Beleuchtungsstärke, Farbtemperatur, Spektralverteilung, Farbwiedergabeindex und CIE-Farbort:
Portables Messgerät für LED-Lichtdesigner
Die Beleuchtung definiert den Raum und wie wohl man sich in einem funktionalen oder privaten Ambiente fühlt. Genaue Messungen vor Ort mit einem flexibel einsetzbaren Handgerät sorgen für architektonisch, ergonomisch und energetisch günstige LED-Beleuchtungssysteme.
Ein Beispiel für aktuelles Lichtdesign ist die Auslage eines Supermarktes (Bild 4): Die Ware erscheint im gelblichen Licht besonders gut. Aber auch der Farbwiedergabeindex (Color Rendering Index, CRI) muss stimmen. CRI ist die Maßzahl für die mehr oder weniger ‚richtige‘ Wiedergabe möglichst aller Farben im Vergleich zum Sonnenlicht (CRI = 100). Im Bild 4a liegt der CRI-Wert mit 52 recht niedrig. Im Bild 4b (CRI = 82) wirkt die Auslage wesentlich besser. Auch Bild 4c wirkt bei etwas kälterem Licht ansprechend dank des gleichen CRI-Werts von 82.
Mainstream-LED-Beleuchtung
Der wesentliche Unterschied von LEDs und Glühlampen besteht im Emissionsspektrum. LEDs sind auf den sichtbaren Wellenlängenbereich von 360 bis 760nm beschränkt. Ohne Infrarot strahlen sie also keine Wärme (oberhalb von 780nm) ab. Sie liefern auch kein UV unterhalb von 380nm. Damit entfallen Schädigungen von Papier, Stoff und Pigmenten. Ein möglicher Nachteil ist die eingeschränkte Wirkung der UV-reflektierenden ‚Weißmacher‘ in Druck- und Textilfarben. LEDs bieten hohe Wirkungsgrade: Eine High-power LED-Lampe mit 5W liefert den gleichen Lichtstrom wie eine 13W-Energiesparlampe oder eine 40W-Glühlampe (415lm). Sie verbraucht jedoch nur ein Achtel der Energie.
Portable Lichtmessung
Die apparative Photometrie hat große Fortschritte gemacht, speziell für LEDs. Das hier beschriebene portable Spektroradiometer ist auf LED-Messungen zugeschnitten. Bisher bestanden tragbare Geräte, wenn sie mehr als nur die Beleuchtungsstärke erfassen sollten, aus mehreren Komponenten: Sensor, Spektrometer und PC zur Analyse der Daten. Das neue Spektroradiometer MK-350 in Bild 1 bündelt diese Funktionen in einem handlichen Gerät. Die Messung ist denkbar einfach:
- • auf die Lichtquelle zielen,
- • Messung auslösen,
- • Nach 3s Messwert ablesen.
Dazu vereint das MK-350 einen Lichtsensor mit Cosinus-Korrektur (am Idealverlauf), ein hoch auflösendes Spektrometer neuartiger Architektur (mit Halbwertsbreite von 12nm für Wellenlängen-Inkremente von 1nm) sowie einen CMOS-Zeilensensor mit integrierter Auswerteelektronik. Die sehr einfache Touch-Bedienung geschieht über ein 3,5″-Farbdisplay mit 1/4 VGA-Auflösung. Der Lichtaufnehmer erfasst mit nur 6,6mm Durchmesser auch punktförmige Strahler wie Einzel-LEDs.
Betriebsarten
In vier Betriebsarten (Bild 2) – Basic, Spectrum, CIE1931 und CIE1976 – liefert das Gerät alle wesentlichen Parameter:
- • Beleuchtungsstärke,
- • spektrale Energieverteilung,
- • Farbort nach CIE,
- • Peak-Wellenlänge,
- • Farbtemperatur, und
- • Farbwiedergabeindex (CRI).
Der Messbereich der Beleuchtungsstärke reicht von 70 bis 70 000lx, bei Messtoleranzen von +5%. Das Spektrum wird zwischen 360 und 750nm erfasst. Dabei unterdrückt das Spektrometer die Ultraviolett- und Infrarot-Anteile, wodurch das LED-Meter für Halogen-Strahler oder Leuchtstofflampen nur bedingt einsetzbar ist. Die Integrationszeit des Zeilensensors wird automatisch zwischen 8 und 1.000ms abgeglichen, lässt sich aber zum Vergleich verschiedener Strahler auch manuell einstellen. Aus dem Spektrum wird die Peak-Wellenlänge des Strahlers, also der spektrale Anteil mit der größten Intensität bestimmt und angezeigt. Falls nicht klar ist, welchem Spektrumbereich die Spitze zuzuordnen ist, kann man im Spectrum-Modus messen und eventuelle Nebenmaxima finden und bewerten.
Einfacher Einsatz
Eine einfache Nutzung der Spektralfunktion zeigt Bild 3: Links typisches Tageslicht mit Spitze bei 466nm (blau). In der Mitte eine Glühlampe mit Maximum im Infrarot, das hier aber nicht mehr erfasst wird. Als höchster Wert erscheint deshalb der Grenzbereich des Spektrometers bei 760mm (dunkelrot). Rechts eine LED-Lampe mit Anregungsmaximum bei 451nm und ihren durch Fluoreszenz transformierten Nebenmaxima. Der Farb- ort nach CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) wird in zwei Betriebsarten bestimmt. Er positioniert den gemessenen Strahler im Farbraum als x,y-Koordinaten gemäß CIE1931 und als einfacher zu berechnende u‘,v‘-Koordinaten laut CIE1976. Das Toleranzband der Farbabweichung nach CIE1931 beträgt nur +0,0025%, für die Wiederholgenauigkeit der Messung gilt 0,0005%. Aus der Bestimmung des Farbortes folgt die Farbtemperatur in Kelvin als CCT-Wert (Correlated Color Temperature). Sie lokalisiert den untersuchten Strahler auf der Kurve des idealen schwarzen Strahlers in einem Definitionsbereich von 2.500 bis 10.000K, der auch Farben wie Gelb (3.000 bis 4.000K) oder Weiß (5.000 bis 6.000K) abdeckt. Die Spektralanalyse liefert den Farbwiedergabeindex CRI. Er wird als arithmetischer Mittelwert Ra aus dem Vergleich der ersten acht Testfarben (von insgesamt 14, mit genormter Remission nach DIN 6169) mit ihrem Eindruck bei Sonnenlicht bestimmt. Ra-Werte oberhalb 90 gelten als ausgezeichnet, 80 bis 90 ist in den meisten Fällen ausreichend für gute Farbwiedergabe. Unterhalb 60 werden die Testfarben nur eingeschränkt wiedergegeben.
LED-Selektion per Binning
Anders als Halogenlampen müssen LEDs individuell den Anwender-Spezifikationen angepasst werden. LED-Lampen einer Serie können unterschiedliche Farbstiche zeigen. Sie werden per Binning vom Hersteller oder Leuchtendesigner entsprechend sortiert. Mit dem MK-350 lassen sich unterschiedliche Messergebnisse quantifizieren und in verbesserte Produktdefinitionen umsetzen.
