Ein Goniophotometer zur Messung des
Lichtstromes und der Lichtstärkeverteilung
von hohlen Lichtleitern
Von Diplom-Ingenieur
Sven-Holger Kloss aus Berlin
am Fachbereich 12, Elektrotechnik
der Technische Universität Berlin
zur Erlangung des akademischen Grades
Doktor-Ingenieur
genehmigte Dissertation
Tag der wissenschaftliche Aussprache: 30.03.2001
D 83
Vorsitzender: Prof. Dr. D. Filbert
1. Berichter: Prof. Dr. H. Kaase
2. Berichter: Dr. habil. F. Riehle
Berlin 2001
Seite 1
Danksagung.
Ich bedanke mich bei allen, die mich bei dieser Arbeit unterstützt haben,
insbesondere bei Herrn Prof. Dr. Heinrich Kaase und den weiteren Mitgliedern des
Promotionsausschusses, Prof. Dr. Dieter Filbert und Dr. habil Fritz Riehle.
Ich danke Dr. Thomas Müller, der durch den engagierten Kampf mit unzähligen
Formularen der Europäischen Kommission das ARTHELIO Projekt überhaupt erst
auf den Weg gebracht hat.
Prof. Dr. Stolzenberg danke ich für kritische Anmerkungen und für das Übersetzen
russischer Literatur und Dr. Serick für die geduldigen Antworten zu allen Fragen
der Lichttechnik.
Mein Dank gilt Sirri, Susanne, Frank und Elke, die mich von Anfang an in meiner
Absicht unterstützten die Arbeit zu beginnen.
Ich danke Alexander Rosemann für die gute Zusammenarbeit während des
Forschungsprojektes und Berit Herrmann, die stets eine Lösung hatte für all die
Grausamkeiten, die ein Computer mit einem Menschen anstellen kann.
Den Firmen TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH und PRC Krochmann GmbH
danke ich für die Unterstützung bei der Realisierung der Meßanlage und den
Firmen 3M, Siteco, Tubosyder, Semperlux, NILSlight und artpart für das
Bereitstellen von Meßobjekten.
Besonders bedanken möchte ich mich bei Dr Györjy Czibula, dessen Engagement
und Interesse für einen erfolgreichen und fristgerechten Aufbau des
Goniophotometers weit über das übliche Maß hinausging.
Bei den Mitarbeitern des Fachgebietes Lichttechnik, Herrn Volz und Herrn Oertwig
bedanke ich mich für die tatkräftige Unterstützung bei praktischen Problemen und
bei Frau Isfort für die Hilfe bei administrativen Angelegenheiten.
Ich danke meiner Familie, die mir stets den Rücken freigehalten hat, sowie Hella
für das Korrekturlesen und meiner Frau Karen, die öfter auf meine Anwesenheit
verzichten mußte, als dies geplant war.
Ein ganz spezieller Dank geht an Helen-Luise, die noch gar nicht weiß, wie sehr
sie durch ihr fröhliches Lachen und mit durchgeschlafenen Nächten zum Gelingen
dieser Arbeit beigetragen hat.
Seite 2
Inhaltsverzeichnis:
1EINLEITUNG 6
2DAS ARTHELIO PROJEKT 8
3HOHLE LICHTLEITER 11
3.1 Entwicklung 11
3.2 Technik 12
3.2.1 Lichtleit-Fasertechnik 12
3.2.2 Linsen-Lichtleiter 13
3.2.3 Schlitzlichtleiter 13
3.2.4 Prismen-Lichtleiter 14
4BELEUCHTUNGSANLAGEN MIT HOHLLICHTLEITERN 19
4.1.1 Lichtquellen 19
4.1.2 Hohllichtleiter 20
4.1.3 Extraktor 21
5PHOTOMETRIE 24
5.1 Grundsätzliches 24
5.1.1 Messung des Lichtstromes 24
5.1.1.1 Die Ulbrichtsche Kugel 24
5.1.1.2 Der Lichtstromintegrator 25
5.1.2 Messung der Lichtstärke und Lichtstärkeverteilung 25
5.2 Nahfeldphotometrie 27
5.3 Photometrie von hohlen Lichtleitern 34
5.3.1 Messung der Beleuchtungsstärke 34
5.3.2 Turbosider 35
5.3.3 Siemens AG 36
5.3.4 Messung mittels Aperturblende 37
5.3.5 Messung mit CCD Kamera 38
6PHOTOMETER 40
6.1 Entwicklung 40
6.2 Aufbau 42
6.2.1 Goniophotometer 42
6.2.2 Schienensystem 44
6.2.3 Drehbarer Bogen 47
6.2.4 Sensorwagen 48
6.2.5 Kabelführung 50
6.2.6 Endschalter 50
6.2.7 Koordinatensysteme 51
6.3 Justage 53
6.3.1 Justage des Schienensystems 53
6.3.2 Justage des Photometers 53
Seite 3
6.4 Kalibrierung 55
6.4.1 Lichtstromkalibrierung 56
6.4.2 Lichtstärkekalibrierung 57
6.5 Meßablauf 60
6.5.1 Initialisierung 60
6.5.2 Handsteuerung 60
6.5.3 Notsteuerung 61
6.5.4 Montage der Testobjekte 62
6.5.5 Festlegung der Verfahrgrenzen 63
6.5.6 Interpolation von nicht erfaßten Bereichen 64
6.5.7 Festlegung der Meßbereiche 67
6.5.8 Dateiformat 68
7MESSERGEBNISSE 70
7.1 Lichtstärkeverteilungen 70
7.2 Lichtstrom 71
7.3 Wirkungsgrade 77
8AUSBLICK 81
9ZUSAMMENFASSUNG 85
10 LITERATUR 87
Seite 4
Verzeichnis der verwendeten Größen
ηPIPE Lichtrohr Wirkungsgrad
α1[°] Einfallswinkel
α2[°] Ausfallswinkel
θ[°] Seiten-Einfallswinkel
γ[°] Halbwertswinkel
ε1[°] Winkel zwischen Ausstrahlungsrichtung und Normal auf
dA1
ε2[°] Winkel zwischen Lichteinfallsrichtung und Normal auf dA2
ρReflexionsgrad
Ω[sr] Raumwinkel
Φ[lm] Lichtstrom
A1 [m²]Strahlerfläche
A2 [m²] Empfängerfläche
AK[m2]Kugelfläche
Ap [m²] Projizierte Fläche
AR aspect ratio
Ck [m²] Kugelfaktor
DS Dunkelsignalwert
ind
EMittlere Indirekte Beleuchtungsstärke
E[lx] Beleuchtungsstärke
f[m] Brennweite
GW Grauwert
i,j Ortskoordinaten eines CCD Pixels
I[cd] Lichtstärke
kPropotionalitätsfaktor
l[m] Länge
L[cd/m²] Leuchtdichte
NLNichtlinearitätskorrekturfaktor
M[lm/m²] Spezifische Ausstrahlung
nRAnzahl der Reflexionen
nBrechzahl
d[m] Entfernung
r[m] Radius
S[lm/m²sr] Signalwert des CCD Pixels
Seite 5
SH Shadingkorrekturfaktor
t[s] Zeit
V(λ)spektrale Hellempfindlichkeit
VEExtraktorverhältnis
wex [mm] Breite des Extraktor
wr[mm] Umfang des Hohllichtleiters
x[m] Längenkoordinate des Hohllichtleiters
Seite 6 1 Einleitung
1 Einleitung
Hohle Lichtleiter bilden seit etlichen Jahrzehnten eine faszinierende Alternative zu
bekannten Beleuchtungsanlagen. Durch die stete Entwicklung neuer Materialien
mit verbesserten Reflexionseigenschaften konnte das Anwendungsspektrum von
der Beleuchtung einiger spezieller Räume auf weite Gebiete der Innen- und
Außenbeleuchtung ausgedehnt werden. Außerdem haben die stark gestiegenen
Lohnkosten in den Industrienationen wesentlich dazu beigetragen, daß das
Interesse an wartungsarmen Beleuchtungsanlagen zugenommen hat. Durch ein
gestiegenes Umweltbewußtsein in Verbindung mit der Notwendigkeit regenerative
Energien zu nutzen, ist der Einsatz von Hohllichtleitern mit der Möglichkeit der
Sonnenlichtnutzung auf zunehmendes Interesse gestoßen.
Schwierigkeiten bei der Aktzeptanz von Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern
entstehen hauptsächlich durch das Fehlen lichttechnischer Daten, welche einen
Vergleich mit konventionellen Leuchten erst ermöglichen. Ein bislang ungeklärtes
Problem ist die Messung photometrischer Eigenschaften von Hohllichtleitern.
Während es zur Messung des Lichtstromes einige vielversprechende Ansätze
gibt, ist die Bestimmung der Lichtstärkeverteilung aufgrund der großen
Abmessungen mit vielen technischen Schwierigkeiten verbunden. Noch im April
1999 schreibt TC 3-30 in der CIE Publikation "Hollow Light Guide Technology and
Application", daß bis zum jetzigen Zeitpunkt keine unabhängigen Laboratorien in
der Lage seien, solche Messungen anzubieten. Untersuchungen auf diesem
Gebiet müßten von den Herstellern selbst durchgeführt werden. Die Verfasser
drücken die Hoffnung aus, daß diese Situation in naher Zukunft verbessert wird.
An diesem Punkt will die vorliegende Arbeit anknüpfen: Sie soll eine Möglichkeit
aufzeigen, den Lichtstrom und die Lichtstärkeverteilung von hohlen Lichtleitern zu
ermitteln. Sie stellt dabei einen wesentlichen Punkt des europäischen
Forschungsprojektes ARTHELIO dar, welches eine gemeinsame Nutzung von
Tageslicht und Kunstlicht durch Hohllichtleiter beinhaltet.
Diese Arbeit beschreibt die heute gebräuchlichsten Hohllichtleiter, deren Aufbau
und Funktionsweise und die Probleme, die daraus bei photometrischen
Messungen entstehen können. Es werden bereits bekannte und benutzte
lichttechnische Meßverfahren aufgezeigt und auf ihre Eignung untersucht. Daraus
1 Einleitung Seite 7
entwickelte sich der Vorschlag zum Aufbau einer Meßapparatur für die
lichttechnische Vermessung von Hohllichtleitern, die zu Beginn des ARTHELIO
Projektes realisiert worden ist. Die Arbeit beschreibt den Aufbau und die
Funktionsweise der Meßapparatur, erklärt die Kalibration und gibt die
Meßunsicherheiten an. Zum Abschluß werden ausgewählte Meßergebnisse, die
mit dem Goniophotometer ermittelt worden sind, dargestellt.
