Projekt SAFE-LED. Projekt SAFE-LED. Gesundheitsrisiken durch neuartige Hochleistungs - Leuchtdioden (LED) Endbericht.

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1 Report nr. 51 Projekt SAFE-LED Projekt SAFE-LED Gesundheitsrisiken durch neuartige Hochleistungs - Leuchtdioden (LED) Endbericht

2 Projekt SAFE-LED Gesundheitsrisiken durch neuartige Hochleistungs-Leuchtdioden (LED) G Vees, K. Schulmeister, E. Kitz, H. Brusl Endbericht Version 16, August 2010 Seibersdorf Labor GmbH Allgemeine Unfallversicherungsanstalt Laser und Optische Strahlung Abt. HUB Tel +43 (0) oder 2533 Tel +43 (0) Fax +43 (0) Fax +43 (0) laser.optic@seibersdorf-laboratories.at emmerich.kitz@auva.at

3 INHALTSVERZEICHNIS Kapitel Seite 1 Einleitung Politische Dimension (Umweltschutz) Einsatzbereiche der LED Geschichte und Zukunft Projektziel Farbmetrik Farbeindruck Farbanpassungsfunktionen Farbmaßsysteme CRI (Color Rendering Index) LED-Eigenschaften Lebensdauer und Alterung Farben und Technologie Weißes Licht Lichtstärkeverteilung Modellierung der Lichtstärkeverteilung einer LED Aufbau von LED-Lichtquellen Wirkungsgrad und Lichtausbeute Wirkungsgrad e (engl. optical efficiency) Lichtausbeute (engl. Luminous efficiency) v Vergleich Konventionelle 5-mm LEDs und Power -LEDs Lichttechnische Größen Raumwinkel Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V() Photometrische und radiometrische Größen Definition der photometrischen Größen Zusammenhang der lichttechnischen Größen Umwandlung der photometrischen in die radiometrische Größe Spektrale Verteilung von LEDs Monochrome LEDs Definition charakteristischer Wellenlängen Farbe und Wellenlängenbereich Definition der Farbreinheit (Farbsättigung): Weiße LEDs Spektrum weißer LEDs Farbtemperatur SicherheitsBewertung Spektrale Bewertung und Mittelungs-Empfangswinkel Mögliche Augengefährdungen Spektrale Gewichtungsfunktionen S UV (), B() und R() Empfangswinkel Vereinfachte Beurteilungsmethode Umrechnung der Grenzwerte in Watt Schritt 1 - Ermittlung der Leistung Behandlung von Arrays Farbgewichtungsfaktoren für Blaulicht-Gefährdung Farbgewichtungsfaktoren für Gefährdung Netzhaut thermisch Schritt 2 Vergleich mit den Grenzwerten Berücksichtigung der leuchtenden LED-Fläche bezüglich thermischer Gefährdung Anwendung der vereinfachten Beurteilungsmethode

4 6 Genaue Bewertung durch messung Messaufbau Ermittlung der Spektren, der photometrischen Daten und der 500 lx-distanz Aufnahme der Strahlbilder Messentfernung Auswertung Ermittlung des thermischen Gefahrenpotentials Ermittlung des photochemischen Gefahrenpotentials Messgeräte Zusammenfassung der Ergebnisse Aufwendige Bewertung Hinsichtlich Zeitdauer Hinsichtlich Gefährdungsart Vereinfachte Bewertung Direkter Vergleich von aufwendiger mit vereinfachter Bewertung Quellen

5 1 EINLEITUNG Die Kurzbezeichnung LED ist ein Akronym der englischen Bezeichnung Light Emitting Diode, übersetzt: lichtemittierende Diode. Solche Leuchtdioden (auch Lumineszenz-Dioden) sind optoelektronische Halbleiter-Bauelemente, die Strom in optische Strahlung umwandeln. Obwohl heutzutage LEDs verfügbar sind, die auch im UV- oder IR-Bereich Strahlung emittieren, wurde der Name lichtemittierende Diode aus historischen Gründen beibehalten. (Der Terminus Licht wird ansonsten ausschließlich für den sichtbaren Teil des elektromagnetischen Spektrums verwendet). Im Rahmen des Projektes SAFE-LED wurden LEDs, die sichtbares Licht mit Schwerpunkt auf weißem Licht abgeben, als auch einige UV-LEDs untersucht. Die große Bandbreite der möglichen Wellenlängen und optischer Leistungen führte in den letzten Jahrzehnten zu einer stetigen Erweiterung der LED-Einsatzbereiche. Waren die ersten Anwendungen von LEDs aufgrund zu geringer optischer Leistung auf Statusanzeigen von Geräten oder auf Punktmatrixanzeigen (z.b. Taschenrechner) beschränkt, setzt sich zur Zeit ein Trend zum Einsatz super- und ultraheller LEDs für die Bereiche Sicherheitsbeleuchtung, Design- und der allgemeinen Beleuchtungstechnik durch. Motor dieser Entwicklung ist der geringe Leistungsbedarf zur Lichterzeugung, die hohe Betriebssicherheit und die hohe Lebensdauer. Während die Lichtausbeute von Hochleistungs- LEDs nahe an die Werte einer Natriumdampflampe herankommt, übertrifft die Lebensdauer von Stunden bereits jedes andere Leuchtmittel (LEDs halten etwa zehnmal länger als Halogenlampen und 50 Mal länger als Glühlampen), wodurch die Kosten für Wartung (z.b. von Straßenbeleuchtungen) drastisch reduziert werden. Berücksichtigt man beide Faktoren, dann kann sich der Ersatz von konventionellen Leuchten durch LEDs trotz höherer Investitionskosten innerhalb weniger Jahre amortisieren. Der geringe Energieverbrauch führte überdies dazu, dass das weiße Licht von LEDs mittlerweile auch grünes Licht genannt wird. 1.1 Politische Dimension (Umweltschutz) Eines der zentralen Ziele der Europäischen Kommission ist, den Energieverbrauch und damit auch den Ausstoß von Treibhausgasen in Europa zu reduzieren. Einen Beitrag dazu soll das EU Glühbirnenverbot leisten, das am beschlossen worden ist. Glühbirnen mit mehr als 100 Watt werden ab September 2009 an aus dem Handel genommen. Anfang 2010 folgen dann Glühbirnen mit mehr als 40 Watt und zwei Jahre später, im August 2012, auch schwächere Lampen. Somit gilt ab 1. September 2012 ein komplettes Glühbirnenverbot in der EU. Man hat errechnet, dass allein Deutschland sofort auf zwei Atomkraftwerke verzichten könnte, würden statt der Glühlampe sparsamere Lampen verwendet (Quelle: Australien zog daraus als erstes Land die Konsequenzen und verbot den Verkauf weiterer Glühbirnen. Auch Neuseeland schloss sich dem Glühbirnenverbot an. Selbst China macht offenbar Ernst mit dem Bekenntnis zum Umweltschutz und Energiesparen. In Shanghai stehen schon über LED-Straßenleuchten. Elektrisches Licht macht heute 19 Prozent des weltweiten Stromverbrauchs aus. Und in Asien dürfte sich der Verbrauch in den nächsten zehn Jahren verdoppeln. Eine weitere neue Regelung soll auch den Verkauf von Quecksilberdampflampen in Europa ab dem Jahr 2011 untersagen (Quelle: (2007). In der Praxis bedeutet das, dass fast jede zweite Lampe ausgetauscht werden muss. Quecksilberdampflampen, Natriumdampf- und Halogenmetalldampflampen würden demnach bei allen Nachteilen die derzeit einzigen verfügbaren und wirtschaftlich tragbaren Alternative darstellen. Energiesparlampen werden aber niemals die Sparsamkeit und die lange Lebensdauer von LED-Leuchtmitteln erreichen. Vor allem hinsichtlich Umweltverträglichkeit haben sie große Nachteile, da sie als Sondermüll behandelt werden müssen (Trennung, Recycling). Die LED ist hier langfristig wohl die einzig wahre Alternative zu den Glühlampen. 4

