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Lichtfarbeindruck
Zu Beginn des Theorieseminars der Electrosuisse erklärte Prof. Khanh (TU Darmstadt) einiges zur Qualität von Leuchtdioden, Merkmale zu Farbraum und Testfarbenauswahl, Farbwiedergabe, Referenzlichtquellen, Sättigungserhöhung, Farbgamut (Farbumfang) und Farbpräferenz der Beleuchtung.
1927 hatte der Reichsausschuss für Lieferbedingungen und Gütesicherung das RAL-System für Farbräume eingeführt. 1993 wurde es zwar als RAL DESIGN von 40 auf 1625 Farben erweitert, aber die vielen Begriffsversuche entsprechen nicht der visuellen Wahrnehmung bzgl. Präferenz, Lebendigkeit oder Natürlichkeit. Der Weisspunkt auf der Wand bestimmt die Adaptation und Grundstimmung; Emissions- und Reflexionsspektren wechselwirken miteinander.
Wünschenswert wäre ein «wahrnehmungsmässig gleichabständige Farbraum». Zwischen 4500 K bis 5500 K benutzt man eine Linearkombination von zwei Lichtquellen (Planck’sche Strahler und Tageslichtphasen) für die wissenschaftlich korrekte Referenzberechnungen, während die sogenannte Farbpräferenz eine subjektiv-emotionelle Bewertung der BeobachterIn darüber ist, ob ihr die aktuelle Farberscheinung eines farbigen Objektes unter einer aktuellen Testlichtquelle – objekt-, beobachter- und situationsabhängig – gefällt.
Farbwiedergabeindex
Der Farbwiedergabeindex ist eine dimensionslose Kennzahl, die maximal den Wert 100 annehmen kann und wurde mit der englischen Abkürzung CRI, Colour Rendering Index, nun lange benutzt. Aber weil gesättigte Farben vollständig fehlten und um eine bessere Relation zwischen der menschlichen Farbwahrnehmung (Farbe) und den physikalischen Ursachen des Farbreizes (Farbvalenz) herzustellen, wird CRI nun von der CIE (Commission internationale de l’éclairage) durch TM30-15 abgelöst werden. Dies wurde durch die riesige Zahl unterschiedlicher spektraler Verteilungen der LEDs ausgelöst (IES-Methode zur Bewertung der Farbwiedergabe von Lichtquellen mit Rf statt Ra)
Die LED-Beleuchtungen sind genügend ausgereift, dass sie in Räumen, in denen es auf eine gute Farbqualitätswiedergabe ankommt, durchaus zur Beleuchtung genutzt werden können, wie etwa im Lenbachhaus-Museum in München und so eine dem Tageslicht ähnliche Wirkung zu erzielen und gleichzeitig ein breites Spektrum von sehr kaltem, bläulich erscheinendem Licht (6000 Kelvin) bis zum warmen Ton (3000 Kelvin) zu ermöglichen.
Blendung
Leider sind LEDs nicht frei von Blendung. Zu den Einflussfaktoren der Blendung gehören der Raumwinkel zur Lichtquelle mit ihrer Leuchtdichte und die Umfeld-Leuchtdichte in Blickrichtung, wie Prof. Schierz ausführlich darlegte. Dabei sind verschiedene Blendungsarten zu unterscheiden, z.B. nach der Blendquelle (nahe zur Blickrichtung = Infeldblendung) oder peripher im Gesichtsfeld (Umfeld). Blendung, welche die Sehfunktion beeinträchtigt, ist eine physiologische Blendung (Fig.1), während Blendung, die sich auf eine Störempfindung bezieht, als eine psychologische Blendung (die richtungsunabhängig ist) bezeichnet wird. Beide können unabhängig voneinander auftreten. Maximale Grenzwerte der UGR (Unified glare rating) für Arbeitsplätze im Innenraum gibt die Norm Deutsche Institut für Normung DIN EN 12464-1 vor: technisches Zeichnen UGRL=16, Empfang 22, Archive 25 (Tabellenverfahren).
Bei sehr hohen Leuchtdichten kann die vorhandene Blendung absolut sein oder durch zu hohe Leuchtdichtekontraste im Gesichtsfeld, also relativ, ausfallen. Blendung durch unmittelbare Einwirkung der Blendquelle nennt man eine direkte und – z.B. bei nasser Strasse – eine durch spiegelnde Reflexion, die sich in der Nähe des Sehobjekts befindet oder dieses überlagert, dementsprechend eine Reflexblendung. Für den Blendschutz durch Lichtimmissionen wird eine nachts maximal zulässige Leuchtdichte nach LiTG-Publ. Nr. 12,3 in Formeln gefasst vorgegeben.