Seite 8 2 Das ARTHELIO Projekt
2 Das ARTHELIO Projekt
Diese Arbeit entstand im Verlauf des ARTHELIO Projektes: "Ein intelligentes und
energie-optimiertes System auf Basis einer kombinierten Nutzung von Tageslicht
und dem Kunstlicht der Schwefellampe" /43/. Dieses von der Europäischen
Kommission im Rahmen des Joule III-Programmes "Nichtnukleare Energien"
geförderte Forschungsprojekt, wird von der Technischen Universität Berlin
koordiniert und arbeitet mit den folgenden Partnern zusammen:
- Technische Universität Berlin (Institut für Elektronik und Lichttechnik)
- Ricerca e Rogetto (Planungsbüro für Tageslichttechnik)
- Universität Göteborg (Lichtausbildungs- und Forschungszentrum)
- Semperlux AG (Leuchten- und Hohllichtleiterhersteller)
Das Projekt hat als wesentliches Ziel, die Entwicklung eines Beleuchtungssystems
zur Verbesserung von Gebäudeenergiebilanzen und des visuellen Komforts am
Arbeitsplatz. ARTHELIO basiert dabei auf der effektiven Nutzung des
Tageslichtangebotes, dem Einsatz der Schwefellampe /19/ und der Einkopplung
beider Lichtquellen in hohle Lichtleiter. Das Tageslicht soll dabei über eine der
Sonne nachgeführte Heliostateneinheit in hohle Lichtleiter eingekoppelt und durch
diese in große Raumtiefen weitertransportiert werden, wo das direkte Tageslicht
durch Fensteröffnungen sonst nicht hingelangt. Reicht das zur Verfügung
stehende Tageslicht nicht aus, soll das Kunstlicht der Schwefellampe zur
Ergänzung und zum Erreichen der geforderten Beleuchtungsstärken verwendet
werden. Die Schwefellampentechnik bietet sich durch ihr kontinuierliches
Spektrum, einer ähnlichen Farbtemperatur von ca. 6000 K und einer hohen
Systemlichtausbeute von ca. 90 lm/W als geeignete Tageslichtergänzung an
/34/,/70/. Die Dimmbarkeit über einen Bereich von 100 % bis 20 %, verbunden mit
nur geringen Schwankungen der Farbeigenschaften, ist mit anderen
Hochdrucklampen zur Zeit nicht erreichbar. Die Verwendung von Schwefel und die
Abwesenheit von toxischen Stoffen sowie die lange Lebensdauer von erwarteten
45000 h für die Lampe und 15000 h für das Magnetron machen die
Schwefellampe zu einer umweltfreundlichen Alternative gegenüber den meistens
2 Das ARTHELIO Projekt Seite 9
mit Quecksilber gefüllten Hoch- und Niederdruckentladungslampen. Gegen die
Schwefellampe spricht der geringe allgemeine Farbwiedergabeindex, der sich
aufgrund des weit vom Planckschen Strahler entfernt liegenden Farbortes nur
bedingt berechnen läßt /14/, und nur eine Eingruppierung in die Stufe 2a zuläßt
/18/. Zusätzlich negativ ins Gewicht fällt die notwendige Zwangskühlung durch
einen Lüfter, der zum einen Geräusche verursacht und zum anderen
verschleißanfällig sein kann. Auch wenn einige vielversprechende Anlagen
realisiert worden sind /11/,/20/,/61/, wurde im Verlauf des Projektes die Produktion
der Lampe aufgrund der genannten Probleme zunächst eingestellt. Für das
ARTHELIO Projekt stehen jedoch genügend Lampen zur Verfügung, um einen
erfolgreichen Abschluß zu ermöglichen. Daher werden von der Universität
Göteborg Akzeptanzstudien über den Einsatz der Schwefellampe durchgeführt.
Für weitere Anlagen empfehlen die Hersteller von Hohllichtleitern
Halogenmetalldampflampen, ohne allerdings eine Lichtregelungsmöglichkeit mit
diesen Lampen zu haben. Auch wenn erste Lösungen mit dimmbaren
Halogenmetalldampflampen auf dem Markt erscheinen, gibt es weiterhin große
physikalische Probleme beim Dimmen dieses Lampentyps bezüglich Lebensdauer
und Farbstabilität /79/. Vom Hersteller der Schwefellampe wurde ein neues Modell
mit verbesserten Farbeigenschaften angekündigt, ohne jedoch einen Zeitpunkt
dafür zu nennen.
Die Mischung von Kunst- und Tageslicht in hohlen Lichtleitern ist ein noch
weitgehend ungelöstes Problem, für die eine andere Arbeit in diesem
Forschungsprojekt Lösungen finden soll /54/.
Gegenstand dieser Arbeit sollen die photometrischen Untersuchungen von hohlen
Lichtleitern sein, wobei insbesondere der Wirkungsgrad und die
Lichtstärkeverteilung von Interesse sind. Ersterer ist für energetische Vergleiche
mit konventionellen Beleuchtungsanlagen notwendig, während die
Lichtstärkeverteilung Grundlage zur computerunterstützten Lichtberechnung ist.
Erst durch das Vorhandensein von lichttechnischen Daten, können Architekten,
Ingenieure und Lichtplaner Beleuchtungssysteme mit hohlen Lichtleitern mit
herkömmlichen Leuchten vergleichen und somit zur weiteren Akzeptanz dieser
Systeme beitragen. Erleichtert wird die Anwendung von hohlen Lichtleitern durch
Seite 10 2 Das ARTHELIO Projekt
eine Zusammenstellung von Planungshilfen, die direkt aus den Ergebnissen des
Forschungsprojektes erstellt werden.
Abgeschlossen wird das Projekt mit zwei Demonstrationsanlagen, von denen eine
in Carpiani/Italien bei der Firma 3M eine Produktionshalle beleuchten soll und eine
zweite in Berlin bei der Firma Semperlux ein Treppenhaus erhellen wird.
3 Hohle Lichtleiter Seite 11
3 Hohle Lichtleiter
3.1 Entwicklung
Seit der Erfindung der Bogenlampe, die eine nahezu punktförmige Lichtquelle mit
hohem Lichtstrom darstellte, und die für die Allgemeinbeleuchtung nicht geeignet
ist, wird über die Verteilung des Lichtes mit Hohllichtleitern nachgedacht. Erste
Anlagen mit verspiegelten Röhren wurden in Rußland beschrieben, die zur
Beleuchtung von Pulverfabriken betrieben wurden /3/. Das Licht wurde dabei
mittels Spiegelblenden auf Lichtaustrittsstutzen verteilt, deren Ende mit einer
streuenden Abdeckung versehen war. Ein erstes Patent in den USA stammt aus
dem Jahr 1880 von Wheeler /72/. Der Wirkungsgrad von Hohllichtleitern wird
durch zwei wesentliche Faktoren bestimmt, dem Reflexionsgrad des verwendeten
Materials und der Anzahl der Reflexionen. Er berechnet sich wie folgt:
R
N
PIPE ρη=
Mit einem Reflexionsgrad von 0,8 und einer durchschnittlichen Anzahl von 10
Reflexionen, erreichten solche Systeme nur einen Wirkungsgrad von 10%. Dies
und die hohen Kosten der Hohllichtleiter, sowie die gleichzeitige rasante
Entwicklung anderer Lichtquellen führten dazu, daß die Idee mehrere Jahrzehnte
in Vergessenheit geriet.
Erst 1946 gab es zwei grundlegende Neuerungen. Zum einen wurde das
physikalische Prinzip der Totalreflexion ausgenutzt, das auftritt, wenn Licht unter
einem bestimmten Winkelbereich von einem optisch dichten Medium in ein optisch
dünneres Medium wechselt. Zum anderen wurde das Licht entlang der
Längsachse des Lichtleiters ausgekoppelt. Pearson beschrieb einen massiven
Acryl-Lichtleiter, der den heutigen Faser-Lichtleitern ähnelt /47/. Er erkannte aber
auch die Probleme, die insbesondere beim Einkoppeln des Lichtes entstehen, und
den Wirkungsgrad solcher Systeme begrenzen. Damit sind sie für die
Allgemeinbeleuchtung nicht geeignet. Ein weiterer Nachteil sind die hohen Kosten
dieser Systeme, die für Faser-Lichtleittechnik heute noch bestehen.
In den sechziger Jahren war es wiederum eine neue Technologie, die eine
Renaissance der Hohllichtleiter einleitete. Die Vacuum-Bedampfung von
Seite 12 3 Hohle Lichtleiter
Kunststoffolien ermöglichte die Massenproduktion von reflektierenden Materialien,
deren optische Eigenschaften denen von herkömmlichen Glasspiegeln in nichts
nachstanden, aber nur einen Bruchteil der Kosten verursachten. In der früheren
UdSSR wurden viele Anlagen mit diesen metallisierten Folien errichtet, bei denen
die Folienstärke nur 20-50 µm beträgt. Das Licht tritt durch einen Längsschlitz aus,
weshalb dieser Typ von Hohllichtleiter auch Schlitzlichtleiter genannt wird /4/.
Typische Beispiele bestanden aus Lichtröhren mit 275 mm - 600 mm
Durchmesser, 6 m - 18 m Länge und wurden mit Halogenmetalldampflampen mit
bis zu 700 W Leistung betrieben.
Ohne Kenntnis der sowjetischen Arbeiten über Schlitzlichtleiter war Whitehead der
Meinung, daß Hohllichtleiter auf Basis des Effektes der Totalreflexion preisgünstig
und sehr effizient sein müßten. Er erfand 1982 die Mikroprismenfolie, eine
lichtdurchlässige Folie aus Polycarbonat oder PMMA (Polymethylmethacrylat), auf
der einseitig rechtwinklige Prismen angeordnet sind /77/. Licht, welches in die
Folie eindringt, wird an den außenliegenden Prismen reflektiert und steht weiter
zur Lichtleitung und zur Beleuchtung zur Verfügung. Mit dieser Folie war es
möglich, Hohllichtleitersysteme mit guter Gleichmäßigkeit und hohem
Wirkungsgrad zu fertigen. Als Schwierigkeit stellte sich die Herstellung der
Prismenfolie dar, die teuer und fehleranfällig war. Dieses Problem wurde 1985 von
der Firma 3M gelöst, die ein Verfahren entwickelte, das als "Mikroreplikation"
bekannt wurde, und die Produktion großer Mengen sehr präziser Prismenfolie
ermöglichte /15/.
3.2 Technik
Zur Zeit gibt es vier unterschiedliche Arten von Lichtleitern, die sich in der
praktischen Anwendung jedoch auf zwei Typen reduzieren. Der Vollständigkeit
halber seien die beiden anderen an dieser Stelle auch erwähnt.
3.2.1 Lichtleit-Fasertechnik
Das Prinzip der Totalreflexion beim Übergang von Licht in ein optisch dünneres
Medium wird bei der Lichtleit-Fasertechnik angewendet. Die Fasern, die aus Glas
oder aus PMMA gefertigt werden, sind recht teuer, so daß sie üblicherweise in
kleinen Durchmessern hergestellt werden, was wiederum die
Übertragungsverluste erhöht. Typische Werte sind 3 % m-1 bis 5 % m-1 bei
3 Hohle Lichtleiter Seite 13
Kunststoff-Fasern und 6 % m-1 bis 8 % m-1 bei Glasfasern /36/. Anwendungen
findet man im wesentlichen in der Effektbeleuchtung und weniger im Lichttransport
über große Längen.
3.2.2 Linsen-Lichtleiter
Eine sehr spezielle Möglichkeit Licht weiterzuleiten ist die Anordnung mehrerer
Linsen, bei denen jeweils die Brennpunkte auf der optischen Achse
zusammenfallen /73/ (Bild 1). Der verlustarme Transport des Lichts ist aber nur mit
qualitativ hochwertigen Linsen möglich, deren Preis bei den geforderten
Abmessungen jedoch in keinem Verhältnis zum Nutzen steht und eine weite
Verbreitung dieser Systeme verhindert.