6 Die Einführung der LED als neue Lichtquelle wird einen revolutionären Effekt auf die Beleuchtungsindustrie und insbesondere auf die Beleuchtung haben. Die Festkörper- oder LED-Beleuchtung wird seit der Erfindung der Glühlampe vor über 130 Jahren als größter Umbruch in der Beleuchtungstechnologie von Beleuchtungstechnikern betrachtet. "Bis zum Jahr 2012 werden wir in unserer Forschung so weit fortgeschritten sein, dass LED- Leuchten die energetisch, licht- und umwelttechnisch sinnvollste Lösung darstellen", bringt es Prof. Tran Quoc Khanh vom Fachgebiet Lichttechnik der TU Darmstadt auf den Punkt. 1.2 Einsatzbereiche der LED Aufgrund der begrenzten Möglichkeiten beim Herstellungsprozess von LEDs waren diese lange Zeit auf die Signalgebung im weitesten Sinne beschränkt (Datensignale, Statusanzeigen, etc.). Durch die stetige technische Verbesserung der Herstellungsverfahren in der LED-Chip- Technologie ist es nun möglich, viele verschiedene Lichtquellen auch für Beleuchtungstechnik zu fertigen und damit die vielen Vorteile der LED-Technologie zu nutzen. Vorteile der LED höhere Lichtausbeute als Glühlampen. (lm/w; geringerer Energieverbrauch bei gleicher Lichtleistung). keine UV- oder IR-Begleitstrahlung. geringe Wärmeentwicklung (kleinere Brandgefahr). kein 50 Hz Flimmern (Gleichstromtechnik). geringere Anforderung an die EMV. mehr Sicherheit durch Niedervoltbetrieb. geringe Baugröße, kleinere Kabelquerschnitte. hohe Zuverlässigkeit: o sehr lange Lebensdauer (> Stunden) Bei ausreichender Kühlung und einer jährlichen Brenndauer von etwa 4000 h liegt die Lebensdauer der LEDs mit circa zwölf Jahren um den Faktor drei bis vier höher, als bei herkömmlichen Entladungslampen [1]. o hohe Stoß- und Schockbelastbarkeit schnelle Schalt- und Modulierbarkeit: o kein Schaltverschleiß. o intelligente Leuchten herstellbar (z.b. LED-Feld: formbarer Lichtkegel beim Auto von Geschwindigkeit oder Einschlagwinkel des Lenkrades abhängig). stromproportionaler Lichtstromanstieg, Dimmbarkeit: LED lassen sich zudem als einzige Lichtquelle stufenlos von hundert auf null Prozent dimmen - ohne Effizienzverlust (Vorteil gegenüber Glühlampen). monochrome Lichterzeugung (farbige LEDs); bei konventioneller Lichttechnik gehen durch Filterung bis zu 90 Prozent des weißen Lichts verloren (z.b. für Showzwecke). Lichtbündelung: optional integraler Bestandteil der LED. Der Einsatz von LEDs ist angesichts der Vorteile nicht nur wirtschaftlich sondern auch technisch begründet, wobei letzteres auch völlig neuen Lichtlösungen zulässt. Eine kleine Aufstellung der Einsatzmöglichkeiten von LEDs ist in Tabelle 1 wiedergegeben. Obwohl sich das Projekt auf sichtbare LED-Strahlung bezieht, sind der Vollständigkeit halber alle drei optischen Bereich angeführt. 5

7 Tabelle 1: Bestehende und absehbare künftige Einsatzbereiche von LEDs. UV-LED VIS-LED IR-LED UV-Kleben Status- u. Sicherheits-Feldbeleuchtung Punktmatrixanzeige UV-Härten Computermaus Fernbedienung UV-Markieren Bildschirmhinterleuchtung Lichtschranken Fluoreszenzanregung Verkehrsampel Optokoppler UV-Lacktrocknen Autoscheinwerfer Datenübertragung Entkeimung Raumbeleuchtung Abstandssensor Messtechnik OP-Leuchten Bewegungssensor Lichtterapie Straßenbeleuchtung Neben den Vorteilen einer Sache bestehen naturgemäß auch Nachteile, die sich aber vorwiegend auf technische Schwachstellen beziehen. Nachteile der LED: geringe Lichtleistung pro Einheit. spezielle Elektronik zur Ansteuerung erforderlich (Stromquelle). geringe maximale Sperrschichttemperatur und damit begrenzte Einsatztemperatur. diskontinuierliches Spektrum weißer LEDs (Nachteil gegenüber Halogen- Glühlampen). gegenüber Glühlampen und Hochdruck-Gasentladungslampen geringere Leuchtdichte, daher schlechter geeignet für stark bündelnde Scheinwerfer. extreme Empfindlichkeit gegenüber Mikrowellenstrahlung (durch die hohe Ladungsträgermobilität in den verwendeten III-V-Halbleitermaterialien). 1.3 Geschichte und Zukunft 1907 entdeckte Joseph Round den physikalischen Effekt der Elektrolumineszenz, der jedoch in Vergessenheit gerät. Anfang der 60er Jahre wurden die ersten roten Lumineszenzdioden angeboten. Danach konnte die Effizienz in jedem Jahrzehnt etwa um das Zehnfache erhöht werden. Anfang der 70er Jahre konnten durch entsprechende Dotierung der Halbleiter die LEDs im grünen, orangen und gelben Spektralbereich Licht emittieren. Die permanente Verbesserung hinsichtlich Leistung und Effizienz zeigte in den 80er Jahren die ersten Vorteile der LED gegenüber den Glühlampen auf, sodass diese beispielsweise in Signalleuchten und Anzeigetafeln zum Einsatz kamen kam die erste weiß leuchtende LED auf den Markt. Heute decken hocheffiziente Lumineszenzdioden nicht nur den sichtbaren sondern auch den UV- und IR-Spektralbereich ab. LEDs werden nach wie vor weiterentwickelt. Innerhalb der nächsten 10 Jahre wird eine Steigerung der Lichtausbeute auf 300 Lumen pro Watt erwartet, womit die LED die effektivste Lichtquelle wäre. Zwei Prognosen von zwei weltweit agierenden Unternehmen sind in Diagrammform in Abb. 1 dargestellt. Einmal ist die Lichtausbeute in Abhängigkeit von der Zeit, einmal als Funktion der Stromdichte angeführt. Beide Diagramme spiegeln die rasante Entwicklung der Weißlicht-LED. 6

8 a) Quelle: Fa. Ledon (2008) b) Quelle Fa. Philips (2008) Abb. 1: Prognostizierte Lichtausbeute zweier Global Player. Die Entwicklungsfortschritte beruhen vor allem auf der Material- und Technologieseite. Die Chiptechnologie, die Lichtkonverter und spezielle Leistungsgehäuse müssen dabei aufeinander abgestimmt werden, um die heutigen Spitzenwerte wie 155 lm bei 350 ma für die Helligkeit und 136 lm/w für die Effizienz zu erreichen. Die Entwicklungsparameter und Ziele bis 2020 sind daher Lichtausbeute: lm/w Farbwiedergabeindex: CRI > 90 Lebensdauer: > h Zu dem Zukunftsszenario gehören beispielsweise auch haardünne organische Leuchtdioden (OLED), die aber aufgrund der inhärenten geringen abgestrahlten Leistungen pro Fläche im Rahmen des Projektes SAFE-LED nicht behandelt werden. 7

