Auf der Suche nach dem schöneren Weiß

Transkript

1 Osram Opto Semiconductors - Auf der Suche nach dem schöneren Weiß Abendforum: Effiziente Beleuchtung der Verkehrsflächen in und vor Gebäuden

2 Inhalt 1. Die Wahrnehmung des Menschen 2. Die photopische, skoptopische und mesopische Lichtwahrnehmung 3. Was ist Weiß? 4. Binning Systeme 5. Das schönste Weiß!?

3 Im Auge des Menschen Das Auge ist ein komplexes optisches System bestehend aus abbildenden Elementen, wie der Hornhaut, der Linse und der Augenflüssigkeit und dem verarbeitenden Nevernsystem der Netzhaut mit der Fovea

4 Unsere Sensoren - Die Photorezeptoren - Zapfen Drei Rezeptortypen Verantwortlich für Farbsehen Reines Zapfensehen oberhalb 10cd/m² Stäbchen Ein Rezeptortyp Verantwortlich für Helligkeitssehen Reines Stäbchensehen unterhalb 0,001cd/m² - - Zapfen --- Stäbchen Die Verteilung der Rezeptoren über der Retina ist ungleichmäßig Quelle: sehsinn/2netzhaut/au1.gif,

5 Die visuelle Wahrnehmung Was ist Farbe? Sie entsteht nur in unserem Kopf! Spektrale Zapfenempfindlichkeiten Spektrale Hellempfindlichkeit V λ 100% 445nm 535nm 570nm 100% 555nm 90% 90% 80% 80% 70% 70% 60% 60% 50% 50% 40% 40% 30% 30% 20% 20% 10% 10% 0% Wavelength in nm 0% Wavelength in nm Farbe Die wahrgenommene Farbe resultiert aus den Signalen der Photorezeptoren (Zapfen) Farbe ist kein physiologisches Phänomen, es existiert nur in unseren Köpfen Unser Gehirn beeinflusst was wir sehen: Wahrnehmung basiert auf vielen verschiedenen Faktoren, darunter Erfahrung und Erinnerung

6 Die Verteilung der Photorezeptoren auf der Retina Unser Auge hat verschiedene Anteile der einzelnen Zapfentypen und auch die Pigmentdichte variiert über den Beobachtungswinkel. 10 Beobachter 2 Beobachter Beobachter: Beobachtungsfeldgröße: ~ 0,5m Beobachter: Beobachtungsfeldgröße: ~ 0,5m Zapfentypen in der Retina

7 Photopische, Skotopische und Mesopische Sichtverhältnisse Sodium Photopisch: Das untere Limit: mindestens einige cd/m 2 (nur Zapfen aktiv) Skotopisch: weniger als ein paar hundert cd/m 2 (nur Stäbchen aktiv) Mesopisch: 0.001~10 cd/m 2 (Zapfen und Stäbchen aktiv) Die meisten Outdoor-Anwendungen befinden sich im mesopischen Leuchtdichtelevel: Straßenbeleuchtung, Tunnelbeleuchtung, Notfallbeleuchtung, Cockpitbeleuchtung im Flugzeug Signal- und Kontrollbeleuchtung im Flugverkehr, einige militärische und medizinische Anwendungen Hinweisende Nachtsicht Systeme und Displays

8 Photopische, Skotopische und Mesopische Sichtverhältnisse Skotopisch Mesopisch Photopisch

9 Wann wird eine Berücksichtigung der mesopischen und skotopischen Verhältnisse notwendig? Straßenbeleuchtung mit LEDs Straßenbeleuchtung mit HPS Lampen

10 Das Verhältnis zwischen Skotopisch und Photopisch - Die S/P Ratio - P e P S S/P ratio P e P e S P V V ' d d

11 TABLE 1 TYPICAL S/P RATIOS MORE DETAILED TABLES ARE AVAILABLE (E.G., IES TM-12-12), Typische S/P Ratios Lampen Typ Typische S/P Ratio Natrium-Niederdrucklampe 0.25 Natrium-Hochdrucklampe 0.66 Halogenscheinwerfer 1.43 Fluoreszenzlampe 1.3 to 2.3 Metalldampflampe 1.26 to 2.1 Warmweiße LED 1.21 Kaltweiße LED 2.04 Detailliertere Tabellen z.b. in IES TM