Linsen
2f
Lichtstrahl
Bild 1: Linsen-Lichtleiter
3.2.3 Schlitzlichtleiter
Wesentlich häufiger als die beiden zuvor genannten Verfahren sind Hohllichtleiter
mit metallisch spiegelnden Oberflächen zu finden. Dabei haben einfache
Aluminiumoberflächen, welche die Innenseite eines Hohllichtleiters bilden,
Reflexionsgrade von 85%. Mit speziellen Oberflächenbehandlungen oder mit
metallisierten Folien lassen sich diese Werte auf ca. 95% erhöhen. An diesen
Oberflächen wird das Licht mehrfach reflektiert und kann durch den sogenannten
Seite 14 3 Hohle Lichtleiter
Schlitz, den Teil des Rohres, der nicht mit Reflektormaterial ausgekleidet ist,
austreten. Aufgrund des geringen Reflexionsgrades können mit diesen
Hohllichtleitern nur kleine Längen realisiert werden, und ein großer Teil des
Lichtes wird am Anfang ausgekoppelt, was die Gleichmäßigkeit verringert (Kapitel
7). Für Anwendungen, bei denen eine kostengünstige Lösung im Vordergrund
steht, und weniger Wert auf die Energie-Effizienz gelegt wird, sind diese Lichtleiter
richtig eingesetzt.
3.2.4 Prismen-Lichtleiter
Hohllichtleiter, bei denen eine prismatische Folie als Reflektormaterial verwendet
wird, nutzen das Brechungsgesetzt von Snellius:
Fällt ein Lichtstrahl aus dem Vakuum, um α1 gegen das Einfallslot geneigt, auf die
Oberfläche eines Medium, so wird ein Teil reflektiert, der Rest tritt unter
Richtungsänderung, Brechung, in das Medium ein und läuft dort unter dem Winkel
α2 gegen das Lot weiter /26/.
α1α`1
α2
Bild 2: Brechungsgesetz nach Snellius
Wenn n1 und n2 die Brechzahlen der Medien sind, gilt:
1
2
2
1
sin
sin
n
n
=
α
α
3 Hohle Lichtleiter Seite 15
Beim Übergang von einem optisch dichten Medium in ein optisch dünneres
Medium (n2<n1) wird das Licht vom Lot weggebrochen, bis es parallel zur
Oberfläche austritt. Zu diesem α2=90° gehört der Einfallswinkel αT mit:
1
2
1
290sinsin n
n
n
n
T=°=α
Wird dieser Grenzwinkel αT überschritten, ist der Übergang ins optisch dünnere
Medium nicht mehr möglich und es tritt Totalreflexion auf. Licht, welches in das
Material eintritt wird beliebig oft reflektiert. Diesen Effekt nutzt die Lichtleit-
fasertechnik. Damit das Licht aber wieder in das Rohr zurückkehrt, wird eine Folie
eingesetzt, auf deren Außenseite längslaufende Prismen eingearbeitet sind (Bild
3).
0,5mm
0,35mm
90°
0,17mm
Bild 3: Abmessungen der Prismenfolie
Fällt Licht auf die plane Oberfläche der Folie, kann es nach zweimaliger
Totalreflexion an den Prismen in das Lichtrohr zurückkehren (Bild 4): Der
Lichtstrahl tritt an der Stelle 1 unter dem Winkel α1 in die Folie ein, wird zum Lot
hin gebrochen und erfährt an der Stelle 2 Totalreflexion unter der Bedingung, dass
αT überschritten wird. Wenn diese Bedingung an der Stelle 3 nochmals
gewährleistet ist, wird der Lichtstrahl wieder total reflektiert und verläßt die Folie
an der Stelle 4, wobei der Lichtstrahl diesmal vom Lot weg gebrochen wird. Nicht
berücksichtigt bei dieser Darstellung sind Reflexionen an den Oberflächen beim
Eintreten in die Folie und beim Verlassen.
Seite 16 3 Hohle Lichtleiter
n1=1,0002
(Luft)
n2=1,59
(Polycarbonat)
α1
αT
1
2
3
4
Bild 4: Reflexion an der Prismenfolie
Die Winkelbedingung, die für die Totalreflexion erfüllt sein muß, wenn das Licht
senkrecht auf die plane Oberfläche in der Ebene einfällt, wie in Bild 4 gezeichnet,
lautet:
2
11
arcsin
2
11
arcsin 22
min1−−
≅
−−
=n
n
n
nα
Für Polycarbonat, mit einer Brechzahl von 1,59 berechnet sich ein Winkel von
9,4°, für PMMA ist der Winkel noch kleiner und beträgt nur 4,35°.
Betrachtet man Lichtstrahlen, die senkrecht aus einer Ebene, die in Längsrichtung
zu den Prismen verläuft und somit senkrecht zu der Ebene in Bild 4, einfallen,
erfahren diese unabhängig vom Einfallswinkel Tolalreflexion. Für die Kombination
aus den beiden möglichen Einfallswinkeln ergibt sich dann ein Bereich, für den die
Totalreflexion möglich ist und der nach /6/ wie folgt beschrieben werden kann:
1
2
sin21
1
sin α
θ+
−
≤n
3 Hohle Lichtleiter Seite 17
Im Grenzfall, wenn °=90
1
α beträgt, erreicht θ den maximalen Akzeptanzwinkel
von 30,6°. Dieser wird oft als Akzeptanzwinkel des Films bezeichnet. Es ist jedoch
zu beachten, daß dieser Winkel in dem Maße kleiner wird, je mehr sich der Wert
von 1
α dem Wert α1min nähert. In Bild 5 ist dieser Bereich grafisch dargestellt,
und man erkennt deutlich, welch hohe Anforderungen an die Einspeisung und
insbesondere an den Reflektor der Lichteinspeisung zu stellen sind, damit der
Akzeptanzwinkelbereich eingehalten werden kann.
Bild 5: Bereich der Totalreflexion /56/
Eine meßtechnische Überprüfung der Prismenfolie bestätigt die Darstellung in Bild
5, jedoch liegt der Reflexionsgrad auch im Bereich der Totalreflexion etwas unter
100% (Bild 6). Die Ursache hierfür sind minimale Fehler in der Produktion der
Folie, wie Ungenauigkeiten der Prismenwinkel oder Lufteinschlüsse.
Seite 18 3 Hohle Lichtleiter
Bild 6: Lichttransmissionsgrad für 3M SOLF Folie als Funktion des Lichteinfalls
/29/
Diese Folie wird aus Patentschutzrechten nur von der Firma 3M hergestellt und
unter dem Namen SOLF (Scotch Optical Lighting Film) vertrieben. Sie wird als
Rollenware geliefert bei einer Breite von 0,95 m. Alle 1,03 m befindet sich eine
Werkzeuglinie, die bei Verwendung der Folie in Hohllichtleitern hell leuchtet und
teilweise störend wirkt.
4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern Seite 19
4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern
Ein typisches Hohllichtleitersystem besteht aus drei wesentlichen Elementen.
Einer Lichtquelle, die das Licht in den Hohllichtleiter einkoppelt, dem Hohllichtleiter
selbst, der für den Transport des Lichtes zuständig ist und dem sogenannten
Extraktor, der den Austritt des Lichtes aus dem Hohllichter bewirkt. Unabhängig
davon, ob dieser Austritt am Ende oder entlang des Hohllichtleiters geschieht.
4.1.1 Lichtquellen
Da das Licht der Lichtquelle über weite Entfernungen transportiert werden soll,
und auch große Flächen beleuchten soll, kommen für die Einspeisung nur
leistungsstarke Lichtquellen in Frage, die eine kleine räumliche Ausdehnung
haben. Meistens sind dies Halogenmetalldampflampen in Leistungsstufen
zwischen 70 W und 1000 W. Das brillante Licht dieser Lampen mit einer
ähnlichsten Farbtemperatur von 3000 K bis 6000 K und sehr gute
Farbwiedergabeeigenschaften in Verbindung mit einer hohen Lichtausbeute
machen diese Lampen universell einsetzbar. Bei Lampen mit großer Leistung wird
die entstehende Wärme zunehmend problematisch, da die Grenztemperatur von
Polycarbonat 130° C und von Acryl 90° C beträgt, und eine thermische
Entkopplung von Einspeisung und Hohllichtleiter notwendig wird. Bei
Hohllichtleitern, die für die Außenbeleuchtung, z.B. in Tunneln, eingesetzt werden,
kommen auch Natriumdampfhochdrucklampen zum Einsatz, da hier die
Anforderungen an die Farbwiedergabe nicht so hoch sind, und der wirtschaftliche
Betrieb der Anlagen im Vordergrund steht. Den beiden Lampentypen gemein ist
die Notwendigkeit eines Reflektors, der das Licht eng bündelt, damit die
Winkelbedingung für die Totalreflexion nicht verletzt wird und ein großer Teil des
Lichtes schon ganz am Anfang des Lichtleiters austritt. Gut bewährt haben sich
Reflektorlampen, die aber nur mit Leistungen bis 150 W angeboten werden.
Eine hervorragende Einspeisung für Hohllichtleiter ist die Schwefellampe, deren
nahezu punktförmige Lichtquelle in Kombination mit der hohen Lichtleistung ideal
zum Hohllichleitersystem paßt (Kapitel 2).
Nicht vergessen darf man in diesem Zusammenhang die Sonne, die Licht mit
einem Öffnungswinkel von nur 0,5 ° ausstrahlt und bei entsprechender Bündelung
Seite 20 4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern
auch einen sehr hohen Lichtstrom liefern kann. Allerdings führen die hohen
Bestrahlungsstärken auch zu thermischen Problemen beim Einkoppeln in den
Lichtleiter, die beachtet werden müssen.
4.1.2 Hohllichtleiter
Obwohl unterschiedliche Formen möglich sind, findet man zum größten Teil runde
Hohllichtleiter in der Anwendung. Zum Schutz gegen mechanische
Beschädigungen und gegen Schmutz sind die reflektierenden Materialien mit einer
lichtdurchlässigen Hülle umgeben. Bis zu einem Durchmesser von 30 cm können
dies Röhren aus gezogenem Polycarbonat sein, die dem Lichtrohr eine
Formstabilität geben. Es kommen aber auch flexible Folien zum Einsatz, die
leichter zu verarbeiten sind. Innerhalb dieser Schutzhülle ist das Reflektormaterial
angeordnet, welches das Licht weiterleitet. Bei Schlitzlichtleitern ist dies poliertes
Aluminium oder eine metallisierte Folie. Der "Schlitz" oder das Lichtaustrittfenster
wird von dem Teil des Rohres gebildet, der nicht mit reflektierendem Material
versehen ist. Typische Werte liegen hier zwischen 90 ° und 180 °. Der Aufbau von
prismatischen Hohllichtleitern ist etwas aufwendiger. Auch hier findet man eine
Reflektorfolie, die aber im wesentlichen nur die Funktion hat, die Größe des
Lichtaustrittsfensters zu bestimmen. Soll der Hohllichtleiter auch für die indirekte
Beleuchtung verwendet werden, kann ein teildurchlässiges Reflektormaterial
benutzt werden, welches den Lichtaustritt nach oben ermöglicht. Daran
anschließend folgt innen die Prismenfolie, die in Längsrichtung mit den Prismen
nach außen angeordnet ist (Bild 7). Falls das Licht entlang des Lichtleiters
ausgekoppelt werden soll, befindet sich an der Innenseite der prismatischen Folie
das Extraktormaterial, das meistens aus weißen, diffus streuenden Streifen
besteht.
4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern Seite 21
Prismenfolie
Schutzhülle
Reflektor
Extraktorstreifen
Bild 7: Aufbau eines Prismen Lichtleiters
4.1.3 Extraktor
Bei dem Auskoppeln des Lichtes aus dem Hohllichtleiter müssen zwei
unterschiedliche Mechanismen beachtet werden. Entweder wird das Licht am
Ende des Lichtleiters ausgekoppelt oder der Lichtaustritt erfolgt entlang des
Hohllichtleiters. Im ersten Fall muß sehr eng gebündeltes Licht verteilt werden, da
in dem Hohllichtleiter das Licht der verwendeten Quelle weiter konzentriert wird.