9 1.4 Projektziel Neben Hochleistungs-LEDs sind eine sehr große Anzahl von schwachen bis mittelstarke LEDs in Verwendung, z.b. als Statusanzeige bei elektrischen Geräten oder auch als Hintergrundbeleuchtung bei Anzeigen (Handy-Display, etc). Diese Quellen sind auch unter Fehlerbedingungen und Missbrauch sicher, jedoch fehlen einfache Bewertungsgrundlagen, um dies beurteilen zu können. Ohne vereinfachte Bewertungsgrundlagen ist es, wenn man sich bezüglich Sicherheit absichern will, derzeit notwendig, eine aufwendige Auswertung durchzuführen. Eine exakte sicherheitstechnische Beurteilung ist sehr aufwendig, da mehrere Messverfahren und Grenzwerte anzuwenden sind: neben der spektralen Verteilung ist die auf das Auge auftreffende Leistung und auch die Größe der scheinbaren Quelle im Auge, also die Bestrahlung der Netzhaut zu bestimmen. Besonders die Beurteilung des kritischsten Bestrahlungsmusters auf der Netzhaut ist sehr aufwendig, da die Quelle komplex ist (emittierender Chip, reflektierender Ring, Linse) und das Bild auf der Netzhaut auch vom Abstand des Auges von der LED abhängt, sowie für jeden Abstand auch noch vom Akkomodationszustand des Auges und von der Richtung der Bestrahlung. Die Messverfahren sind weiters unterschiedlich, je nachdem ob man eine fotochemische Schädigung der Netzhaut, eine thermische Schädigung der Netzhaut oder eine mögliche Schädigung der Linse durch UV Strahlung (ein Nebenprodukt bei blauen LEDs) beurteilt. Der Zeitaufwand für die Messung und Auswertung kann unter Umständen einige Tage dauern, vorausgesetzt dass Spezialmessgeräte, teilautomatisierte Messverfahren und entsprechendes Know-How bereits vorhanden sind.. Im Rahmen des Projektes waren verschiedene Beurteilungskriterien zu entwickeln, die es erlauben, anhand von einfachen Methoden in Form eines stufenweisen Schemas zu entscheiden, ob eine LED sicher ist (d.h. die Bestrahlung des Auges liegt unter den Grenzwerten) oder einer exakten Analyse zugeführt werden muss. 8

10 2 FARBMETRIK 2.1 Farbeindruck Die Beschreibung einer Farbe ist schwierig, da der Farbeindruck eine subjektive Wahrnehmung ist. Das individuelle Empfinden ist zudem altersabhängig. (Fünf verschiedene Personen werden fünf verschiedene Beschreibungen einer Farbe geben). Der Farbeindruck wird zusätzlich von folgenden Faktoren beeinflusst: Art der Lichtquelle Hintergrund (Kontrasteffekt) Betrachtungswinkel Größe der Farbfläche (Flächeneffekt) Farbunterschiede lassen sich durch folgende Eigenschaften einer Farbe charakterisieren: Farbton (blau, rot, ) Helligkeit (heller, dunkler, ), ist unabhängig vom Farbton Sättigung (stumpf, kräftig, intensiv, leuchtend, ) oder Farbkraft oder Buntheit; ist unabhängig von Farbton und Helligkeit. Werden diese drei Eigenschaften mit Hilfe einer Werteskala beschrieben, lassen sich Farben in Zahlenwerten ausdrücken, womit die Farbbeschreibung objektiviert wird. Die Farbmetrik ist somit die theoretische Grundlage der Farbmessung, die auf der additiven Farbmischung basiert. Gemäß der Theorie des Trichromatischen Farbsehens genügen drei Farben, um alle Farbtöne additiv mischen zu können. International hat man sich seitens der CIE auf drei reelle monochromatische Farben als Primärvalenzen (monochromatische Strahlung mit einer Wellenlänge) geeinigt (was aber physiologisch nicht eindeutig sein muss): Tabelle 2: Primärvalenzen CIE-Farbe Kürzel Wellenlänge Spektral-Rot R 700,0 nm Spektral-Grün G 546,1 nm Spektral-Blau B 435,8 nm Eine Farbvalenz F (Wertigkeit) ist die additive Mischung der drei (zu definierenden) Primärvalenzen R, G und B. Werden die Farbvalenz und die Primärvalenzen mathematisch als Vektor erfasst, dann ergibt sich F als vektorielle Addition zu F = RR + GG + BB wobei die Richtung und die Einheitslängen der Primärvalenzen beliebig wählbar sind. Die Beiträge R, G und B sind die Farbwerte der Farbvalenz F. Neben diesem System wurde 1931 von der CIE ein Nomvalenzsystem X, Y, Z verabschiedet. Die Übergangsregeln vom R, G, B System in das das System X, Y, Z wurden so gewählt, dass X und Z keinen Beitrag zur Leuchtdichte liefern, womit einzig Y proportional zur Leuchtdichte ist. 2.2 Farbanpassungsfunktionen Die Netzhaut des menschlichen Auges setzt sich aus zwei Sensoren-Gruppen zusammen: die Stäbchen und die Zapfen, wobei erstere für das Hell-Dunkelsehen und letztere für das Farbsehen verantwortlich sind. Die Wahrnehmung von Farbe erfordert eine absolute Leuchtdichte von mindestens einigen cd/m². 9

11 Während bei den Stäbchen nur eine Form existiert, kann man bei den Zäpfchen drei verschiedene Typen unterscheiden. Sie formen das Tristimulus-Messsystem des Auges. Somit geht die radiometrische spektrale Information in drei Farbinformationssignale über, wobei diese Farbsignale als Blau, Grün und Rot bezeichnet werden (der rote Sensor ist eigentlich ein oranger Sensor). Die Sensitivität der Zapfen kann nicht direkt gemessen werden, sondern sind mathematische Interpretationen von Farbanpassungsexperimenten. 2.3 Farbmaßsysteme Im Laufe der Geschichte wurden verschiedene Methoden zur Farbbeschreibung vorgeschlagen. Die wichtigsten Farbsysteme sind: a) Munsell-Farbsystem b) L*a*b Farbsystem c) Hunter-Lab-Farbsystem d) L*C*H Farbsystem e) XYZ (Yxy)-Farbsystem a) Munsell Farbsystem Herr Munsell stellte 1905 ein System für den visuellen Vergleich zwischen der zu bestimmenden Farbe und einer großen Zahl von auf Papier gedruckten Musterfarben vor, die entsprechend ihres Farbtons, ihrer Helligkeit, Sättigung und Buntheit angeordnet waren. Später wurden die Munsell-Farbtafelfelder mit Buchstaben und Zahlen gekennzeichnet (H V/C). b) L*a*b Farbsystem (auch CIELAB-System) Heute das gebräuchlichste System für die Farbmessung. Es wurde 1976 als einer der gleichabständigen Farbräume von der CIE definiert, um dem Hauptproblem des ursprünglichen XYZ-Systems zu begegnen: Gleiche geometrische Differenzstrecken im x,y-farbdreieck führen nicht zu empfindungsgemäß gleichen Farbunterschieden. Der Farbraum des L*a*b*-Systems ist durch die Helligkeit L* und die Farbkoordinaten a* und b* gekennzeichnet. Abb. 2 zeigt die zugehörige Farbtafel, in der die a*b*-werte gleichzeitig den Farbton und die Buntheit einer Farbe (vergleichbar mit der Eigenschaft der Farbsättigung) angeben. Im Koordinatenursprung befindet sich ein neutrales Grau ohne jede Buntheit. Mit wachsenden a*b*-werten, je weiter also der Farbort von der Mitte entfernt liegt, wird die Sättigung größer. Im L*a*b*-Farbraum können Farbunterschiede mit Hilfe eines einzigen numerischen Wertes ( E*ab) angegeben werden, der aber nur den Betrag der Farbdifferenz angibt und nicht deren Richtung. Abb. 2: L*a*b Farbsystem. 10