In der TU Ilmenau befasst man sich mit LED-Leuchten-Blendung. Diese weisen aus Effizienzgründen oft eine Matrixstruktur auf. Über welche Fläche ist für UGR die Blendquellen-Leuchtdichte zu mitteln? Weiter offene Fragen: Hat die Matrix-Struktur einen zusätzlichen Einfluss auf die Blendung? Wenn ja, ist dieser Einfluss für unterschiedliche Positionen im Gesichtsfeld unterschiedlich? Wird die Blendung geringer, wenn die LED-Zwischenräume aufgehellt werden, um dort den Kontrast zu reduzieren? Spielen Abstände und Farben eine Rolle. Als Hypothese gilt: Die effektive Leuchtdichte ist zur Blendungsbewertung in Innenräumen geeignet. Zur Berechnung der effektiv leuchtenden Fläche bei LED-Leuchten muss das Leuchtdichtebild der Auflösung des Auges und der rezeptiven Felder angepasst werden, da die «wahrgenommene» Auflösung bei Blendung durch LEDs eine wichtige Rolle spielt.
Fazit: In einer Leuchte können alle Pixel mit Leuchtdichten über 500 cd/m2 blenden. Sowohl die maximale wie die mittlere Leuchtdichte sind relevant. Der Beobachtungswinkel hat einen starken Einfluss, die grösste Blendung erhält man bei direktem Blick. Der insgesamt wahrgenommene Blendwert mehrerer LEDs ist nicht grösser als die Summe der wahrgenommenen Blendwerte einzelner LEDs. Der Abstand der LED innerhalb der Leuchte hat keinen Einfluss auf das Blendempfinden.
Seit langer Zeit sind verschiedene Arten von Blendung bekannt, ebenfalls die Auswirkungen der Grösse und Leuchtdichte der Blendquelle, deren Lage im Gesichtsfeld und der Adaptationsleuchtdichte. Die neuen technischen Gegebenheiten der LEDs als Lichtquelle ermöglichen hohe Energieeffizienz und die Umsetzung völlig neuer adaptiver und multifunktionaler Beleuchtungskonzepte. Die LED stellt aber nicht nur eine technologische Herausforderung dar, auch das wissenschaftliche Verständnis zur Lichtwahrnehmung, insbesondere der Blendung, muss neu überdacht werden. Die LED als kleiner heller Lichtpunkt wird vom bestehenden UGR Blendungs-Bewertungsverfahren nicht erfasst. Ziel ist ein erweitertes UGR-Verfahren zur Bewertung der psychologischen Blendung durch LED-Leuchten (CIE JTC7). Für die physiologische Blendung wird kein neues Verfahren benötigt, es ergeben sich aber neue Herausforderungen bei der Messtechnik.
Sensoren, Automation und Gebäude Integration
Der digitale Standard für Leuchten (DALI, Digital Adressable Lighting Interface) wurde als Protokoll zur Interoperabilität der späten 1990er-Jahren entworfen und bildet das Fundament für uneingeschränkten Datenaustausch innerhalb der Beleuchtungsanlage. Gemäss Volker Barth (Dornbirn) hilft die Version DALI 2, die Lücken in der ursprünglichen Norm zu füllen, fügt neue Funktionen hinzu, stellt Steuer- und Vorschaltgeräte vor und bildet die Basis für die zukünftige Integration von Eingabegeräten unter Beibehaltung der Abwärtskompatibilität,um dem IEC62386-Standard gerecht zu werden. Zudem wird durch eine intelligente Ansteuerung der Vorheizung bei Dimmvorgängen die maximale Lampenlebensdauer erreicht. Seine digitale Schnittstelle ermöglicht die exakte Umsetzung der Dimmwerte in die gewünschten Mischverhältnisse.
Flickern wirkt auf den Menschen
Die visuellen Effekte bei zeitlich modulierter Beleuchtung wie Flimmern1, Stroboskopeffekt und Perlschnureffekt wurden vom Ingenieur Dmitrij Polin (TU Darmstadt) demonstriert.
Uneingeschränkt empfohlen wird ein Betrieb der LED bei über 3 kHz, weil es hier zu keinen nachweisbaren Auswirkungen mehr kommt.
