ILT Auge – LED-Licht

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Auge – LED-Licht
Warum LED-Leuchtmittel von
Luxmetern falsch gemessen werden
„Wer mißt, mißt Mist“, sagt das allen Wissenschaftlern und Technikern bekannte
„Grundgesetz der Meßtechnik“. Warum dieser Satz auch zutrifft, wenn LED-Leuchtmittel
mit normalen Luxmetern gemessen werden, wird auf den folgenden Seiten beschrieben.
Basisinformationen zur LED-Lichttechnik
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Wegen ihrer vielfältigen Vorteile (siehe Kasten auf
der hinteren Umschlagseite) finden LED-Leuchtmittel immer größere ­Verbreitung. Das führt
natürlich auch dazu, dass die Helligkeit von LEDLeuchtmitteln mit der herkömmlicher Leuchtmittel verglichen wird.
Da­zu wird gerne neben dem „Augenschein“ (also
dem einfachen Vergleich über das Sehempfinden)
ein Luxmeter benutzt. Denn darüber verfügen
nicht nur Fotografen und Lichtfachleute, sondern
auch viele Hob­by­fotografen. Und alle machen
die gleiche Beobachtung: Es wurde das richtige
Ersatzleuchtmittel gewählt, das Auge sagt: „Das
LED-Leuchtmittel ist ja etwas heller (und das
Licht ist klarer) als das herkömmliche Leuchtmittel“ – doch schaltet man die beiden Leuchtmittel
wechselseitig ein und mißt mit dem Luxmeter,
„behauptet“ dieses „steif und fest“: „Das herkömmliche Leuchtmittel ist heller“.
Wer hat nun recht, das Auge oder das Meßgerät? Wohlgemerkt ein Meßgerät, das entwickelt
­wurde, um die Helligkeit zu messen, wie sie
vom Auge wahrgenommen wird! Und mit dem
Preis, der Qualität usw. des Luxmeters hat das
Ganze nichts zu tun, denn preiswerte „NoName“Luxmeter liefern das gleiche Ergebnis wie teure
Profigeräte. Die Erklärung liefert die Fachbroschüre
Bild 1. Links ein Querschnitt durch das Auge. In der Mitte ist
die Anordnung von Stäbchen und Zapfen auf der Netzhaut
und rechts ein einfacher Zapfen zu sehen. Vereinfacht gesagt,
eines weltweit führenden Herstellers für LichtMeßtechnik, der u.a. Spektralradio­meter herstellt:
„Traditionelle Photometer hingegen sind auf die
Messung von breitbandigen Strahlungsquellen wie
Halogenlampen optimiert und weisen am Rand
des sichtbaren Spektralbereiches eine schlechte
Anpassung des Detektors an die Augenempfind­
lichkeitsfunktion auf. Deshalb ergeben sich
insbeson­dere bei blauen, roten und weißen LEDs
erhebliche Messfehler, wenn Photometer verwendet werden.“1)
Offensichtlich ist das Phänomen Fachleuten also
bekannt. Es ist so bekannt, dass die CIE (Com­
mission Internationale De L’Eclairage, Internationale Beleuchtungskommission) in ihrem Dokument TC-127 eine weltweit gültige Empfehlung
für LED-Messtechnik veröffentlicht hat und neue
Normen in Entwicklung sind, die der LED-Lichttechnik gerecht werden. Denn nicht nur bei der
Helligkeit, sondern auch bei der Farbtreue (CRIWert) ergeben die alten Messtechniken bei der
LED-Technik „falsche“ Ergebnisse, wenn man das
menschlische Auge als Maßstab nimmt!
Auf den beiden folgenden Seiten wird in allgemein verständlicher Form erklärt, worin das Problem besteht und wie man damit richtig umgehen kann. Biologie- und Physikprofessoren mö-
sind die Stäbchen für das Hell-Dunkel-Sehen und Zapfen sind
für das Farbsehen „zuständig“, wobei letztere jedoch auch
Helligkeitswerte „liefern“.