12 Comparison of Efficacy Konsequenzen für die Straßenbeleuchtung - Energieeinsparung - LED luminaire HPS luminaire Vorteil der LED gegenüber HPS Lampen aufgrund des mesopischen Effekts Lamp efficacy Luminaire efficacy Application efficacy Include Mesopic effect

13 CCT / Bel-Stärke Weißes Licht - Die Sonne als natürliche Lichtquelle Beleuchtungsstärke vertikal integral nach Norden: München Dezember :00 7:00 8:00 9:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:

14 Der Plancksche Kurvenzug - Die physikalische Natürlichkeit? - Cy 0, K 2700 K 2500 K 0, K 3500 K 0, K 5000 K 5500 K 6000 K 0,330 0, K K K K 9000 K K 8000 K 6500 K 7000 K 0,230 0,200 0,250 0,300 0,350 0,400 0,450 0,500 0,550 0,600 Coordinates in reference to CIE 1931 (cx cy) Cx

15 Das Referenzweiß Planck scher Strahler Definiert über physikalische Regeln und Konstanten Tageslicht Natürliche Beleuchtung Das Spektrum besteht aus dem Sonnenlicht und dem durch Wolken gestreuten Tageslicht Empfehlungen von Judd (1964) beschreiben die Tageslichtphasen Definiert für: 4000K < CCT < 25000K

16 Die ANSI Farbboxen: Die Grundlage für viele LED Binning Systeme von LED Herstellern 0,480 Cy 0, K 2700 K 2500 K 0, K 0, K 2700K 0, K 3000K 0, K 4500 K 4000K 0, K 6000 K 5000K 4500K 0,340 0,320 0, K 5700K 7000 K 6500K 8000 K 9000 K K K ANSI-Norm 0,280 0,250 0,270 0,290 0,310 0,330 0,350 0,370 0,390 0,410 0,430 0,450 0,470 0,490 0,510 0,530 0,550 Coordinates in reference to CIE 1931 (cx cy) Cx

17 Finebinning 0, K Cy 0,430 0,410 0,390 0,370 0,350 0, K 7G 6000 K 7F 6G 5700K 6500 K 7000 K 6500K 6F 5F 5G 5000 K 7I 7H 6I 5000K 6H 5I 5H 4000 K 9U 9V 9W 9X 9T 3500 K 9S 8U 8V 8W 8X 9R 9Q 8T 8S 7U 7V 7W 7X 9P 8R 8Q 7T 2700K 8N 9O 7S 6U 6V 6W 6X 8P 7R 3000K 8M 6T 8O 7Q 6S 5U 5V 5W 5X 8L 7N 7P 6R 7O 6Q 5T 7M 3500K 8K 5S 6P 5R 7L 6N 4500 K 6O 5Q 8J 7K 4000K 6M 5P 6L 5N 5O 7J 6K 5M 4500K 5L 6J 5K 5J Warm white fine (.xc) 5U9X (2700K) Warm white fine (.xc) 5R9T (3000K) Warm white fine (.xc) 5O9Q (3500K) Warm white fine (.xc) 5L8N (4000K) Warm white fine (.xc) 5J8K (4500K) Warm white fine (.xc) 5H7I (5000K) Warm white fine (.xc) 5F7G (5700K) ANSI-Norm 0,310 0,300 0,320 0,340 0,360 0,380 0,400 0,420 0,440 0,460 0,480 0,500 Coordinates in reference to CIE 1931 (cx cy) Cx