In Bezug auf die Bewertung von Flackern und Flimmern von LED-Lichtquellen befinden wir uns noch am Anfang. Auf den Datenblättern sollten jedenfalls der Flicker Index und die Modulation (Amplitude der Welle) gegen die Frequenzen aufgeführt werden (https://www1.eere.energy.gov/buildings/publications/pdfs/ssl/flicker_fact-sheet.pdf). Auch ein Flackern mit hoher Frequenz, ausserhalb des visuell wahrnehmbaren Bereichs, sollte man nicht vernachlässigen. Untersuchungen zeigen, dass auch diese Art des Flimmerns Auswirkungen auf den menschlichen Organismus haben kann, wie die Ende 2015 erschienene Kommission IEEE 1789 mit dem Titel «Recommended Practices for Modulating Current in High-Brightness LEDs for Mitigating Health Risks to Viewers» erläutert. Ihre Empfehlungen sollte man unbedingt befolgen.
Mit dem richtigen LED-Treiber kann man inzwischen Flickern wie auch Dimmen (Fig.2) ziemlich weit in den Griff bekommen, erklärte Ge Hulsmans (EldoLED, Acuity Brands: PWM, CCR, Hybrid drive)) den Fachleuten im vollen Hörsaal und appellierte an ihre Verantwortung, sich für gute Lichtqualität einzusetzen, denn das Auge lässt sich nicht täuschen.
Melanopsin sei dank: Biologisch aktives Licht
Melatonin ist das wichtigste Hormon der Zirbeldrüse und kann als das körpereigene Signal für die nächtliche Dunkelphase bezeichnet werden. Es wirkt bei Menschen Schlaffördernd, aber bei nachtaktiven Tieren aktivierend. Durch Licht erfolgt eine Unterdrückung der Melatoninausschüttung.
Der Basler Chronobiolog Porf. C. Cajochen hatte schon im Vorjahr (IZA 2016/3) den Einfluss von Melatonin auf den Schlaf erläutert.
Die Entdeckung eines neuen Rezeptors in der Netzhaut im Jahr 2002 gelang dank einer blinden Person, die Licht (mehr als zufallsbedingt) «sah». Da wurde man auf den photosensitiven Rezeptor Melanopsin aufmerksam, der Signale an den Taktgeber im Kerngebiet im Gehirn von Säugetieren sendet: Der Nucleus suprachiasmaticus (engl. SCN ) ist ein 0,8 mm kleines Gebiet unter dem III. Hirnventrikel und über der Kreuzung der Nervi optici (Chiasma opticum) und hauptsächlicher Regulator der inneren Uhr.
Selbst wenig blaues Licht (auch von einem PC oder smartphone) unterdrückt Melatonin innert Minuten und verschiebt die Schlafkurve bis zu vier Stunden, was nur zur Hälfte mit viel hellem Licht am Morgen wieder rückgängig gemacht werden kann. Anders als Zapfen und Stäbchen dienen die sogenannten intrinsisch photosensitiven retinalen Ganglienzellen (ipRGC von intrinsically photosensitive retinal ganglion cells) nicht dem Sehen, da sie kein Bild in das Zentralnervensystem übermitteln, sondern lediglich eine Helligkeitsinformation zur Steuerung der inneren Uhr.
Meldet er diesem den Zustand «hell», so wird in der Zirbeldrüse nachts die Produktion des «Dunkelhormons» Melatonin unterdrückt. Erst wenn kein Licht mehr aufs Auge fällt, wird die Melatonin-Produktion nicht mehr zurückgehalten. Die Körpertemperatur sinkt, der Schlaf setzt ein.
Jede der Nervenzellen im SCN hat eine eigene innere Uhr. Im Normalfall gehen die inneren Uhren dieser Zellen synchron und verstärken somit das Zeitgebersignal zu einem gemeinsamen starken Steuersignal für die innere Uhr. Der «Tag», den der suprachiasmatische Kern den Zellen vorgibt, dauert allerdings immer etwas länger als 24 Stunden – und verschiebt deshalb den Tag mehr und mehr gegenüber der realen Ortszeit. Bei der Rückkehr ans Tageslicht äussert sich das in einer Art Jetlag. Um dieses «Freilaufen» der inneren Uhr zu verhindern, braucht es Licht von aussen. Hier reichen schon sehr geringe Lichtstärken aus, um den Schlaf-Wach-Rhythmus von Probanden aus dem Takt zu bringen.