Messungen mit dem neuen Goniophotometer haben Halbwertswinkel von weniger
als 10 ° ergeben. Als Extraktoren kommen daher nur streuende Materialien wie
Trübgläser in Frage oder aber lichtlenkende Komponenten wie Linsen, Prismen
oder Spiegel /46/.
Seite 22 4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern
Bild 8: Beispiele für End-Extraktoren /46/
Es wurden gute Ergebnisse bezüglich des Wirkungsgrades solcher Extraktoren
erziehlt, jedoch sind Fragen zu klären, die sich mit der Blendung, der Herstellung
und der Wartung solcher Systeme beschäftigen.
Soll das Licht entlang des Hohllichtleiters ausgekoppelt werden, ist eine möglichst
hohe Gleichmäßigkeit an das Extraktordesign gefordert. Eine wichtige Größe ist
hierbei die durchschnittliche Anzahl der Reflexionen, die ein Lichtstrahl erfährt,
wenn er sich von der Lichtquelle bis zum anderen Ende des Lichtrohres bewegt
/74/. Wenn der Halbwertswinkel der Lichtquelle etwa so groß ist wie der
Aktzeptanzwinkel gilt näherungsweise:
50
2
tan
2
γ
γ
r
l
r
l
nR≅≅
4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern Seite 23
Eine weitere wichtige Größe ist das Extraktorverhältnis, der Quotient aus
Extraktorbreite und Umfang des Lichtrohres an der Stelle x:
r
ex
Ew
w
xV=)(
Nach /74/ folgt für das Extraktorverhältnis an der Stelle x:
05,0
)33,1(
2
)( −
−
=
R
Enx
xV
Mit dieser Formel läßt sich die notwendige Extraktorbreite annähernd bestimmen,
wenn die Zahl der Reflexionen zwischen 6 und 24 liegt. Dies ist meistens
gewährleistet, da bei weniger als 6 Reflexionen der Einsatz von Hohllichtleitern
keinen Sinn macht, und bei mehr als 24 Reflexionen die Absorptionsverluste durch
die Folie zu groß werden. Soll der Hohllichtleiter aus mehreren Modulen
zusammengesetzt werden, so muß der Extraktor nur für die maximale Länge
berechnet werden. Kürzere Längen werden dann durch eine Kombination
einzelner Module realisiert /76/.
Seite 24 5 Photometrie
5 Photometrie
5.1 Grundsätzliches
Die Photometrie von hohlen Lichtleitern stellt neue Ansprüche an lichttechnische
Laboratorien. Aufgrund ihrer großen Längen von bis zu 50 m, wobei allerdings 30
m zur Zeit die maximale Länge für kommerziell erhältliche Standarttypen ist,
würde man entsprechend große Räume benötigen, die in den geforderten
Abmessungen aber meist nicht vorhanden sind. Selbst wenn diese
Räumlichkeiten gegeben sind, scheitern die bekannten Meßmethoden an den
folgenden Problemen:
5.1.1 Messung des Lichtstromes
5.1.1.1 Die Ulbrichtsche Kugel
Mit einer Ulbrichtschen Kugel kann der Gesamtlichtstrom einer Lichtquelle mit
einer einzigen Messung bestimmt werden, unter der Voraussetzung, daß die
Innenseite der Kugel homogen ist und vollkommen diffus reflektiert. Dann gilt für
die mittlere indirekte Beleuchtungsstärke in einen beliebigen Punkt auf der
Kugelinnenseite:
ρ
ρ
−
Φ
=1
K
L
ind A
E
Die Innenfläche der Kugel sowie deren Reflexionseigenschaften werden im
Kugelfaktor CK zusammengefaßt, so daß sich für den Lichtstrom L
Φ ergibt:
indKLEC=Φ
Das Meßverfahren hat sich über Jahrzehnte hinweg bewährt und führt bei gut
gewarteten Kugeln selten zu einer relativen Meßunsicherheit von mehr als 4 %.
Als Voraussetzung für die Lichtstrommessung mit der Ulbrichtschen Kugel muß
die betreffende Lichtquelle jedoch komplett in den Innenraum der Kugel
5 Photometrie Seite 25
hineinpassen. Da die bekannten Kugeln einen Durchmesser von max. 3 m haben,
kommt eine Messung von hohlen Lichtleitern in der Regel nicht in Frage.
5.1.1.2 Der Lichtstromintegrator
Eine weitere Möglichkeit der Lichtstrommessung bieten Meßverfahren, die eine
gedachte Kugeloberfläche um die Lichtquelle herum spiralförmig abtasten und den
Lichtstrom aus der Beleuchtungsstärke ermitteln /40/. Der Lichtstrom berechnet
sich wie folgt:
∫ ∫
=Φ
π
ϑ
π
ϕ
ϕϑϑϕϑ
2
2sin),(ddEr
Bei der Messung wird die Lichtquelle um ihre vertikale Achse gedreht. Dadurch
bleibt zwar der Lichtstrom auch von lageempfindlichen Lichtquellen nahezu
konstant, die Lichtquelle muß aber kleiner sein als der zweifache Abstand
zwischen Drehachse und Empfänger. In der Praxis findet man selten
Meßapparaturen, die Lichtquellen mit mehr als 2m Länge erlauben. Somit ist
dieses Meßverfahren nur für sehr kleine Hohllichtleiter gebräuchlich.
5.1.2 Messung der Lichtstärke und Lichtstärkeverteilung
Die Messung der Lichtstärke wird in den meisten Fällen über eine
Beleuchtungsstärkemessung mit anschließender Anwendung des
photometrischen Entfernungsgesetzes durchgeführt:
02
2
cos Ω
⋅
=ε
rE
I
Der kleinste Abstand r zwischen Lichtquelle und Empfänger, von dem an das
Entfernungsgesetz für einen bestimmten Meßfehler als gültig angesehen werden
kann, wird photometrische Grenzentfernung genannt. Sie ist von verschiedenen
Faktoren abhängig:
• von den Abmessungen der Lichtquelle,
• von der geforderten photometrischen Meßunsicherheit, innerhalb der sich der
Unterschied zwischen der in einer bestimmten Meßentfernung ermittelten
“scheinbaren Lichtstärke“ (definiert als Produkt aus der in dieser Entfernung
Seite 26 5 Photometrie
gemessenen axialen Beleuchtungsstärke und dem Quadrat dieser
Meßentfernung) und der tatsächlichen Lichtstärke dieser Lichtquelle
(Grenzwert des Produktes bei unendlich großer Meßentfernung) bewegen darf,
• von der räumlichen Lichtstärkeverteilung bzw. der räumlichen Leuchtdichte-
verteilung der Elemente der Lichtquelle (je “spitzer“ die Verteilung ist, desto
größer ist die Grenzentfernung),
• von der örtlichen Verteilung der Leuchtdichte über die Lichtquellenfläche (ist
die Leuchtdichte am Rande der Lichtquelle hoch, so ist die Grenzentfernung
größer, als wenn sie sich in der Mitte der Lichtquelle konzentriert),
• von den Abmessungen der lichtempfindlichen Fläche des Empfängers.
In der Praxis wird für punktförmige Lichtquellen mit lambertscher Abstrahlung eine
Grenzentfernung, die dem Zehnfachen der maximalen Ausdehnung der
leuchtenden Fläche entspricht, als hinreichend genau angenommen, um den
Einfluß auf die relative Meßunsicherheit kleiner als 1% zu halten.
Zur Messung der Lichtstärkeverteilung von Lichtquellen verwendet man heute in
der Regel Drehspiegelgoniophotometer /50/. Dabei wird die Lichtquelle um ihre
vertikale Achse gedreht, und das Licht über einen Spiegel auf einen weit entfernt
stehenden Empfänger gelenkt. Da sich dieser außerhalb der photometrischen
Grenzentfernung befindet, kann aus der gemessenen Beleuchtungsstärke mit
Hilfe des Entfernungsgesetzes die Lichtstärke berechnet werden. Aus der so
bestimmten Lichtstärkeverteilung läßt sich auch der Lichtstrom berechnen zu
∫ ∫
=Φπ
ϑ
π
ϕ
ϕϑϑϕϑ
2sin),(ddI
Da die Lichtquelle nur um ihre vertikale Achse gedreht wird, eignet sich das
Verfahren auch für Lichtquellen mit lageabhängigem Lichtstrom. Für
Leuchtenwender, bei denen die Lichtquelle auch um ihre horizontale Achse
gedreht wird, ist es ungeeignet . Neuere Modelle arbeiten mit einem Spiegel, der
exzentrisch um die horizontale Längsachse rotiert, und damit eine geringere
Bauhöhe benötigt /41/. Für die Messung von hohlen Lichtleitern sind diese Geräte
jedoch ungeeignet, da der Abstand zwischen vertikaler Drehachse und
5 Photometrie Seite 27
Dreharmlager ca. 1m beträgt, was eine maximale Länge der Lichtquelle von 2m
erlaubt.
Die Lichtstärke kann aber auch über die Leuchtdichte berechnet werden:
∫
=
1
11
cos
A
dALIε
Da jedoch die Messung der Leuchtdichteverteilung mit herkömmlichen
Leuchtdichtemessern praktisch nicht möglich ist, wird dieses Verfahren nur in
Kombination mit bildauflösenden Kameras eingesetzt (Kapitel 5.2).
5.2 Nahfeldphotometrie
Bei der gestellten Aufgabe kommt man daher nicht umhin, Messungen innerhalb
der photometrischen Grenzentfernung durchzuführen. Die Frage, wie groß der
Abstand zwischen Lichtquelle und Empfänger sein muß, damit bestimmte
Meßunsicherheiten nicht überschritten werden, war lange Zeit Gegenstand von
Diskussionen. Die Regel, daß der Abstand mindestens dem Fünffachen der
maximalen Ausdehnung der leuchtenden Fläche entspricht, wurde zunächst für
punktförmige Lichtquellen aufgestellt. Mit der weiteren Verbreitung der
Leuchtstofflampe nach dem Ende des 2. Weltkrieges konnte diese Regel auch für
diese neue Lampe empfohlen werden /27/. Ebenfalls aus dieser Zeit findet man
erste Versuche, lange Leuchten in mehrere kleinere Elemente zu teilen, um für
diese Teilleuchten genauere Meßwerte zu finden /25/. Ngai beschreibt sogar ein
theoretisches Verfahren, bei der die Leuchte durch eine Vielzahl von
Punktlichtquellen ersetzt wird, wobei aber für jeden Punkt die
Leuchtdichteverteilung bekannt sein muß /44/. Er gibt jedoch keine Hinweise, wie
diese Verteilungen zu messen sind. Weitere Probleme tauchten mit der
Verwendung von Berechnungsplanungsprogrammen auf. Benutzt man
konventionelle Lichtstärkeverteilungskurven, die im Fernfeld gemessen wurden,
zur Berechnung von Beleuchtungsstärken, die innerhalb der photometrischen
Grenzentfernung liegen, kann dies zu erheblichen relativen Abweichungen bis zu
50% führen /42/. Hier kann eine Unterteilung der leuchtenden Fläche in N kleine
Flächen, wobei jede einzelne Fläche die photometrische Verteilung wie die
originale Fläche, dividiert durch N, erhält, eine Verbesserung bringen. Probleme
entstehen dabei aber durch inhomogene Leuchtdichteverteilungen von
Seite 28 5 Photometrie
Leuchtstofflampen entlang ihrer Längsachse, und durch thermische Einflüsse von
Abdeckungen /80/. Diese Probleme umgeht man, wenn mit Hilfe einer Optik ein
Bild von der zu vermessenden Leuchte erzeugt wird, und mittels einer
verschiebbaren Blende nur ein Teil der Leuchte auf dem Empfänger abgebildet
wird (Bild 9) /35/.