18 Die MacAdam Ellipsen oder: SDCM (Standard Deviation of Color Matching) Ermittlung im Rahmen eines Experiments Der Farbort zweier Flächen wurde vom Zentrum nach außen gehend verändert Markierung des Abstands des just noticeable different Farbeunterschieds Keine Aussage über bevorzugte Weißfarborte 0,430 0,425 0,420 0,415 0,410 Black Body Radiator SOLERIQ S 19 30B3 ANSI 3000K 0,405 0,400 0,395 0,390 0,385 0,380 0,410 0,420 0,430 0,440 0,450 0,

19 Die MacAdam Ellipsen halten Einzug in das Binning für LEDs in der Allgemeinbeleuchtung 0, K Cy 4000 K 0, K 0, K 30S5 30S3 2700K 27S5 27S3 0, K 35S5 35S K 4500 K 4000K 40S5 40S3 0, K 45S5 45S3 0, K 5500 K 5000K 50S3 50S5 0, K 7000 K 6500K 65S5 65S3 5700K 57S5 57S3 ANSI-Norm MacAdams (.xm) S-System Step5 MacAdams (.xm) S-System Step3 0,310 0,300 0,320 0,340 0,360 0,380 0,400 0,420 0,440 0,460 0,480 0,500 Coordinates in reference to CIE 1931 (cx cy) Cx

20 CIE 15: Formeln zur Evaluierung der Weißheit und des Farbstichs - Weißheit: W = Y+800(x n -x)+1700(y n -y) Grenzen: 40 < W < (5Y-280) Farbstich: T w = 1000/(x n -x)-650(y n -y) Grenzen: -4 < T < 2 0,430 0,425 0,420 0,415 0,410 0,405 0,400 0,395 Black Body Radiator Whiteness-Line ANSI 3000K Tint-Line 0,390 0,385 0,380 0,410 0,420 0,430 0,440 0,450 0,

21 Diese Formeln finden Anwendung in internationalen Normen zur Beurteilung des Weißgrades von z.b. Papier ISO 11475:2004: Paper and board Determination of CIE whiteness, D65/10 degrees (outdoor daylight) 0,430 0,425 0,420 Black Body Radiator Whiteness-Line BlueLine 470nm ANSI 3000K Tint-Line SOLERIQ S 19 30B3 0,415 ISO 11476:2010: Paper and board Determination of CIE whiteness, C/2 degrees (indoor illumination conditions) 0,410 0,405 0,400 0,395 0,390 0,385 0,380 0,410 0,420 0,430 0,440 0,450 0,

22 Studie 1: White Lighting M. S. Rea,* J. P. Freyssinier Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute Quelle: White Lighting - M. S. Rea,* J. P. Freyssinier Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute, Troy, NY

23 Studie 2: Vision Experiment on White Light Chromaticity for Lighting Duv levels perceived most natural Y. Ohno et.al. Quelle: Vision Experiment on White Light Chromaticity for Lighting Duv levels Perceived Most Natural Yoshi Ohno*1 and Mira Fein*2 1 National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, Maryland, USA Ph. D., NIST Fellow, IESNA Fellow, CIE VP Technical 2 Oberlin College, Oberlin, Ohio, USA

24 SOLERIQ S 19 - Below Black Body - Type Unit Type CCT GW KAHLB2.CM 2700K = 27B3 3000K = 30B3 3500K = 35B3 CRI >90 v 3000K

25 Zusammenfassung Im Auge sind verschiedene Photorezeptoren enthalten Zapfen sind verantwortlich für das Farbsehen Stäbchen sind verantwortlich für das Helligkeitssehen Es gibt einen Unterschied der Helligkeitswahrnehmung bei verschiedenen Leuchtdichten: photopisch, skotopisch und mesopisch Typische Referenzlichtquellen sind der Planck sche Strahler und das Tageslicht Verschiedene Weißtöne werden über die Farbtemperatur definiert Über Binningsysteme nach ANSI oder MacAdam werden LEDs in verschiedene Weißtöne unterteilt Aktuelle Studien ergeben das schönste Weiß bei einem Farbort unterhalb des Planck schen Kurvenzugs

26 Vielen Dank!