12 c) L*C*h-Farbsystem Dem L*C*h-System liegt die gleiche Methode wie dem L*a*b*-System zugrunde, es werden jedoch Polarkoordinaten anstelle von rechtwinkligen Koordinaten benutzt. Der Helligkeitswert L* ist bei beiden Systemen identisch, das C* steht für die Buntheit und h für den Bunttonwinkel. Der Wert für C* beträgt 0 im unbunten Koordinatenursprung und wächst mit dem Abstand zur Mitte (Radius). Der Bunttonwinkel h wird von der +a*achse ausgehend in Grad angegeben. Entsprechend lassen sich die Werte des L*a*b-System in das L*C*h-System umrechnen: L* = L* C* = ((a*) 2 + (b*) 2 ) 1/2 h = atan(b*/a*) d) Hunter-Lab-Farbsystem Wurde von Hunter im Jahr 1948 entwickelt, um eine bessere empfindungsgemäße Gleichabständigkeit gegenüber dem Yxy-Farbsystem (CIE 1931) zu erreichen. Es ähnelt dem CIE L*a*b*-Farbsystem und wird in manchen Bereichen immer noch verwendet. e) XYZ (Yxy)-Farbsystem Grundlage für die gegenwärtigen CIE-Farbsysteme sind die Normfarbwerte XYZ und das daraus abgeleitete Yxy-Farbsystem. Die Normfarbwerte beruhen darauf, dass das Auge Sinneszellen für die Wahrnehmung der drei Primärfarben Rot, Grün und Blau besitzt, wobei alle von uns wahrgenommenen Farben aus einer Verschmelzung dieser selektiven Sinneseindrücke hervorgehen. Die Berechnung der Normfarbwerte XYZ basiert auf diesen allgemeingültigen Augenempfindlichkeitskurven. 0,9 0,8 520 Spektralfarblinie 540 y 0,7 0,6 0,5 0,4 500 Weißpunkt E K 4000K Kurve für den schwarzen Strahler 2000K ,3 0, K 15000K unendlich Purpurlinie ,1 0, Theoretische Farben 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 x Abb. 3: Normfarbtafel (x, y) nach CIE. 11

13 Die (x,y)-farbtafel findet zwar häufig Anwendung, sie hat jedoch den entscheidenden Nachteil, dass die geometrischen Abstände in der Farbtafel nicht den wahrgenommenen Farbunterschieden entsprechen wurde daher von der CIE die einheitliche (u',v')-farbtafel (UCS) definiert. Geringe Farbabweichungen haben schon immer Probleme bereitet. Mit einem Farbmessgerät jedoch lassen sich auch kleinste Farbdifferenzen in Zahlen ausdrücken und anschaulich machen. 2.4 CRI (Color Rendering Index) Die Farbe eines Gegenstandes ändert je nach verwendeter Lichtquelle (Leuchtstofflampe, Glühlampe, Tageslicht, etc.). Color Rendering ist ein Maß dafür, inwieweit die Lichtquelle die Farbe eines Gegenstandes beeinflusst. Als Referenz werden dazu bestimmte Lichtquellen und Farben definiert: Referenzlichtquelle: a) < 5000 K Planckscher Strahler b) > 5000 K CIE daylight (Die Temperaturfarbe wird auf die der zu prüfenden Lichtquelle abgestimmt). Referenzfarben: CIE hat 14 Farben (R1 bis R14) für Vergleichszwecke definiert (CIE 1964 U*V*W und CIE 13.3 (1995) [2]). Der CRI gibt nun an, wie genau die Farbe eines Gegenstandes (Referenzfarbe) im Vergleich zur Referenzlichtquelle wiedergegeben wird, wenn er mit der Prüflichtquelle (z.b. LED) bestrahlt wird. Ein CRI-Wert von 100 bedeutet, dass die zu prüfende Lichtquelle dieselbe Farbe produziert wie die Referenzlichtquelle. Es sind zwei Arten von CRI definiert: 1) General CRI (R a ): gibt den Mittelwert von R1 bis R8 an. 8 1 Ra R 8 i i1 2) Special CRI (R i ): gibt den jeweiligen Wert der 14 Farben an. Ri = 100 4,6E i E i Differenz der Farberscheinung (inklusive Von Kries-Korrektur) Probleme Das CRI-System hat jedoch gewisse Nachteile, besonders wenn es auf LEDs angewandt wird. Der vereinheitlichte Farbraum ist veraltet und wird nicht mehr empfohlen (speziell im roten Bereich). CIE empfiehlt zur Zeit CIE 1976 L*a*b* (CIELAB) and CIE 1976 L*u*v* (CIELUV) [3] zur Prüfung von Farbunterschieden. Überdies ist die Von Kries-Korrektur zur chromatischen Adaption weniger genau als andere bereits verfügbare Modelle wie z.b. CMCCAT2000 (the Colour Measurement Committee s chromatic adaptation transform) and the CIE CAT02 (the CIE s chromatic adaptation transform) [4]. 12

14 3 LED-EIGENSCHAFTEN 3.1 Lebensdauer und Alterung Als Lebensdauer einer LED wird die Zeit bezeichnet, nach der die Lichtausbeute auf die Hälfte des Anfangswertes abgesunken ist. Leuchtdioden werden nach und nach schwächer, fallen aber in der Regel nicht plötzlich aus. Die Lebensdauer hängt vom Halbleitermaterial (Degradationsverhalten) und den Betriebsbedingungen v.a. Wärme und Strom ab. Die angegebene Lebensdauer reicht von einigen tausend Stunden bei älteren 5-Watt-LEDs bis zu über Stunden bei mit niedrigen Strömen betriebenen LEDs. Hohe Temperaturen (bedingt durch hohe Ströme) verkürzen die Lebensdauer von LEDs drastisch. Auch die Umgebungstemperatur beeinflusst die Lebensdauer z.b. Bestrahlung von Verkehrsampeln durch die Sonne. Aktuelle Hochleistungs-LEDs werden, um eine maximale Lichtausbeute zu erreichen, oft an Arbeitspunkten betrieben, bei denen ihre Lebensdauer bei bis Stunden liegt. Auch im Handel erhältliche LED-Leuchtmittel in Glühlampenform sollen bereits über Stunden Lebenszeit erreichen. Die Alterung von LEDs ist in erster Linie auf die Vergrößerung von Fehlstellen im Kristall durch thermische Einflüsse zurückzuführen. Diese Bereiche können nicht mehr für die Lichterzeugung genutzt werden; es entstehen strahlungslose Übergänge. Bei GaN-LEDs im blauen und Ultraviolett-Bereich ist auch eine Alterung der Kunststoffgehäuse durch das kurzwellige Licht mit einhergehender Trübung feststellbar. Bei diesen und weißen LEDs mit hoher Leistung wird deshalb der lichtdurchlässige Teil des Gehäuses manchmal aus Silikongummi gefertigt, wodurch eine Lebensdauer von Stunden erzielt wird, was etwa 11,5 Jahren Dauerbetrieb entspricht. 3.2 Farben und Technologie Durch die gezielte Auswahl der Halbleitermaterialien und der Dotierung können vor allem der Spektralbereich und die Effizienz beeinflusst werden: Aluminiumgalliumarsenid (AlGaAs) rot (z. B. 665 nm) und infrarot (bis 1000 nm) Galliumarsenidphosphid (GaAsP) und Aluminiumindiumgalliumphosphid (AlInGaP) rot, orange und gelb Galliumphosphid (GaP) grün Siliciumcarbid (SiC) erste kommerzielle blaue LED; geringe Effizienz Zinkselenid (ZnSe) blauer Emitter, der jedoch nie die kommerzielle Reife erreichte Indiumgalliumnitrid (InGaN)/Galliumnitrid (GaN) Ultraviolett, Violett, blau und grün Weiße LEDs sind meistens blaue LEDs mit einer davor befindlichen Fluoreszenz- Schicht, die als Wellenlängen-Konverter wirkt (siehe Abschnitt Weißes Licht ) Bei der Herstellung der LED-Halbleiter werden verschiedene Epitaxie-Verfahren eingesetzt. Die Halbleiter werden zum Schutz in transparenten Kunststoff eingegossen Weißes Licht Um weißes Licht zu erzeugen, kommen verschiedene Verfahren zum Einsatz. 1) Es werden drei (bzw. zwei) Leuchtdioden mit den Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) zusammengeschaltet. Das kann über a) drei separate LEDs b) drei LED-Chips in einem Gehäuse c) zwei LEDS mit Komplementärfarben (z.b. Blau und Gelb) erfolgen. Um weißes Licht zu generieren muss das Verhältnis der Lichtstärke der drei Grundfarben folgendem Verhältnis entsprechen: R:G:B = 3:7:1 Wichtigste Grundlage in der heutigen visuellen Optoelektronik bildet die Verfügbarkeit der drei Primärfarben rot, grün und blau mit gleichen Parametern in Lichtstärke I v und Abstrahlwinkel v, 13

