass einzelne LED-Lampen einer Serie unterschiedliche Farbstiche zeigen und in einem Binning-Prozess seitens des Herstellers oder Leuchtendesigners entsprechend sortiert werden müssen. Diese Sortierung lässt sich bei der Bestückung oder Erweiterung von komplexen LED-Leuchten mit einem LED-Messgerät in zwei Schritten durchführen:

1)  Messung der Beleuchtungsstärke in Lux und Bestimmung des Farbortes im x,y-Raum nach CIE1931 oder im u‘,v‘-Raum nach CIE1976. Damit wird sichergestellt, dass die Lichtfarbe quantitativ stimmt.
2)  Messung des Farbwiedergabeindexes CRI und Vergleich der Spektren. Das sichert die spektrale Identität.

Bild 5: Angewendet werden kann das Messgerät z.B. beim LED-Binning. Der Farbort von Einzel-LEDs lässt sich auf Knopfdruck im x,y- oder u´,v´-Farbraum ermitteln. Die spektrale Analyse von LEDs kann für Leuchtenhersteller wichtig sein, wenn sie mehrere Einzel-LEDs in einer Leuchte kombinieren.

Bild 5 zeigt Messergebnisse an drei als »weiß« gekennzeichneten LEDs: links der gewünschte Typ, in der Mitte eine leicht rotstichige Variante und rechts eine bläulich angefärbte Version. Mit dem Datensatz, den ein LED-Messgerät wie das »MK-350« liefert, lassen sich die Unterschiede quantifizieren und in verbesserte Produktdefinitionen umsetzen.

Eine für das Binning von LEDs typische Anwendersituation liegt beim Design von Leuchten vor, die eine bestimmte Anzahl räumlich nah beieinander liegender LEDs verwenden. Ein repräsentatives Beispiel dafür sind die LED-Leuchten von Nimbus. Das Programm des Leuchtenherstellers umfasst LED-Lichtlösungen für Büro- und Geschäftshäuser sowie Privatkunden.

Grundprinzip des Leuchtendesigns von Nimbus ist die flächige Einbettung multipler Low-Power-LEDs (mit Leistungen um 0,3 W) als Raster einzelner Lichtpunkte in eine dünne Acrylplatte von etwa 1 cm Dicke. Dies führt zu einem strikt minimalistischen Design von Stand- und Tischleuchten, aber auch von Einbauleuchten für Decken und Wände, die sehr gut mit modernen, stilistisch reduzierten Interieurs harmonieren. Das flache Leuchtendesign erlaubt zudem eine geringe Installationstiefe.

Lichtstimmung garantieren

Die Lichtstimmung derartiger LED-Beleuchtungssysteme, hebt Frank Schlosser, Leiter der Projektsteuerung bei Nimbus, hervor, soll unter allen Betriebsbedingungen konstant sein und den gewählten Spezifikationen entsprechen. Für Wohnräume werden oft wärmere Farbtemperaturen gewünscht, für Arbeitsplätze kühlere, zur Tätigkeit anregende Werte. Das Licht von LED-Lampen, lässt sich, da sie Halbleiterbauelemente sind, über komplexe Treiberschaltungen, die meist auf einer Platine mit den Leuchtdioden montiert sind, in weiten Grenzen steuern. Auch selbsttätige Tageslichtereglungen oder Präsenzmelder für Personen kommen zum Einsatz und ermöglichen, zusätzlich zu den ohnehin geringen Anschlusswerten der LED-Leuchten, weitere Energieeinsparungen.

Bild 6: Einsatz des portablen Lichtmessgeräts bei einer bereits installierten Leuchte.

Portable Messgeräte zur Lichtmessung werden bei Nimbus in der Projektentwicklung bei Ortsterminen beim Kunden eingesetzt (Bild 6). »Das erspart die Mitnahme von Laptops oder Labormessgeräten«, sagt Schlosser. »Ein tragbares Gerät ist besonders günstig, wenn man an Leuchten in unterschiedlichen Höhen, etwa nahe der Decke, mit einhändiger Bedienung messen kann.«

Alle Messdaten werden im »MK-350« auf einer handelsüblichen SD-Karte gespeichert. Sie lassen sich auslesen und als Excel-Tabellen dokumentieren. »Mit aufgestecktem Messkopf kann man neben dem Gesamtbild einer Leuchte auch jede einzelne LED ausmessen.«

Das erleichtert beim Nachbestellen einzelner LEDs oder bei der Erweiterung eines Leuchtsystems die Auswahl der passenden Lichtfarbe. »Der Kunde ist sicher, dass er durch das bestmögliche Binning die richtige Farbanpassung erhält.« Gerade wegen der Erkennbarkeit der LEDs als einzelne Lichtpunkte und ihrem geringem Abstand zueinander ist die Sensibilität schon gegenüber geringen Abweichungen recht hoch.

»Wir sind mit dem Gerät sehr zufrieden«, urteilt Schlosser über das »MK-350« Wir hatten vorher ein anderes Gerät im Einsatz. Aber die Farbwerte waren damit nicht konsistent bestimmbar, mit Abweichungen bis zu 300K. Das »MK-350« arbeitet, auch was die Akkuladung betrifft, problemlos.«

Weitere Informationen:

Fotos 1-6: UPRtek, Taiwan, www.uprtek.com
Nimbus Leuchten, Stuttgart, www.nimbus-group.com


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