Bild 9: Nahfeldphotometrie mittels optischer Blende
Die Addition der einzelnen Teil-LVK´s bei jeweils gleichen Winkeln ergibt die
Gesamt LVK. Nachteilig an dieser Methode ist der hohe Zeitaufwand, der
proportional zu der Anzahl der Segmente steigt. Dennoch gelang es, die relativen
Abweichungen zwischen berechneten und gemessenen Beleuchtungsstärken von
32 % auf 21 % zu reduzieren.
Eine ganze Reihe von Untersuchungen wurden durchgeführt, indem innerhalb der
photometrischen Grenzentfernung eine Beleuchtungsstärkeverteilung gemessen
wurde, und diese Beleuchtungsstärken über den Abstand Lichtquelle-Empfänger
in sogenannte äquivalente Lichtstärken umgerechnet wurden. Diese äquivalenten
Lichtstärken konnten dann für die Berechnung von Beleuchtungsstärken in dem
5 Photometrie Seite 29
gleichen Abstand eingesetzt werden. Stannard und Brass entwickelten einen
Meßaufbau, bei dem ein Photoelement an einem Ausleger beweglich montiert
war, und so die Beleuchtungsstärkeverteilung in bestimmten Ebenen von der
Leuchte entfernt gemessen werden konnte (Bild 10) /62/.
Bild 10: Meßaufbau nach Stannard und Brass
An den Schnittpunkten von diesen Ebenen mit dem Standard-
Kugelkoordinatensystem konnten daraufhin äquivalente Lichtstärkeverteilungs-
kurven erstellt werden. Benötigt man Werte, die zwischen 2 Ebenen liegen,
können diese in guter Näherung interpoliert werden /12/. Nicht berechnet werden
können mit dieser Methode Ebenen, welche die Leuchte schneiden. Auch ist der
Meßabstand für Positionen, die weit von der vertikalen Achse der Leuchte entfernt
liegen sehr groß, und Winkel über 110 ° können nicht mehr gemessen werden.
Dennoch war es möglich, mit diesen Daten die relativen Unterschiede zwischen
gemessen und berechneten Werten von 23 % auf ca. 5 % zu reduzieren. Eine
Weiterentwicklung dieser Methode waren die Versuche von Ngai, F. Zhang und
J.Zhang mit einem Drehspiegelgoniophotometer, bei dem ein Photoelement auf
der gegenüberliegenden Seite des Spiegelarms montiert worden war /45/. Die
Spiegeloberfläche selbst wurde zur Vermeidung von Reflexionen mit einem
schwarzem Tuch abgedeckt. Mit diesem Versuchsaufbau konnte in kurzer Zeit
direkt die äquivalente Lichtstärkeverteilung gemessen werden. An der TU Berlin
wurden solche Messungen mit verschiedenen Aufsätzen durchgeführt, die direkt
Seite 30 5 Photometrie
auf den Spiegel des Goniophotometers montiert wurden und die Messung von
Nahfeld LVK´s in unterschiedlichen Abständen ermöglichten (Bild 11).
Bild 11: Meßaufbau zur Nahfeldphotometrie am Drehspiegelgoniophotometer
Mit diesen äquivalenten Lichtstärkeverteilungskurven wurden unter Zuhilfenahme
von kommerziellen Lichtberechnungsprogrammen typische Problemfälle wie
indirekt strahlende Leuchten und Wandleuchten untersucht /33/. Dabei konnten
die Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Beleuchtungsstärken
um teilweise mehr als Faktor 2 reduziert werden. Problematisch bei der Methode
ist die Existenz von mehreren LVK´s für eine Leuchte. Dies kann von bekannten
Lichtplanungsprogrammen nicht bearbeitet werden. Es wird auch kein Vorschlag
gemacht, bei welcher Entfernung mit welcher LVK gearbeitet werden soll.
Messungen innerhalb der photometrischen Grenzentfernung sind mit einem
Autokollimationsphotometer möglich, bei dem der Empfänger aus einem Raster-
Photometerkopf mit parallel angeordneten Tuben besteht /24/,/23/. Diese Tuben
5 Photometrie Seite 31
haben einen sehr kleinen Öffnungswinkel (ca. 2°). Wenn der Raster-
Photometerkopf mindestens die Ausmaße der zu vermessenden Leuchte hat,
kann die Lichtstärkeverteilung der Leuchte in geringer Entfernung gemessen
werden. Neben der Größe des Raster-Photometerkopfes ist die hohe Absorption
in Tuben des Empfängers nachteilig. Die Idee der gleichzeitigen Erfassung des
Lichtes, welches in eine bestimmte Richtung ausgesendet wird, führt aber zur
Lösung des Problems, wenn man mit bildauflösenden Meßsystemen auf Basis von
CCD Empfängern arbeitet. Zunächst wurde versucht mit gewöhnlichen TV-
Kameras Leuchtdichtemessungen zu unternehmen /65/. Die Beschränkung auf
nur vier Meßbereiche brachte aber noch sehr unbefriedigende Ergebnisse. Ein
wesentlicher Fortschritt war das CapCalc System von Rea und Jeffrey, das mit
einer kommerziellen 8 Bit CCD Kamera arbeitet /51/. Über eine Framegrabber-
Karte wurden digitale Bilder von verschiedenen beleuchteten Szenarien erstellt.
Nach einer Kalibrierung der Kamera konnten den Grauwerten der Bilder
Leuchtdichten zugeordnet werden. Da die Leuchtdichte eine
abstandsunabhängige Größe ist, kann die Messung innerhalb der
photometrischen Grenzentfernung durchgeführt werden /8/. Eine sehr
anschauliche Darstellung der Theorie findet man bei Ashdown /10/, die zur
Entwicklung eines Nahfeldphotometers führt /7/, das in den USA und in Kanada
patentrechtlich geschützt ist /9/. In Deutschland wurden von Schüßler
Untersuchungen über die Eignung der CCD-Kameratechnik in der Photometrie
unternommen, mit dem Resultat, daß ein solches System tauglich ist, wenn nicht
zu hohe Anforderungen gestellt werden /58/. Riemann, Schmidt und Poschmann
beschreiben ein bildauflösendes Goniophotometer mit einer CCD Kamera /53/ und
haben sich dieses Verfahren in Deutschland patentieren lassen /52/. Dabei wird
die Meßkamera auf einer Kugeloberfläche um die Leuchte herum bewegt. In
äquidistanten Stützstellen, typischerweise in 2,5 ° Abstand, werden Kamerabilder
aufgenommen (Bild 12). Durch die Zuordnung von Leuchtenelementen zu
Bildpunkten der Kamera werden nacheinander alle Leuchtdichten registriert, die
einen Beitrag zur Lichtstärke in eine Richtung leisten. Die Werte werden im
Speicher des Steuerrechners abgelegt und am Ende einer Messung zur
Lichtstärke zusammengefügt.
Seite 32 5 Photometrie
Leuchte
CCD Kamera
Pos. 1
Pos. 2
Bild 12: Meßprinzip mit CCD-Kamera
Für eine CCD Kamera mit 768 x 567 Pixeln bedeutet dies, daß ca. 440000
Leuchtdichtewerte gleichzeitig gemessen werden können. Aus Gründen der
praktischen Meßtechnik liegt die Anzahl der Meßwerte durch die Bildung von
Makropixeln deutlich niedriger, was nicht zuletzt das Problem der großen
Datenmenge reduziert. Da CCD-Zeilen ursprünglich nicht für die Photometrie
entwickelt wurden, treten bei der Messung von lichttechnischen Größen neue
Probleme auf, die im folgenden dargelegt werden /22/:
• Dunkelstrom: Da auch bei völliger Dunkelheit aufgrund thermischer Ursachen
Ladungsträger generiert werden, ist dieser Dunkelstrom vom jeweiligen
Meßwert abzuziehen. Dieser Dunkelstom wird während der Messung von
einem Teil der CCD-Matrix bestimmt, der lichtdicht abgedeckt ist. Bei
Integrationszeiten bis 10 s ist der Einfluß der Dunkelgenerationsrate jedoch
vernachlässigbar.
• Nichtlinearität: Im Prinzip ist eine CCD-Matrix ein lineares Bauteil. In der Praxis
treten durch die Kameraelektronik und durch Sättigungseffekte in den Pixeln
Nichtlinearitäten zwischen dem einfallendem Licht und dem Signalwert auf.
5 Photometrie Seite 33
Dieser Effekt wird während der Kalibrierung gemessen und die Meßwerte
werden mit einem Korrekturfaktor berichtigt.
• Inhomogenität (Shading): Dieser Effekt beschreibt die ungleichmäßige
Empfindlichkeit der einzelnen Pixel. Hervorgerufen wird dies durch den cos4-
Randabfall des verwendeten Objektives und durch
Empfindlichkeitsunterschiede der Pixel selbst. Auch dieses Verhalten kann
während der Kalibrierungsphase ermittelt und korrigiert werden.
• V(λ)-Anpassung: Aufgrund der geometrischen Verhältnisse der CCD-Matrix,
bei der jedes Pixel Licht aus einer anderen Richtung bewertet, kann nicht mit
den bewährten Partialfiltern gearbeitet werden. Es müssen Vollfilter eingesetzt
werden. Ein weiteres Problem ist schräg einfallendes Licht, das
unterschiedliche Wege durch das Filter zurücklegen muß, und auch an den
Grenzen zwischen zwei Filtergläsern unterschiedlich gebrochen wird. Zur
Lösung dieser Schwierigkeiten muß die spektrale Empfindlichkeit des CCD-
Sensors möglichst genau bekannt sein und anschließend muß aus qualitativ
hochwertigen und möglichst dünnen Filtergläsern ein Vollfilter hergestellt
werden /63/. Damit ist es möglich, die f‘1-Kennzahl /16/ auf weniger als 3,5 %
zu senken. Man liegt damit aber immer noch deutlich über den f‘1-Werten von
partialgefilterten Photoelementen, die einen Wert von ca. 1,4 % aufweisen /48/.
• Streulichteinfluß: An den Grenzflächen von optisch unterschiedlichen
Materialien kommt es zu Reflexionen an der Oberfläche. Dies gilt sowohl für
die Oberfläche der CCD-Matrix als auch für die Linsen des verwendeten
Objektives. Hier muß bei der Auswahl der Objektive auf deren streuarmes
Verhalten geachtet werden.
• Dynamikumfang: CCD-Kameras mit einem 8 bit A/D Umsetzer können 256
Graustufen darstellen. Dies ist für die praktische Meßtechnik oft zuwenig. Da
aber 440000 Pixel mehr als genug sind, um ortsaufgelöste Informationen zu
bekommen, besteht die Möglichkeit, mehrere Pixel zu Makropixeln
zusammenzufassen. Als positiver Nebeneffekt steigt dadurch das Signal/
Rauschverhältnis um den Faktor N0,5 , wenn N die Anzahl der Pixel darstellt.
Bei stationären Messungen kann über eine Variation der Integrationszeit die
Auflösung verbessert werden. Dabei wird die Aufnahme der selben Szene
solange wiederholt, bis keine übersteuerten Pixel mehr vorhanden sind.