Quellenangabe: Das Zitat wurde der Broschüre „Innovative LED-Meßtechnik für das Licht der Zukunft“ der Instrument Systems GmbH,
München, entnommen. Die Firma ist ein weltweit führender Hersteller für Licht-Meßtechnik (Goniometer, Spektralradiometer u.ä.).
1)
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Bild 2. Die Empfindlichkeitskurven der Zapfen. Die blauviolett-, grünund rot-empfindlichen Zapfen „ermitteln“ die unterschiedlichen
Farbanteile des Lichtes und leisten zugleich einen Beitrag zur
Helligkeitsempfindung
gen uns verzeihen, wenn wir dabei nicht auch noch
das letzte Detail erwähnen: so einfach es für uns (von
Blinden abgesehen) ist, zu sehen, so kompliziert wird
es, wenn man näher untersucht, wie unsere Augen es
überhaupt fertigbringen, farbig zu sehen.
Bild 3. Die rote Kurve zeigt die errechnete GesamtHelligkeitsempfindung des menschlichen Auges bei Tag,
die blaue Kurve gilt für das „nachtadaptierte“ Auge. Die
Meßsensoren aller gängigen Luxmeter bilden die rote
Kurve so exakt wie möglich nach. Deren „Peak“ liegt bei
560 nm (Wellenlänge in Nanometer). Also etwa dort, wo
sich in Bild 2 die grüne und die rote Kurve kreuzen. In der
Realität arbeitet das Auge jedoch „breitbandig“, mit allen
drei Zapfentypen und zusätzlich noch den Helligkeitswerten der Stäbchen: „... wer mißt, mißt Mist.“
In der Netzhaut des Auges sind die Zapfen für das
Farbsehen zuständig. Es gibt blau-violett-empfindliche
Zapfen, grün-empfindliche Zapfen und rot-empfindliche Zapfen. Die Stäbchen „ermitteln“ den Helligkeitswert (allerdings nicht alleine, sondern zusammen mit
den Zapfen). Das ist zwar nur ein „Auszug“ aus dem
Gesamtprozeß des Sehens (in dem auch noch Neuriten und Neuronen eine Rolle spielen), jedoch genau
der für unser Thema wichtige. Bild 2 zeigt die Empfindlichkeitskurven der drei verschiedenen Zapfentypen
für die Lichtwellenlängen.
In Bild 3 ist zu sehen, welchen Gesamteindruck das
Seh­zentrum des Gehirns nun aus den unterschiedlichen Informationen von Zapfen, Stäbchen und
übrigen Nervenzellen insgesamt bildet. Dabei gilt die
rote Kurve für das Tagessehen und die blaue für das
Nacht­sehen.
Die Helligkeitssensoren gängiger Luxmeter bilden
daher die rote Kurve so exakt wie möglich nach. Dies
entspricht dem ursprünglichen Hauptzweck dieser
Meßgeräte („Belichtungsmesser“ für die Fotografie).
In Bezug auf die Lichtmeßtechnik war schon immer
bekannt, dass Luxmeter nur für „Alltagsmessungen“,
nicht jedoch für wissenschaftliche Messungen geeignet sind. Und auch dies nur, weil die meisten Leuchtmittel eine zwar „unsaubere“, aber doch relativ flache
Bild 4. Die Spektralverteilung von LED-Leucht­mitteln der
gängigen Lichttypen „warmweiß“ (Oben), „normalweiß“
(Mitte) und „kaltweiß“ (Unten). Die Ähnlichkeit dieser
Kurven zu Bild 2 zeigt: LED-Leuchtmitteln liefern genau in
den Farbbereichen den größten Anteil, in denen das Auge
besonders empfindlich ist. Ergebnis: für unser Auge ist LEDLicht hell und klar. Luxmeter sind eben keine Augen ...