15 womit optimale additive Farbmischungen (und daher viele verschiedene Farbtöne) ermöglicht werden. 2) Es werden Fluoreszenzfarbstoffe (Phosphore) verwendet. Dabei wird ähnlich wie bei der Leuchtstoffröhre - hochenergetisches Licht (UV-Licht, blaues Licht) in sichtbares Licht umgewandelt. Auch hierfür gibt es prinzipiell zwei Methoden. a) Anregung dreier (geeigneter) Farbstoffe durch eine UV-LED. b) Blaue LED + Anregung von zwei Farbstoffen (gelb+rot oder grün+rot) c) Anregung einer einzigen Substanz durch eine blaue LED. Konvertierungsmaterialien [5] i) Anorganische Leuchtstoffe Mikroskalige Pulver ((Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce / (Ca,Sr,Ba) 2 SiO 4 :Eu / (Ca,Sr)S:Eu / Sr 2 Si 5 N 8 :Eu) Nanoskalige Pulver ((Y,Gd,Tb,Lu)AG:Ce) Quantum Dots ((Zn(S, Se) / (In, Ga)P) ii) Organische Leuchtstoffe Polykondensierte Aromate (Perylene, Coumarine) Metallkomplexe (Ln 3+ -Komplexe, Ln = Tm, Tb, Eu / Ru- und Ir-Komplexe) Da die Verwendung mehrerer Farbstoffe einerseits teuer ist, andererseits diese Methode geringe Lichtausbeute liefert, wird meist eine blaue Leuchtdiode in Kombination mit einer darüberliegenden gelblich fluoreszierenden Schicht (Cer-dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat- Pulver) verwendet. Zudem haben blaue LEDs einen mehr als doppelt so hohen Wirkungsgrad als UV-LEDs. Da die spektrale Qualität der weißen LED durch die Art der Farbbeschichtung bestimmt wird, erscheinen diese LED zumeist bläulich (hohe Farbtemperatur). Für warmweiße LEDs sind trichromatische Ausführungen notwendig. a) b) Abb. 4: Methoden zur Erzeugung von weißem Licht (aus [6]). a) RGB-LED (trichromatische Ausführung) b) Konvertierung mit einer einzigen Substanz. Eine Farbtemperatur unter K bezeichnet man gemäß DIN 5033 als warmweiß, eine Farbtemperatur von K bis K entspricht neutralweiß und über K wird als tageslichtweiß ( kaltweiß ) bezeichnet s.abb. 16. Die CIE Publikation No legt etwas andere Grenzen fest: warmweiß T < 3300 K, mittelweiß 3300 K T 5300 K und kaltweiß T > 5300 K. Hocheffiziente LED-Leuchtstoffe sind eine Schlüsselkomponente, um LED-Weißlichtquellen zum Durchbruch in der Allgemeinbeleuchtung zu verhelfen. 14

16 3.3 Lichtstärkeverteilung Modellierung der Lichtstärkeverteilung einer LED Die Lichtstärke I v ist der meist gemessene photometrische Parameter einer LED. Ein wesentliches Charakteristikum ist dabei die räumliche Verteilung der Lichtstärke. Ausgehend von einer idealisierten rotationssymmetrischen Punktquelle mit nur einem Maximum I 0 in der Strahlachse kann die Winkelverteilung der Lichtstärke mit I( ) = I cos( ) v 0 g-1 angenähert werden, wobei Anpassungsparameter g 1 sein muss. Je größer g gewählt wird, desto schmäler wird die modellierte Lichtkeule. Abb. 5b zeigt die winkelabhängige Lichtstärkeverteilung in kartesischen Koordinaten für g = 1,5 bis 50. Eine bessere Vorstellung dieser Verteilung erzielt man durch die Darstellung in Polarkoordinaten s. Abb. 5a. Mit Hilfe des Parameters g lassen sich verschiedene Lichtverteilungen modellieren: g = 1... g = 2... g > isotroper Strahler Lambert-Strahler, offene LED LEDs mit Kunststoffkapsel Um den Parameter g einer vorgegebenen Verteilung anzupassen, muss noch eine zweite Größe angegeben sein: der Winkel ½, bei dem die Lichtstärke nur mehr 50% von I 0 beträgt. Setzt man diesen Wert in Gleichung 1 ein, dann erhält man nach Umformung log(0,5) g 1 log(cos( )) 1/ 2 Eine zweite übliche Verteilung ist die sogenannte Batwing-Verteilung, die sich durch ein ringförmiges Maximum auszeichnet, wodurch im Querschnitt zwei Maxima aufscheinen. Diese Verteilung kann durch die Formel I v () = I 0 {(0,5 + a)cos() g1-1 + (0,5 - a)cos() g2-1 } dargestellt werden. Die Parameter a, g1 und g2 sind entsprechend der gewünschten Form anzupassen. Zwei Beispiele dazu sind in Abb. 6 zu sehen g=1,5 g= g=1,5 0 0 g=10 g= g=2 g= g= [ ] a) in Polarkoordinaten b) in karthesischen Koordinaten Abb. 5: Keulen-Verteilung : modellierte winkelabhängige (rotationssymmetrische) Lichtstärkeverteilung. 15

17 a=3,5 / g1=12 / g2=1,6 a=2,5 / g1=4 / g2=1,6 1 Lambert-Strahler x [ ] a) in Polarkoordinaten b) in karthesischen Koordinaten Abb. 6: Batwing-Verteilung : modellierte winkelabhängige (rotationssymmetrische) Lichtstärkeverteilung (zum Vergleich ist der Lambert-Strahler eingezeichnet). Der Winkel bei der die maximale Strahlleistung abgegeben wird ergibt sich aus max (0,5 a) ( g2 1) ln (0,5 a ) ( g 1 1) acosexp g1 g2 Die Halbwertswinkel ½ kann jedoch nicht mehr analytisch dargestellt und muss nummerisch ermittelt werden. 3.4 Aufbau von LED-Lichtquellen austretender Lichtstrahl c n e Epoxy-Kapsel n s Austrittskegel Aktive Schicht Absorbierende Schicht Abb. 7: Mögliche Lichtwege von der aktiven Schicht heraus. 16