So konnte Christian Cajochen von der Universität Basel nachweisen, dass schon eine 30-minütige Bestrahlung mit Blaulicht von nur 5 Lux am Abend die subjektive Aufmerksamkeit von Versuchspersonen in der Nacht erhöht und die Tiefschlafphasen verkürzt – verglichen mit einer Bestrahlung durch grünes Licht. Ausserdem sank der Melatonin-Spiegel deutlich ab.
Visueller Komfort samt Nutzerproduktivität
Licht mit viel Blauanteil um 460 nm entfaltet beim Menschen eine aktivierende, konzentrationsfördernde Wirkung.
Licht hat viele nicht-visuelle biologische Effekte beim Menschen
l Synchronisation der zirkadianen Rhythmen
l Unterdrückung des Melatonins («Finsternis-Hormon»)
l Alarmierung und Verbesserung der kognitiven Leistungsfähigkeit
l Regulierung der Pupillengrösse
l Verbesserung der Stimmung (Antidepressivum)
l Steigerung der körperlichen Leistungsfähigkeit bei Top-Athleten
l Helle Farbe moduliert geistige Anstrengung
Dynamisches Licht
In der Natur haben wir dynamisches Licht über den Tag – das sollte man auch für die Arbeitsplätze in Gebäuden realisieren. Der Begriff hierzu ist «human centric lighting» und wird unter integrative lighting» via dem Strandard der CIE ISO/TC 274 (10/16) oder «Biologisch wirksame Beleuchtung – Planungs-empfehlungen» DIN SPEC 67600 und 5031-100 empfohlen. (nahezu unmerkliche Überblendvorgänge). Die Industrie hat das neue Betätigungsfeld der biologisch wirksamen, dynamischen Beleuchtung sehr schnell erkannt und für sich erobert. Leuchtdioden werden zunehmend eingesetzt. Sie haben den Vorteil, dass man die Farbe während des Betriebs kontinuierlich verändern kann.
1 Mit Einführung des 50 Hz-Wechselstroms um 1900 wurde der »Grundstein« für die Flimmerproblematik gelegt.
https://www.dial.de/de/article/die-ieee-1789-ein-neuer-standard-zur-bewertung-von-flimmernden-leds/ Die blitzschnelle Reaktion der LED, die man sich beim Betrieb mit Pulsweitenmodulation (PWM) zu Nutze macht, wird ihr aber gerade in Bezug auf die gewünschte Flimmerfreiheit zum Verhängnis. Bei der PWM wird innerhalb eines kurzen Zeitraumes periodisch die LED komplett ausgeschaltet, um danach wieder komplett eingeschaltet zu werden. Aufgrund der Trägheit des menschlichen Auges und normaler Beleuchtungsstärkemessgeräte wird dieser Vorgang als Reduktion des Lichtstroms detektiert.
Literatur
Photobiologische Sicherheit von Licht emittierenden Dioden (LED), L. Udoviˇci´c, F. Mainusch, M. Janssen, D. Nowack, G. Ott, 2013, www.baua.de/dok/3669094 ISBN 978-3-88261-726-9
Fig. 1. Blendung, welche die Sehfunktion beeinträchtigt, ist eine physiologische Blendung. Dazu kann noch Streulicht im Auge zu einer im Alter zunehmenden Schleierleuchtdichte führen. Ein Glare rating wird ab 30 als bemerkbar, über 70 als störend bezeichnet. Störende Lichtschleier auf kritischen Sehobjekten in der Peripherie sind bis jetzt nicht untersucht worden: diese sind aber gerade im nächtlichen Strassenverkehr essentiell, um zu erkennen, ob sich etwas von der Seite auf die Strasse zu bewegt. Diese wird mit einer flimmernden Blendquelle (8 Hz) untersucht.
Fig. 3: Der Sehnerv und der visuelle Cortex, detektieren je nach Modulation und Wellenform noch Reize bis 160 Hz. Reize zwischen 15 bis 20 Hz bringen die höchste Wahrscheinlichkeit mit sich, einen epileptischen Anfall auszulösen (mit abnehmender Leuchtdichte sinkt allgemein die Gefahr, epileptische Anfälle auszulösen). Während des Nacht- und Dämmerungssehens besteht praktisch keine Gefahr, weil hier die Flimmerverschmelzungsfrequenz auf 15 Hz bzw. 6 Hz sinkt