Seite 34 5 Photometrie
Der Signalwert des einzelnen Pixel ist proportional der mittleren Leuchtdichte des
Objektes in dem vom Sensorelement erfaßten Raumwinkel und der Fläche:
),(
),(),(
),(
),(jikL
jijiA
ji
kjiS
P
=
Ω
Φ
=
Mit den oben angegebenen Korrekturen folgt für die Berechnung der Leuchtdichte
aus dem zugehörigen Grauwert:
[
]
),()(),()(),,(jiSHGWNLjiDStDStjiGWL
−
−
=
Wenn diese Punkte beachtet werden, ist eine Eingruppierung in Klasse "B" der
Leuchtdichtemeßgeräte möglich /17/.
Neue mechanische Probleme bei der Konstruktion von Photometern mit CCD
Kameras gibt es nicht, da sie von den Abmessungen und dem Gewicht her
unproblematisch sind. Ein Vergleich der Meßwerte des Nahfeldgoniophotometers
mit CCD-Kamera und einem konventionellen Photometer zeigte Abweichungen,
die innerhalb der Meßunsicherheiten der Geräte lagen /21/.
5.3 Photometrie von hohlen Lichtleitern
Unabhängig von den in Kapitel 5.2 aufgezeigten Verfahren sind in der über
hundertjährigen Geschichte der hohlen Lichtleiter verschiedene Möglichkeiten
beschrieben worden, die lichttechnischen Daten von Lichtrohren zu ermitteln. Im
Folgenden werden einige Verfahren genauer dargestellt, die einen Bezug zu der
Meßmethode oder zu den Materialien haben, die für das ARTHELIO-Projekt
relevant sind.
5.3.1 Messung der Beleuchtungsstärke
Eine Möglichkeit zur Bestimmung des Lichtstromes ist das Messen der
Beleuchtungsstärke direkt auf der Außenseite des Hohllichtleiters /30/. Dazu muß
ein geeigneter Empfänger in Längs- als auch in Radialrichtung auf der Oberfläche
des Lichtrohres entlang geführt werden. Im Idealfall ist dabei die gemessene
5 Photometrie Seite 35
Beleuchtungsstärke gleich der spezifischen Lichtausstrahlung und erlaubt damit
eine Aussage über den emittierten Lichtstrom.
M
AA
E=
Φ
=
Φ
=
12
Zu beachten ist, daß die Empfänger normalerweise eine plane Oberfläche
besitzen und daher, in Abhängigkeit des Krümmungsradius des Lichtrohres, nicht
exakt auf der Oberfläche positioniert werden können. Weitere Abweichungen
können durch den Abstand entstehen, den der eigentlich lichtempfindliche Teil des
Empfängers vom Lichtrohr hat. Durch notwendige Streuscheiben und Blenden für
die Cosinusanpassung befindet sich dieser lichtempfindliche Teil des Empfängers
stets in einem gewissen Abstand zur Oberfläche des Lichtrohres. Außerdem
können Mehrfach-Reflexionen zwischen den Oberflächen von Hohllichtleiter und
Empfänger auftreten. Die Summe dieser Meßfehler kann durch eine
Vergleichsmessung eines Rohr-Teilstückes in einer Ulbrichtschen Kugel
gemessen werden und beträgt ca. ± 3% /78/. Das Verfahren ist aber je nach
Anzahl der gewählten Meßpunkte sehr zeitaufwendig und macht außerdem keine
Aussage über die Richtungsabhängigkeit des ausgesandten Lichtstromes.
5.3.2 Turbosider
Der italienische Hersteller von hohlen Lichtleitern für die Tunnelbeleuchtung gibt in
seinen Produktinformationen Lichtstärkeverteilungskurven in cd/klm für die
C0/C180-Ebene an /69/. Dabei wurde die Beleuchtungsstärke in 1 m Entfernung
ermittelt, und diese Werte wurden anschließend über das photometrische
Entfernungsgesetz in Lichtstärken umgerechnet. Die photometrische
Grenzentfernung wurde jedoch völlig außer acht gelassen. Deshalb führen diese
angegebenen Lichtstärken durch erneute Anwendung des photometrischen
Entfernungsgesetzes in unterschiedlichen Entfernungen, zu fehlerhaften
Beleuchtungsstärken. Das beschriebene Verfahren ist daher als Grundlage zur
Beleuchtungsberechnung nicht geeignet.
Seite 36 5 Photometrie
5.3.3 Siemens AG
Bei der Siemens AG erstellte Leuthold eine Arbeit, in der eine Meßmethode
vorgeschlagen wird, die mit konventioneller Photometrie außerhalb der
photometrischen Grenzentfernung arbeitet /37/. Dabei wird der Hohllichtleiter
segmentiert und das zu vermessende Stück so klein gewählt, daß für dieses
Segment die photometrische Grenzentfernung nicht unterschritten wird. Für kleine
Rohrdurchmesser (8 cm) ist das Verfahren getestet worden und brachte
zufriedenstellende Ergebnisse. Jedoch ist zu beachten, daß nur 20 cm lange
Teilstücke der Lichtrohres untersucht wurden, und hierbei schon eine
Grenzentfernung von 90 cm ermittelt wurde. Leuthold schlägt einen Meßaufbau
mit feststehendem Prüfling und verfahrbarer Meßeinrichtung vor, der aber nicht
realisiert wurde (Bild 13).
Bild 13: Meßaufbau nach Leuthold
5 Photometrie Seite 37
Auch diskutiert Leuthold die Möglichkeit, den Meßaufbau mit einer CCD Kamera
zu erweitern, damit innerhalb der photometrischen Grenzentfernung gearbeitet
werden kann.
5.3.4 Messung mittels Aperturblende
Ein ähnliches Verfahren zur Messung außerhalb der photometrischen
Grenzentfernung wird in /13/ dargestellt. Dabei wird mittels einer Apperturblende
nur ein kleiner Teil des Lichtrohres erfaßt, was die Grenzentfernung entsprechend
reduziert und damit den Bau kleinerer Photometer erlaubt (Bild 14).
z
Hohllichtleiter
Aperturblende
β
Bild 14: Hohllichtleiter mit Aperturblende
Nachteilig ist, daß während der Messung die Aperturblende und die
Meßeinrichtung, die stets auf die Blende orientiert ist, durch Drehung um β und
durch Verschieben in z-Richtung über die gesamte Oberfläche des Hohllichtleiters
geführt werden muß. Über einen praktischen Meßaufbau werden aufgrund dieser
Schwierigkeiten auch keine genaueren Angaben gemacht.
Seite 38 5 Photometrie
5.3.5 Messung mit CCD Kamera
Eine erste Beschreibung von Hohllichtleiter-Photometrie mittels einer CCD
Kamera findet man bei Whitehead u. a. /78/. Die Messungen wurden mit einem IQ
Cam System durchgeführt /66/. Dabei wurden jeweils in der Mitte eines 2m
Moduls Meßwerte aufgenommen. Da von einer Symmetrie in Längsrichtung des
Hohllichtleiters ausgegangen wurde und in 30 ° Schritten gemessen wurde,
reduzierte sich die Anzahl der Meßwerte auf 6 (Bild 15).
Bild 15: Meßpunkte nach Whitehead u.a.
Der Öffnungswinkel der verwendeten Kamera war 61 °, so daß 4 Aufnahmen je
Meßstelle nötig waren, um sämtliche Lichteinfallsrichtungen zu erfassen. Die
relative Meßunsicherheit der erfaßten Lichtstromwerte aus diesen Meßwerten
wurde mit +/- 10 % festgestellt, so daß bei weiteren Untersuchungen ein
Photometerkopf zur Lichtstrommessung verwendet wurde. Weiterhin wird ein
Verfahren zur Vereinfachung der Messung beschrieben, welches den
Gesamtlichtstrom in zwei Teillichtströme separiert, einen in Vorwärts- und
Rückwärtsrichtung. Es wird davon ausgegangen, daß die relative Verteilung dieser
beiden Lichtströme spiegelsymmetrisch ist, und somit die Messung des
vorwärtsgerichteten Lichtstromes genügt, wenn zur Bestimmung der absoluten
Werte ein Asymmetriefaktor verwendet wird. Diese Messung kann durchgeführt
5 Photometrie Seite 39
werden, wenn das Ende des Hohllichtleiters mit einem Absorber versehen wird. Es
werden leider keine Meßergebnisse mitgeteilt, die mit dieser Methode erzielt
wurden. Zur Überprüfung dient ein Vergleich zwischen den gemessenen und mit
der beschriebenen Methode berechneten Beleuchtungsstärken in 2 m Abstand
unter dem Zentrum des Hohllichtleiters. Es wird nicht mitgeteilt ob dieser Vergleich
am Anfang, in der Mitte oder am Ende des Hohllichtleiters durchgeführt wurde.
Auch wird in dem Artikel der mechanische Aufbau des Goniophotometers und die
Durchführung der Meßwerterfassung nicht beschrieben.
Seite 40 6 Photometer
6 Photometer
6.1 Entwicklung
Bei der Entwicklung des Photometers wurde von Anfang an die Meinung vertreten,
daß es sinnvoller ist, den Meßaufbau stationär zu gestalten und die Hohllichtleiter
entlang ihrer Längsachse zu bewegen. Der erste Entwurf für den Bau des
Photometers orientierte sich an Anlagen mit konventionellen Photoelementen, die
für die schnelle Messung der Lichtstärkeverteilung entwickelt wurden /49/ und bei
denen im Entwicklungsstadium der Leuchten die Meßgenauigkeit zugunsten der
Meßgeschwindigkeit vernachlässigt wurde /39/. Die Anlage sollte mit einem
Mehrkanalempfänger ausgestattet sein, dessen Photoelemente außerhalb der
photometrischen Grenzentfernung auf einem Viertelkreisbogen angeordnet waren
(Bild 16).
Bild 16: Photometer mit Mehrkanalempfänger
6 Photometer Seite 41
Dieser Kreisbogen sollte um 90° schwenkbar sein, damit sämtliche
Lichtaustrittsrichtungen erfaßt werden konnten. Die zur Verfügung stehenden
Räumlichkeiten ließen dabei eine Meßentfernung von ca. 3-4 m zu, wenn der
Hohllichtleiter außerhalb der Raummitte plaziert würde. Zur Messung sollte das
betreffende Teilstück mitsamt der zugehörigen Lichtquellen um die horizontale
Längsachse gedreht werden.
Problematisch bei dieser Meßanordnung wäre die Bestimmung der
Grenzentfernung für verschiedene Hohllichtleiter, die mechanische Bewegung der
Empfänger und die parallele Auswertung der Meßdaten gewesen. Durch den zur
Verfügung stehenden Laborraum wurde deutlich, daß Messungen nur innerhalb
der photometrischen Grenzentfernung möglich waren. So fiel die Entscheidung,
ein Meßsystem mit bildauflösender Photometrie auf Basis einer CCD Kamera
einzusetzen. Bei dem Aufbau in Bild 17 sollten die Schienen einer vorhandenen
Photometerbahn verwendet werden, auf denen die Hohllichtleiter mittels Wagen
verschoben werden konnten.
Bild 17: Entwurf Goniometer mit CCD Kamera
Durch die Entwicklung von Hohllichtleitern, die statt aus extrudierten
Polycarbonatrohren nur noch aus flexiblen Folien bestanden, war eine Rotation
Seite 42 6 Photometer
der Meßobjekte um ihre Längsachse jedoch nicht mehr möglich, da eine
Formstabilität nicht mehr gegeben war. Folglich mußte das Meßobjekt in der Mitte
des Raumes angeordnet werden und die zugehörige Meßeinrichtung mußte auf
einer Kreisoberfläche um die Meßstelle herum bewegt werden. Da Hohllichtleiter,
wie gewöhnliche Leuchten auch, normalerweise unter die Raumdecke montiert
werden, war auch in dem endgültigen Entwurf eine hängende Montage
vorgesehen.