18 In diesem Kapitel soll nur kurz auf den Aufbau von LEDs eingegangen werden. Waren früher LEDs auf die Bauart mit runder Kunststoffkapsel beschränkt die konventionellen 5 mm oder 3 mm-leds so existiert heute eine Vielzahl an möglichen Bauformen, v.a. wenn es sich um Hochleistungs-LEDs handelt. Ziel aller Hersteller ist es, möglichst viel Licht, das in der aktiven Schicht entsteht zu extrahieren. Nicht jedes erzeugte Photon findet auch seinen Weg nach außen. Der geometrische Aufbau entscheidet darüber, wie viel von dem generierten Licht tatsächlich nach außen durch den sogenannten Austrittskegel treten kann. So existieren LEDs mit einem oder auch mehreren Austrittskegeln. Welchen Winkel c dieser Austrittskegel aufweisen kann, hängt wiederum vom Brechungsindexunterschied an den einzelnen Grenzschichten ab s. Abb. 7. Zuletzt hat auch der Übergang vom Kunststoff zur Umgebungsluft Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad (s. nächstes Kapitel). Die meisten Verluste werden durch die Absorption in der aktiven Schicht und im umgebenden Material (z.b. transparente Fenster Schichten) verursacht. Die Verluste in der aktiven Schicht hängen von der Wahrscheinlichkeit der Reemission eines Photons ab absorbierte Photonen können neuerlich als Photon emittiert werden und bekommen eine neue Chance, den Austrittskegel zu finden. Wenn die interne Quantenausbeute hoch ist, dann wird ein Photon unter Umständen mehrmals wieder verwendet bis es durch den Austrittskegel austritt. Die Lichtextraktion hängt somit sowohl vom Material (z.b. Serienwiderstand) als auch von der Geometrie des Halbleiteraufbaus (z.b. Anzahl der Austrittskegel) ab. 3.5 Wirkungsgrad und Lichtausbeute Wirkungsgrad e (engl. optical efficiency) Unter Wirkungsgrad versteht man das Verhältnis von abgestrahlter Lichtleistung e zur aufgenommenen elektrischen Leistung P. Während eine normale Glühlampe einen Wirkungsgrad von 3-4% oder eine Halogenlampe von 7% haben, wird bei LEDs ein Wirkungsgrad von ca. 25% erreicht. Der Wirkungsgrad wird mit e gekennzeichnet. e = e / P (wird auch als wall-plug Effizienz wp bezeichnet). e = wp = ext f wp... wall-plug efficiency (WPE) f... feeding efficiency ext... external quantum efficiency (EQE) f (mittlere Photonenenergie) / (Gesamtenergie eines Elektron-Loch-Paares) f = h./(q.v F ) q Elementarladung (1, C) V F Vorwärtsspannung ext... (Photonenanzahl, die die LED verlassen) / (Elektronenanzahl, die die LED passieren) ext ist abhängig von der Stromdichte (A/cm²) ext = inj rad opt inj injection efficiency rad... internal quantum efficiency (IQE) or (radiative efficiency) opt optical efficiency (light-extraction) inj Elektronenanzahl in der aktiven Zone = Elektronenanzahl, die die LED passieren rad = Photonenanzahl, die in der aktiven Schicht generiert werden Elektronenanzahl in der aktiven Zone 17

19 opt Photonenanzahl, die die LED verlassen = Photonenanzahl, die in der aktiven Schicht generiert werden auch ext bezeichnet (Index ext für extraction ; nicht verwechseln mit external quantum efficiency!) Lichtausbeute (engl. Luminous efficiency) v Die photometrische Lichtausbeute v ist ein Maß für die Umwandlung elektrischer Leistung P in Lichtleistung v und wird in lm/w angegeben. Die physikalische Grenze der Lichtausbeute liegt bei 683 lm/w bei einer Wellenlänge von 555 nm. Für weißes (tageslichtähnliche) Licht ist hingegen nur 225 lm/w möglich. Bei einem thermischen Strahler wird das theoretische Maximum von etwa 95 lm/w bei 6600 K erreicht. v = v / P e K() [lm/w] Beispiele: Glühlampe ca. 15 lm/w Halogenlampe ca. 35 lm/w Leuchtstoffröhre ca. 60 lm/w weiße LED (Labor) ca. 140 lm/w weiße LED (kommerziell) ca. 100 lm/w Natriumdampf-Niederdrucklampen ca. 200 lm/w (daraus folgt K()= v / e das photometrische Strahlungsäquivalent; siehe Kapitel 4.3). 3.6 Vergleich Konventionelle 5-mm LEDs und Power -LEDs 5-mm LEDs sind limitiert durch [Quelle: Lumileds] Hohen thermischen Widerstand (> 120 K/W) Epoxy-Kapsel verträgt nicht mehr ca. 120 C Anschlussleistung < 0,1 W Geringe Lichtausbeute Power-LEDs Hohen thermischen Widerstand (2-12 K/W) Temperatur im Inneren C Anschlussleistung 1-5 W Hohe Lichtausbeute 18

20 4 LICHTTECHNISCHE GRÖßEN 4.1 Raumwinkel So wie der ebene Winkel über das Verhältnis von der Länge einer Strecke zur Entfernung zu dieser Strecke definierbar ist, beschreibt der Raumwinkel das Verhältnis einer Fläche zum Abstand zum Quadrat. Der Raumwinkel ist demnach definiert als Verhältnis einer Fläche A auf einer Kugel zum Quadrat des Kugelradius r, wobei sich die Fläche A aus der Projektion einer beliebigen Fläche S auf die Oberfläche dieser Kugel ergibt 1. A 2 r Der differentielle Raumwinkel d eines allgemeinen Flächenstücks da ergibt sich zu d = da.cos/r², falls die Flächennormale mit der Verbindungsgeraden r den Winkel einschließt. Die Einheit für den Raumwinkel wird im SI-System Steradiant genannt, abgekürzt mit sr. Gemäß obiger Gleichung ist er eine abgeleitete Einheit: 1 sr = 1 m²/m². Ein Raumwinkel von 1 sr umfasst auf der Oberfläche einer Kugel mit 1 m Radius eine Kugelfläche von 1 m². Wird der Raumwinkel von einem rotationssymmetrischen Konus und einer Kalotte gebildet, dann lässt sich der Raumwinkel aus dem ebenen Winkel des Konus ableiten. Diese Umwandlung ist von praktischer Bedeutung, da meist von einer kreisrunden Messblende auf den korrespondierenden Raumwinkel geschlossen werden muss. Die differentiell kleine Fläche da ergibt sich zu da = (rsindrd r d da (r sind ) (r d ) d 2 2 r r dsindd r d d rsind sindd 2 2 (1cos ) 4sin ( ) 2 Abb. 8: Ableitung des Raumwinkels aus dem ebenen Winkel. Neben kreisrunden Blenden werden auch rechteckige Blenden in der Praxis angewandt. Auch für rechteckige Flächen (ab) lässt sich ein entsprechender Raumwinkel ab ableiten: z da cosdx dy h mit cos h x y h 4A a A x d d Abb. 9: Ableitung des Raumwinkels für ein Rechteck 2 [7]. r b y ab h cos dx dy ab 2 r 00 a b ab arcsin a h b h Für die 4-fache Fläche 4A ergibt sich entsprechend der 4-fache Raumwinkel = 4 ab. 1 In 3D kann der Raumwinkel als Verallgemeinerung des Bogenmaßes = Bogenlänge/Radius (2D) angesehen werden. 2 Ein effizienter Algorithmus zur Berechnung des Raumwinkels eines allgemeinen Dreiecks mit Vektoren R1, R 2 und R 3 - betrachtet vom Ursprung - wurde von Van Oosterom und A. Strackee entwickelt. 19