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Spektralkurve haben (deshalb ist in dem Zitat des Meßgeräteherstellers auf Seite 2 von „breitban­digen Strahlungsquellen“ die Rede). LED-Leucht­mittel dagegen
haben eine ganz andere Spektralverteilung (siehe
Bild 4). Sie zeigen einen Kurvenverlauf, der im BlauViolett-Bereich einen einzelnen „Peak“ bildet und einen
abgerundeteren „Hügel“ im grün-roten Bereich.
Diese Zusammenhänge wurden zuerst insbesondere bei der KFZ-Beleuchtung erforscht. Denn hier gibt
es zwei Hauptfaktoren. Der eine ist Energieersparnis.
Für den Gesamtstromverbrauch eines Autos spielt die
Beleuchtung eine wesentliche Rolle: und sie geht direkt
mit in den Spritverbrauch ein, bei dem im heutigen
Wettbewerb auch die „Nachkommastellen“ ein wichtiger Faktor sind. Eine Beleuchtungstechnik mit niedri­
gem Energieverbrauch und hoher Sichtbarkeit und
da­durch Sicherheit: das ist für die KFZ-Technik ideal.
Bild 5. Das typische Spektrum eines HQI-Leuchtmittels
zeigt einen breitbandigen Verlauf
Bild 6. Typischer Spektralverlauf einer Leuchtstoffröhre.
Das Licht von Leuchtstoffröhren empfinden viele
Menschen vor allem im direkten Vergleich mit LED-Licht
als „unstetig“ oder „verwaschen“. Der Spektralverlauf
zeigt, dass dieser Eindruck berechtigt ist.
Ein Meßgerät, mit dem LED-Licht richtiger gemessen
wird, darf aus den genannten
Gründen nicht nur einen Sensor
Allgemeine Produktvorteile der LED-Lichttechnik
benutzen. Dies war für den
Energieersparnis 50-80%
ursprünglichen Zweck der
Luxmeter, die Fo­to­technik, ausHohe Umweltfreundlichkeit: kein CO2, keinen Schwefel
reichend. Schon für die Messung
Kein Quecksilber, Kadmium, Barium, Blei, Natrium, usw.
bisheriger Leuchtmittel waren
Stoß- und Rüttelfest, Splitterschutz
Luxmeter nur begrenzt tauglich.
Bei Beschädigung keine Schadstofffreisetzung
Jetzt jedoch müssen Sensor und
 Kein Flimmern oder Flackern, kein Brummen
Meß­methodik die reale spektrale
Mittlere Lebensdauer 50.000 h, manche Produkte mehr
Empfindlichkeit des mensch­Hohe Recyclingfreundlichkeit
lichen Auges so exakt wie möglich nachbilden. Gefragt ist daher
Korrekte Farbwiedergabe, hohe Farbsättigung
ein dreisensoriges „SpektroluxBis zu 105 Lumen/Watt (Potential noch nicht ausgeschöpft)
meter“ mit einem Mikrochip zur
Keine Einschaltverzögerung: ideal für Bewegungsmelder
korrekten Ergebnisaddition. Und
Niedertemperaturfähig (je nach Modell bis –40°C)
eine völlig neue Norm für den
Sehr hohe Wartungskostenersparnis
CRI-Wert. Doch die ist schon in
Sehr geringe Wärmeentwicklung
Arbeit.
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Genau da, wo die entsprechenden Zapfen ihre höchste
Empfindlichkeit haben, „liefern“ LED-Leuchtmittel also
einen besonders hohen Lichtanteil. Sie unterstützen
dadurch die Arbeit des Auges. Dies ist vor allem beim
blau-violetten Anteil deutlich, der eine beson­ders große
Rolle für das Helligkeitsempfinden spielt. Insofern gibt
Bild 3 gleich noch eine deutliche Darstellung, wie groß
der Meßfehler gängiger Luxmeter bei der Messung von
LED-Leuchtmitteln ist.