Bei der Realisierung des Photometers wurde aus Termin- und Kostengründen,
aber auch unter Beachtung von Patentschutzrechten, auf bereits vorhandene
Komponenten zurückgegriffen. So besteht der mechanische Aufbau aus vielen
Teilen, die sich bei anderen Goniophotometern bewährt haben. Die
Messwertaufnahme mittels CCD-Kamera, die in Goniophotometern für
konventionelle Lichtquellen eingesetzt wird, ließ sich an das neue Meßgerät
anpassen. Neben den genannten Vorteilen bringt die Verwendung von
Komponenten aber auch Nachteile mit sich, da man vorhandene Standards weiter
benutzen muß. Im vorliegendem Fall äußert sich dies z.B. durch die Existenz
mehrerer Koordinatensysteme, die bei der Bewegung des Photometers beachtet
werden müssen (siehe Kapitel 6.2.7) und auch durch die Dimensionierung von
Bauteilen. Hier ist insbesondere der Bogenmotor problematisch, dessen
Drehmoment den geforderten Wert um ein Vielfaches übersteigt und im
Kollisionsfall nicht einfach stehenbleibt, sondern ernsthafte Schäden an der
Anlage verursachen kann.
6.2 Aufbau
6.2.1 Goniophotometer
Das Photometer besteht aus zwei mechanisch voneinander getrennten Teilen,
dem Schienensystem und dem beweglichen Bogen mit der Meßeinrichtung (Bild
18). Beide Teile sind über den Kontrollrechner elektrisch miteinander verbunden
und werden von einer Stelle bedient.
6 Photometer Seite 43
Bild 18: Goniophotometer Übersicht
• A, B: horizontale Drehachse G: Endloszahnriemen
• C: Sensorwagen H: Verbindungsstellen
• D: Photoelement J: Wagenmotor
• E: CCD Kamera K: Kabeleintritt
• F: Bogenlücke S: Schienensystem
Das Goniophotometer befindet sich genau in der Mitte des Schienensystems (Bild
19). Es besteht aus einem drehbaren Bogen, in dem sich die Meßeinrichtung
bewegt, sowie aus dem Steuerrechner, der die Kontrolle über die verschiedenen
Bewegungsrichtungen übernimmt und für die Datenaufnahme zuständig ist.
Seite 44 6 Photometer
Bild 19: Goniophotometer mit Hohllichtleiter
6.2.2 Schienensystem
An der Decke wurde ein 65 m langes Schienensystem aus Aluminiumprofilen
montiert, mit dem es möglich ist, komplette Lichtrohrsysteme zu bewegen. Ein
Querschnitt dieser Aluminiumprofile ist in Bild 20 zu sehen.
Bild 20: Querschnitt des Aluminiumprofils
Dieses Profil zeichnet sich durch eine sehr hohe Stabilität aus und wird in
unterschiedlichen Ausführungen für viele Teile des Goniophotometers verwendet.
6 Photometer Seite 45
Das Schienensystem ist sowohl in der Höhe durch die Verwendung von
Gewindestangen, als auch in Richtung quer zur Längsachse durch den Einsatz
von Langlöchern justierbar. An den Außenseiten der Aluminiumprofile sind zwei
Stahlstangen eingesetzt. Diese Stangen dienen zur Führung der Probenhalter, die
auf jeder Seite mit 2 Rollen in die Stangen greifen (Bild 21).
Bild 21: Oberteil Probenhalter
Die Probenhalter bestehen aus den Aufnahmen für das Schienensystem und einer
Teleskopstange, die eine Montage der Lichtrohrsysteme in unterschiedlichen
Höhen zuläßt. Die größte Länge beträgt dabei 1720 mm und kann auf 1060 mm
stufenlos reduziert werden. Mittels einer Spannmutterfixierung werden die
Teleskopstangen in der gewünschten Höhe arretiert. Sind keine Meßobjekte in
den Probenhaltern montiert, sorgt eine Spiralfeder für ein Zusammenschieben der
Teleskopstangen in der minimalen Stellung.
Bewegt werden die Probenhalter mit einem Zahnriemen, der entlang der
Längsachse des Schienensystems gespannt ist. Angetrieben wird der Zahnriemen
mit dem sogenannten Linearantrieb, einem AC Servomotor der Fa. Bautz Typ F
634 (Bild 22).
Seite 46 6 Photometer
Bild 22: Linearantrieb
Dadurch wird eine maximale Geschwindigkeit von 0,5 m/s erreicht. Zusammen mit
dem verwendeten spielfreien Harmonic Drive Getriebe ist eine Meßunsicherheit
von +/-1 mm möglich. Die Positionierung erfolgt mittels eines Resolvers, ein
mitlaufender Generator, der pro Motorumdrehung genau eine Sinus- und eine
Cosinusschwingung erzeugt. Deren Spannungswerte werden im Kontrollrechner
zur Positionsbestimmung weiterverarbeitet. Die beiden Enden des Zahnriemens
sind fest an einem der 20 Probenhalter verbunden. Alle anderen Probenhalter sind
mittels eines Spezialwerkzeuges auf dem Zahnriemen frei beweglich, was die
Montage von Lichtrohrsystemen erleichtert. Es ist darauf zu achten, daß sich nicht
alle Probenhalter am Anfang oder am Ende des Schienensystems befinden. In
einem solchen Falle fehlt dem Zahnriemen die Unterstützung durch die
Probenhalter an der Unterseite des Schienensystems und es besteht die Gefahr
des Bruch des Zahnriemens. An den jeweiligen Endstücken des Schienensystems
befinden sich Endschalter, die eine Bewegung der Probenhalter über die maximal
zulässige Länge verhindern.
6 Photometer Seite 47
6.2.3 Drehbarer Bogen
Aus verschiedenen 4 mm starken Aluminiumblechen ist der Bogen aufgebaut. Auf
jeder Seite bilden 5 Bleche mit 60 ° und 2 Bleche mit 15 ° einen Kreisbogen von
330 °. Eine zweite Lage von Aluminiumblechen bestehend aus 4 Blechen mit 60 °
und 2 Blechen mit 45 ° wird, um 30 ° versetzt mit der ersten Lage, verschraubt.
CNC Bohrungen in den Aluminiumblechen erlauben eine sehr exakte und
gleichzeitig auch stabile Verbindung (Bild 23).
Bild 23: Aluminiumblech mit CNC Bohrungen
Dies bedeutet, daß ein Bogenstück von ca. 30 ° fehlt, was bei einem Durchmesser
von 2150 mm eine Lücke von ca. 580 mm ausmacht. Diese Lücke im Kreisbogen
ist notwendig, um die Probenhalter des Schienensystems frei bewegen zu können.
Außerdem wird sie zum Messen des Lichtaustritts am Ende von Hohllichtleitern,
die nur zum Lichttransport benutzt werden, gebraucht. Die beiden Seitenteile sind
durch die bekannten Aluminiumprofile, hier mit einer Länge von 250 mm
verbunden. Genau zwischen diesen beiden Seitenteilen wird die Meßeinrichtung
verfahren. Dazu befinden sich auf den jeweiligen Innenseiten zwei kreisförmig
gebogene Stahlstangen, welche die Führung des Sensorwagens übernehmen.
Der ganze Bogen ist in seiner horizontalen Achse drehbar gelagert. Den Antrieb
übernimmt ein AC Servo Motor der Firma Bautz Typ F804 in Verbindung mit
einem Harmonic Drive Getriebe Typ HFUC-80-160-2UH. Der Motor leistet 1734 W
in Nennbetrieb und erreicht ein Nenndrehmoment von 4,8 Nm. Das maximale
Drehmoment beträgt 23 Nm. Durch die Untersetzung des Getriebes von 1:160
Seite 48 6 Photometer
werden Drehmomente erreicht, die die notwendigen ca. 300 Nm weit
überschreiten. Die maximale Geschwindigkeit beträgt ca. 12 °/s und kann beliebig
reduziert werden. Die Initialisierung erfolgt über eine parallel betriebene
Lochscheibe, auf der Bohrungen in verschiedenen Abständen angeordnet sind
(Bild 24). Diese Abstände sind im Steuerrechner hinterlegt. Bei der
Initialisierungsfahrt reicht daher eine Wegstecke aus, die über 2 Bohrungen
hinwegführt, um die Position des Bogens eindeutig zu identifizieren.
Bild 24: Lochscheibe mit Bohrungen
Die Positionierung des Bogens erfolgt auch hier mit dem Standard-Resolver, mit
einer Winkelauflösung von 0,001°. Dabei gibt der Hersteller eine reproduzierbare
Winkeleinstellung mit einer Meßunsicherheit von weniger als 0,002° an.
Die beiden Ständer, die den Bogen halten, sind auf zwei im Fundament
eingelassenen Stahlplatten befestigt. Über je 4 Stellschrauben auf jeder Seite ist
ein Ausrichten der Ständer möglich.
6.2.4 Sensorwagen
Im Inneren des drehbaren Bogens bewegt sich der Sensorwagen, angetrieben von
einem Endloszahnriemen, der über 69 kugelgelagerte Rollen geführt wird. Der
Motor ist ein AC Servomotor der Firma Bautz Typ 504D. Der Wagen hat an beiden
6 Photometer Seite 49
Seiten sechs Rollen, mit denen er auf den zwei Stahlstangen bewegt werden
kann. Bei gleichem Radius wie der Bogen und einer Bogenlänge von 70 ° ist der
Sensorwagen in der Lage, über das fehlende Bogenstück zu fahren, obwohl in
diesem Teil des Bogens keine Führungsschiene vorhanden ist. Dabei übernimmt
die eine Seite des Endloszahnriemens solange den Antrieb, bis der Sensorwagen
die Bogenlücke überquert hat und auf der anderen Seite mit der vorgesehenen
Aufnahme in den Zahnriemen faßt. Die Position des Sensorwagens wird mit dem
eingebautem Resolver bestimmt. Die maximale Geschwindigkeit beträgt ca. 4°/sec
bei einer Winkelauflösung von 0,001°. Die Unsicherheit der reproduzierbaren
Winkeleinstellung beträgt weniger als 0,05°. Sie ist damit etwas größer als beim
Bogenantrieb, was an der sehr viel größeren Anzahl mechanischer Bauteile und
dem längeren Zahnriemen liegt, der über seine Länge von ca. 12 m
unterschiedliche Spannungen annimmt. In der Mitte des Sensorwagens ist die
CCD Kamera montiert. Dabei handelt es sich um eine 8-bit schwarz-weiß CCD-
Kamera der Firma Kappa, Modell CF8/4DX, die von der Firma TechnoTeam
modifiziert wurde. Sie arbeitet mit einer Matrix von 752 x 582 effektiven
Bildpunkten, die zu Makropixeln von 21 x 21 Pixeln zusammengefaßt sind. Daraus
folgt eine Auflösung der Leuchtdichte von 1:2500. Eine weiterere Erhöhung des
Dynamikumfanges ist durch einen Satz von angepaßten Neutralglasfiltern
möglich, die den Maximalwert der auftretenden Leuchtdichte an die
Kameraempfindlichkeit anpassen. Der Öffnungswinkel des Objektives beträgt ca.