21 4.2 Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V() Der spektrale Hellempfindlichkeitsgrad ist ein Maß für die Empfindlichkeit des menschlichen Auges in Abhängigkeit von der Wellenlänge. Diese physiologisch bedingte Empfindlichkeitskurve wurde empirisch gefunden und von der CIE (im Jahr 1924 erarbeitet [8]) als V()-Kurve für den 2 -Beobachter 3 für das helladaptierte Auge genormt (Tag-Sehen; photopisches Sehen). Die V()-Kurve ist im Wellenlängenbereich nm definiert. Das Maximum der V()- Kurve liegt bei etwa 555 nm, Links und rechts des Maximums fällt die Kurve bei 400 nm bzw. bei ca. 750 nm nahezu auf den Wert Null ab. Die Empfindlichkeitskurve für das dunkeladaptierte Auge (Nacht-Sehen; skotopisches Sehen) wurde erst im Jahr 1951 V ()-Kurve von CIE veröffentlicht [9]. Die V ()-Kurve ist gegenüber der V()-Kurve um etwa 50 nm in Richtung blauer Spektralbereich verschoben, das Maximum liegt bei etwa 507 nm. V(), V'(), VM(), VFe() 1,0 0,9 V Fe ( 0,8 V ( 0,7 0,6 V() 0,5 0,4 0,3 V M () 0,2 0,1 0, Wellenlänge [nm] Abb. 10: V()-Funktion und andere Empfindlichkeitskurven. Die V()-Funktion ist eine Mittelwertsfunktion, wobei die Streuungen im blauen Bereich erheblich sind. Nach neueren Messungen sind die Werte im blauen Bereich um einen Faktor 2-3 zu gering [10]. Überdies ist altersbedingte Abnahme der Empfindlichkeit im blauen Bereich nicht berücksichtigt. (Die Versuche wurden großteils mit jungen Versuchpersonen durchgeführt). Auch die Größe des Sehwinkels beeinflusst die Wahrnehmung, da sich das Verhältnis von bestrahlten Zapfen zu Stäbchen ändert. Für ein 10 -Feld wurde daher in Ergänzung von der CIE die V 10 ()-Kurve definiert [11], die im Blaubereich höhere Werte aufweist als V(). Im laufe der Zeit hat es mehrere Verbesserungsvorschläge hinsichtlich Augensensitivität gegeben, wovon nur zwei genannt werden sollen: V M () gemäß Judd-Vos (1951 Judd [12], 1978 Vos [13]) und V Fe () gemäß Stockman and Sharpe 1999 bzw ([14], [15]). Trotz dieser Einwände wird V() weiterhin als Basisfunktion in der Photometrie verwendet. 3 Der Beobachter hat ein Sichtfeld (FOV field of view) von 2. 20

22 4.3 Photometrische und radiometrische Größen Definition der photometrischen Größen Lichtstärke - Maßeinheit Candela (cd) Aus messtechnischen Gründen ist als Basisgröße der photometrischen Größen die Lichtstärke I v gewählt worden. die zugehörige SI-Basiseinheit ist die Candela. Die Definition für die Einheit der Lichtstärke hat sich im Laufe der Zeit mehrfach geändert. Bis 1948 bezog man sich auf die sogenannte Hefner-Kerze. Da diese Festlegung jedoch von den Materialeigenschaften abhängt, wurde die nächste Definition auf einem fundamentalen Naturgesetz aufgesetzt, wozu die Strahlung eines schwarzen Strahlers als Normallichtquelle verwendet wurde. Aufgrund der Schwierigkeiten einen Planckschen Strahler für hohe Temperaturen zu realisieren, erfolgte 1979 bei der 16. General Conference on Weights and Measures (CGPM) wieder eine Neudefinition der Maßeinheit Candela: Ein Candela (cd) ist die Lichtstärke (Lichtstromdichte) in eine gegebene Richtung, die monochromatische Strahlung der Frequenz Hertz (entspricht ca. 555 nm), mit einer Leistung in diese Richtung von 1/683 Watt pro Steradiant aussendet. Der scheinbar willkürliche Wert von 1/683 wurde so gewählt, damit die Neudefinition mit der alten Definition 4 übereinstimmt. Obwohl die Einheit Candela teilweise im Sinne von Watt definiert ist, wobei Watt bereits eine abgeleitete Einheit im SI-Maßsystem darstellt, wurde das Maß Candela per Definition als Basiseinheit im SI-Maßsystem übernommen. Aufgrund dieser Definition ist der Maximalwert des photometrischen Strahlungsäquivalents für das Tagsehen mit K m = 683 cdsrw -1 (= 683 lm/w) festgelegt. Beispiele 100 W Glühlampe: 1,1 cd 100 W Scheinwerfer bis 10 6 cd in Strahlrichtung [6] Signal-LED (10 ma) mcd weiße LED (30 ma) 5 cd Da die Lichtstärke (Intensität) vom Abstrahlwinkel abhängt, hat ein LED-Chip mit einem 30 - Reflektor eine höhere Lichtstärke als derselbe LED-Chip mit einem 60 -Reflektor (Lichtstrom ist in beiden Fällen gleich groß). Lichtstrom - Maßeinheit Lumen (lm) Auch das Lumen (lm) ist eine SI-Einheit mit deren Hilfe man den Lichtstrom v einer Lichtquelle misst. Das ist die gesamte sichtbare Strahlung, die von der Lichtquelle ausgesandt wird. Der Lichtstrom ist die durch das menschliche Auge bewertete Strahlungsleistung. 1 lm = 1 cd.sr Aufgrund des Zusammenhangs d v = I v dwird für die Strahlungsäquivalente K m und K m ' die prägnantere Einheit lm/w verwendet. Das Lumen entspricht somit der Strahlungsleistung mit 1/683 Watt bei einer monochromatischen Strahlung der Frequenz 540 THz. (Diese 540 THz entsprechen genau genommen 555,016 nm in der Luft. Der Wert von V() ist 0, bei 555,016 nm, sodass 683/0, = 683,002 der exakte Multiplikator wäre). 4 Alte Definition: 60 Candela ist die Lichtstärke der 1 cm² großen Öffnung in Normalrichtung eines schwarzen Strahlers mit einer Temperatur von 2045 Kelvin (Schmelztemperatur von Platin) bei einem Druck von 11013,25 hpa. Der Maximalwert von K m ergab sich allerdings zu 673 lm/w. 21

23 Beispiel Strahlt eine Lichtquelle mit einem Candela isotrop in den Raum, also 1 lm pro sr, dann ergibt sich der Lichtstrom durch das Integral der Lichtstärke über den gesamten Raum zu lm v = 1cd 4π sr = 1 4π sr 12,6 lm sr Beleuchtungsstärke Maßeinheit (lx) Die Beleuchtungsstärke ist das Verhältnis von auftreffendem Lichtstrom zur bestrahlten Fläche und daher eine Empfängergröße. Wenn 1 lm gleichmäßig auf eine 1 m² große Fläche trifft, dann ist die Beleuchtungsstärke 1 Lux (lx). Beispiele Sonnenschein (mittags) Büroarbeitsplatz klare Vollmondnacht bis lx 500 lx 0,2 lx Leuchtdichte Maßeinheit (cd/m²) Die Leuchtdichte ist das Maß für die gesehene Helligkeit, also für die Lichtstärke pro leuchtende Fläche 5 (das menschliche Auge empfindet Leuchtdichteunterschiede als Helligkeitsunterschiede). Beispiel: Helligkeit der Wahrnehmung [16] skotopisches Sehen (reines Nachtsehen): mesopisches Sehen: photopisches Sehen (reines Tagsehen): Zapfensättigung: 3 µcd/m² bis 3-30 mcd/m² 3-30 mcd/m² bis 3-30 cd/m² über 3-30 cd/m² ab cd/m² Demnach ist die Leuchtdichte eine von der Entfernung unabhängige Strahlergröße mit der Einheit cd/m². Eine Lichtquelle mit einer vorgegebenen Lichtstärke erscheint umso heller, je kleiner ihre Fläche ist. Beispiel: Leuchtdichte (gerundet) einiger Quellen [17] Sonne 10 9 cd/m² 100 W Glühbirne (klar) 10 7 cd/m² 100 W Glühbirne (matt) 10 6 cd/m² Leuchtstofflampe 10 4 cd/m² weiße LED 10 3 cd/m² grüne LED 30 cd/m² Tabelle 3: Photometrische Größen. (Anmerkung: Index 1: Sender; Index 2: Empfänger) Größe Zeichen Einheit Definition Erläuterung Lichtstrom (luminous flux) Lichtstärke (luminous intensity) Beleuchtungsstärke (illuminance) Leuchtdichte (luminance) v lm v Km e V( ) d * ) I v E v L v cd lm/sr lx I v d d d v,12 v,12 lm/m 2 Ev da2 cd/m 2 lx/sr lm/m 2 sr * ) e = d e /d spektrale Strahlungsleistung L v 2 2 d v,12 da cos( ) d Auch Strahlungsfluss. Ist die V()-bewertete gesamte Strahlungsleistung. Richtungsunabhängig. Verhältnis aus abgestrahltem Licht-strom in eine Richtung zum dazu-gehörigen durchstrahlten Raumwinkel. Empfängergröße. Verhältnis von auffallendem Lichtstrom zur bestrahlten Fläche. Gesehene Helligkeit, vom Abstand unabhängig. Kann nicht durch optische Elemente verändert werden. 5 Das von der Fläche ausgehende Licht kann durch Reflexion, Transmission und/oder Emission stammen. 22

24 Tabelle 4: Radiometrische Größen. Größe Zeichen Einheit Definition Erläuterung Strahlungsleistung dq (radiant power) e W e dt Bestrahlungsstärke E (irradiance) e W/m 2 de,12 Ee da Strahlstärke (radiant intensity) Strahldichte (radiance) I e L e W/sr W/m 2 sr I e L e d d 2 e, d e,12 da cos( ) d Zusammenhang der lichttechnischen Größen Strahlungsenergie dq wird im Zeitintervall dt abgegeben. Empfängergröße. Verhältnis von auffallender Strahlungsleistung zur bestrahlten Fläche. Verhältnis aus abgestrahlter Strahlungsleistung zum dazugehörigen durchstrahlten Raumwinkel. Direkt proportional zur Bestrahlungsstärke im Bild eines abbildenden Systems (z.b. Auge). A 1 strahlende Fläche Abb. 11: Radiometrisches (bzw. photometrisches) Grundgesetz. Das radiometrische Grundgesetz fasst alle Beziehungen zwischen den lichttechnischen Größen, I, L und E zusammen, sodass sich jede gewünschte Beziehung zwischen den vier Größen au diesem Grundgesetz ableiten lässt. Die übertragene Strahlungsleistung von A 1 auf A 2 ergibt sich aus: d L 2 L Strahldichte einer kleinen ebenen Fläche 1 da 1 ihren Flächeninhalt 1 Winkel zw. der Normalen auf diese Fläche u. der Ausstrahlungsrichtung 1 2 d Lichtstrom, den eine kleine ebene Fläche empfängt n da 1 n 2 Empfangsfläche 2 2 Winkel zw. der Normalen auf diese Fläche u. der Einstrahlungsrichtung A 2 bestrahlte Fläche da cos( ) da cos( ) r L 2 Folgende vier Beziehungen sind für die meisten Berechnungen besonders hilfreich: a) I = LA 1 b) 12 = EA 2 c) 12 = I 2 d) E = L 1 r Abstand zwischen strahlender und bestrahlter Fläche Hinweis: 1 ist die gesamte Strahlungsleistung, die von A 1 ausgestrahlt wird aus der Sicht des Strahlers aus der Sicht des Empfängers Der Raumwinkel 1 ist der Raumwinkel, der von A 1 aufgespannt wird und von A 2 aus gesehen wird, und 2 ist der Raumwinkel der von A 2 aufgespannt wird, und von A 1 aus gesehen wird (wobei A 1 und A 2 genau genommen Kugelflächen sind). Hinweis: wenn die Raumwinkel aus ebenen Flächenelementen ermittelt werden (in der Praxis sind es meist ebene Flächen (z.b. Detektorfläche)), dann ist der begangene Fehler kleiner 1% solange der Winkel kleiner als etwa 100 mrad ( 6 ) ist. 23

25 4.3.3 Umwandlung der photometrischen in die radiometrische Größe Mit Hilfe der V()-Funktion und des photometrischen Strahlungsäquivalents ist es möglich, photometrische Größen in radiometrische Größen umzuwandeln. Um zum Beispiel den Lichtstrom einer LED mit Sicherheits-Grenzwerten, die in Watt angegeben sind, vergleichen zu können, muss die photometrische Größe durch die korrespondierende radiometrische Größe ersetzt werden. Die photometrische Größe Lichtstrom v ist mit der radiometrischen Größe Strahlungsleistung e über das photometrische Strahlungsäquivalent K m mit folgender Gleichung verknüpft: v = K m V() e wobei K m = 683 lm/w als Fixwert das maximale photometrische Strahlungsäquivalent oder auch Lichtausbeute (für das photopische Sehen; K m = 1699 lm/w für das skotopische Sehen) darstellt. (Diese Zahl berechnet man aus der Definition der Einheit des Lichtstromes mit Hilfe der Schwarzkörperstrahlung und der Planckschen Formel und V() den dimensionslosen spektralen Hellempfindlichkeitsgrad). K() = K m V() = v / e Somit kann das photometrische Strahlungsäquivalent K() (engl. luminous efficacy) als Quotient der physiologischen Größe Lichtstrom und dem physikalischen Strahlungsfluss definiert werden. a) Farbige LEDs Der Lichtstrom einer farbigen LED ist daher das Produkt aus seiner theoretisch maximal möglichen Lichtausbeute (der Maximalwert 683 Lumen/Watt liegt bei einer Wellenlänge 555 nm, grün) multipliziert mit dem für die jeweilige Wellenlänge zugehörigen spektralen Hellempfindlichkeitsgrad V() (Grün = 555 nm: V() = 1, rot = 670 nm: V() = 0,1) und der Strahlungsleistung in Watt. Beispiel bei einer 1 Watt LED: v = K m x V() x e Rote LED (670nm): v = 683 (lm/w) x 0,1 x 1 (W) = 68,3 lm Grüne LED (555nm): v = 683 (lm/w) x 1 x 1 (W)= 683 lm b) Weiße LEDs mit Blau-Peak Weißes Licht kann man sich als Mischung von Licht vieler einfarbiger Lichtquellen vorstellen. Bei weißen LEDs wird der Lichtstrom (lm) der einzelnen Wellenlängen addiert. 780nm K ( ) V( ) v m e 380nm Wenn für theoretische Abschätzungen nur der Lichtstrom der LED angegeben ist, muss V() einem einzigen bestimmten Wert zugeordnet werden, damit ein Vergleichswert (entspricht dem möglichen Messwert) errechnet werden kann. Im Rahmen des Projektes wurde als Ausgangspunkt jene weiße LED (CREE LP377) herangezogen, die den größten Blauanteil im Vergleich zum Gesamtspektrum hat. Als Blauanteil wurde für diesen Zweck der Spektralanteil 380 nm bis 489 nm definiert, da bei 489 nm das erste Minimum im über alle weißen Spektren gemittelten Spektrum zu verzeichnen ist s. Abb