61°, womit bei einem Abstand zwischen Kamera und Mittelpunkt des Goniometers
von 1076 mm eine maximale Leuchtenlänge von 1 m erfaßt werden kann. In
einem Abstand von 5° befindet sich das Photoelement mit dazugehörendem
Meßverstärker. Dieses Photoelement übernimmt zum einen die
Absolutwertkalibrierung, da mit der CCD-Kamera nur Relativwerte der
Leuchtdichte aufgenommen werden. Zum anderen sorgt die V(λ) Filterung auf
dem Photoelement für die notwendige Anpassung an die relative spektrale
Augenempfindlichkeit. So ist es möglich, die in Kapitel 5.2 beschriebenen
Probleme der Kameraanpassung zu vermeiden. Der Versatz dieser beiden
Sensoren ist im Rechner hinterlegt und wird während der Messung berücksichtigt.
Um weitere 7,2° versetzt ist der Justagelaser (siehe Kapitel 6.3) angeordnet.
Seite 50 6 Photometer
6.2.5 Kabelführung
Für die Stromversorgung und den Signaltransport werden 3 separate Leitungen
benötigt. Eine 50-adrige Leitung für die CCD Kamera, eine 4 adrige Leitung für
den Meßverstärker und ein Triaxialkabel für den Photostrom. Die Kabelzuleitung
führt durch das Drehlager gegenüber des Antriebsmotors. Die drei Kabel werden
über 40 Rollen geführt und können der Bewegung des Sensorwagens folgen. Es
galt dabei einen Kompromiß zwischen Anzahl der Adern und zulässigen
Biegeradius zu finden. Die Kabelführung durch die Drehachse ist nicht
unproblematisch. Da die Leitungen nebeneinander geführt werden, besteht die
Gefahr, daß die Führungsrollen verlassen werden, wenn Bogen und Sensorwagen
gleichzeitig bewegt werden. Deswegen erlaubt die Steuerung ein Verfahren des
Sensorwagens nur bei senkrecht stehenden Bogen. Außerhalb des Bogens
werden die Kabel über einen Flaschenzug geführt und mit einem angehängten
Gewicht auf Spannung gehalten.
6.2.6 Endschalter
Sowohl der Bogen als auch der Sensorwagen sind mit Endschaltern ausgerüstet,
die eine Kollision zwischen Hohllichtleiter oder Probenhalter auf der einen Seite
und Bogen oder Sensorwagen auf der anderen Seite verhindern sollen. Je zwei
Endschalter befinden sich an den Enden des Sensorwagens und am inneren
Rand des Bogens gegenüber der Bogenlücke. Die Endschalter sind zweistufig
ausgeführt. In der ersten Stufe wird nur die betreffende Antriebsachse
abgeschaltet. In der zweiten Stufe wird dann die Stromversorgung aller Achsen
getrennt. Mit dieser Anordnung können aber die möglichen Kollisionspunkte nur
teilweise gesichert werden. Eine völlige Sicherung über Endschalter ist aufgrund
der komplexen Bewegung des Goniophotometers nicht möglich. Es existiert
deshalb eine Softwareabfrage über mögliche Kollisionspunkte (Kapitel 6.5.5).
Letztendlich ist der Anwender aufgefordert, gefährliche Situationen nicht
zuzulassen. Diese können beispielsweise entstehen, wenn sich der Sensorwagen
in der Bogenlücke befindet und nicht alle Probenhalter aus dem Drehbereich des
Goniophotometers entfernt worden sind.
6 Photometer Seite 51
Sollte trotz aller Vorsicht eine problematische Situation entstehen, besteht durch
eine Anzahl gut erreichbarer Not-Aus Schalter die Möglichkeit, die Bewegung
sofort zu beenden.
Da es zunächst bei Beginn des Betriebes trotz dieser Sicherungen zu Kollisionen
aufgrund von Fehlbedienungen gekommen ist, wurden weitere
Vorsichtsmaßnahmen hinzugefügt. Eine Kontaktmatte im Drehbereich des Bogens
verhindert den Betrieb des Photometers bei Aufenthalt von Personen dort. Da an
der Bogenlücke keine Endschalter zur Sicherung montiert werden können, wurde
auf jeder Seite eine Infrarot-Reflexlichtschranke eingebaut, die die Bewegung des
Bogens stoppt, sobald sich ein Gegenstand innerhalb dieser Lichtschranke
befindet. Für Messungen, bei denen das Meßobjekt oder der Probenhalter in die
Bogenlücke eintreten darf, nachdem der Sensorwagen diese verlassen hat,
können die Lichtschranken mit einem Schalter außer Funktion gesetzt werden.
6.2.7 Koordinatensysteme
Das Goniophotometer arbeitet mit zwei unterschiedlichen Koordinatensystemen,
bei denen ϕ jeweils die Position des Bogens und ϑ die Position des
Sensorwagens angibt.
ϑ= -180°/180
ϑ= 0°
ϑ= 90°
ϑ= -90°
ϕ = -180°/180
ϕ = -90° ϕ = 90°
ϕ = 0°
Bild 25: Festlegung des Koordinatensystems des Goniometers
Seite 52 6 Photometer
Bild 25 zeigt das festgelegte Koordinatensystem des Goniophotometers mit
180°<ϑ<180° und -180°<ϕ<180°. Die ϑ=0° Position orientiert sich an dem
lichttechnischen C-Ebenen System und befindet sich nicht in einem der Pole des
Kugelkoordinatensystems, sondern senkrecht unter dem Meßobjekt. Dieses
Koordinatensystem wird bei der Handsteuerung (Kapitel 6.5.2) und der
Notsteuerung (Kapitel 6.5.3) benutzt.
Bild 26 zeigt das Kugelkoordinatensystem für die Positionierung der CCD-Kamera
mit 0°<ϑ<180° und 0°<ϕ<360°, wobei sich die ϑ=0° Position in einem Pol des
Koordinatensystems befindet. Dieses System wird für die Motorsteuerung
verwendet. Die Kenntnis über die Lage ϕ−Position des Bogens ist zur Bestimmung
der Verfahrgrenzen notwendig (Kapitel 6.5.5).
ϑ= -90°/270
ϑ= 90°
ϑ= 180°
ϑ= 0°
ϕ = -0°/360
ϕ = 90° ϕ = 270°
ϕ = 180°
Bild 26: Koordinatensystem der CCD Kamera und Lage der C-Ebenen
Da im C-Ebenen System die Schnittgerade der Halbebenen durch die Pole des
Koordinatensystems verläuft, liegen die Lichtstärkeverteilungen zunächst in einem
um 90° gedrehten C-Ebenen-System vor, das dem A-Ebenen System ähnelt. Die
Meßwerte können aber durch die vorhandene Software im bekannten C-Ebenen
System dargestellt werden.
6 Photometer Seite 53
6.3 Justage
6.3.1 Justage des Schienensystems
Die Erstjustage erfolgte mittels eines Lasers, der am Anfang des
Schienensystems aufgebaut war und dessen Laserstrahl die Mitte des
Goniophotometer traf. Dieser Punkt entspricht exakt dem Mittelpunkt des
Drehradius, in dem sich ein Probenhalter mit einer Markierung befand. Beim
Schieben des Probenhalters in Richtung Laser wurde das Schienensystem dann
so justiert, daß der Laserstrahl immer diesen Markierungspunkt traf. Die
Abweichungen außerhalb des Drehradius des Goniophotometers betrugen
maximal ±10 mm, was bezogen auf die Gesamtlänge von 30 m eine relative
Abweichung von 0,03 % bedeutet. Innerhalb des Drehradius wurden diese
Arbeiten sehr genau durchgeführt, da hier die Justage der Prüfobjekte stattfindet,
von denen die lichttechnischen Daten ermittelt werden sollen. Die maximale
Abweichung vom Zentrum des Goniophotometers betrug ±2 mm. Die
Meßunsicherheit beträgt dabei ±1 mm. Zusätzlich wurde dieser Teil des
Schienensystems schwarz lackiert, um Streulichteinflüsse zu reduzieren.
6.3.2 Justage des Photometers
Das Justieren des Photometers ist aufwendig. Auch die Anforderungen an die
Genauigkeiten sind höher als beim Schienensystem. Die beiden Ständer, die den
Bogen halten, stehen auf zwei Stahlplatten und sind mittels Stellschrauben in der
Höhe justierbar. Mit Hilfe einer Wasserwaage wurde die Höhe der Ständer
solange korrigiert, bis die Drehachse waagerecht lag. Die korrekte Stellung des
Bogens kann ebenfalls mittels einer Wasserwaage in senkrechter und
waagerechter Position überprüft werden. Eine Korrektur ist durch Anfahren in
senkrechter Stellung und anschließendem Nullsetzen der Anzeige möglich. Bei
der Überprüfung mittels einer Präzisionswasserwaage wurden Abweichungen von
weniger als 0,5 mm/m festgestellt, so daß eine Meßunsicherheit von maximal
0,05° gewährleistet ist.
Die Position des Wagens wurde zunächst durch einen Laser, der an einem
Probenhalter des Schienensystems montiert war und gemäß Bild 27 aus 5 m
Entfernung in das Drehzentrum strahlte (Laser 1), und dem Justagelaser (Laser 2)
Seite 54 6 Photometer
überprüft. Dabei wurde der Laser 1 auf ein 90° Prisma gerichtet und mußte nach
der Reflexion am Prisma sowohl die Drehachse treffen, in der sich Laser 2 befand,
als auch durch Oberflächenreflexion in sich selbst zurückgerichtet werden. Das
Prisma befand sich zu diesem Zweck auf einem Verschiebetisch, bei dem die
beiden horizontalen Achsen geneigt werden konnten, was ein sehr genaues
Ausrichten des Prismas ermöglichte. Dasselbe wurde nun mit Laser 2
durchgeführt, so daß der Laserstrahl nach Reflexion am Prisma genau Laser 1
treffen mußte und wieder zu seinem Ausgangspunkt reflektiert wurde.
Laser 1
90°Prisma
Laser 3
Laser 2
Goniophotometer
Bild 27: Anordnung bei Laserjustage
Nachdem der Ständer mit Laser 2 genau senkrecht ausgerichtet war, wurde das
Prisma gedreht und der Vorgang für den zweiten Ständer wiederholt. Dazu wurde
genau in der Drehachse, gegenüber dem Kabeleintritt, ein dritter Laser montiert
und auf das Drehzentrum auf der gegenüberliegenden Seite ausgerichtet. Mit
dieser Ausrichtung konnte gewährleistet werden, daß die Lichtrohre, die am
Schienensystem bewegt werden, rechtwinklig zum Drehbogen stehen. Mit dem
fest eingebauten Laser 3 konnte in jeder Stellung des Bogen immer korrekt die
6 Photometer Seite 55
waagerechte Achse angezeigt werden. Zusammen mit dem verfahrbaren
Justagelaser auf dem Sensorwagen war eine Kontrolle der Windschiefe der
Achsen möglich, wenn sich der Justagelaser auf dem Sensorwagen in 0° Stellung
befand und der Bogen in verschiedene Stellungen gefahren wurde. Es konnte
dabei eine maximale Abweichung von 5 mm vom Schnittpunkt der Laserstrahlen
festgestellt werden.
Nach Fahrt des Sensorwagens um 180° mußte der Laserstrahl in der Drehachse
den Justagelaser auf dem Sensorwagen treffen und umgekehrt. Hier zeigten sich
Anfangs Abweichungen von der idealen Position aufgrund von Dehnungseffekten
des Zahnriemens. Diese konnten durch eine Änderung der Schrittweite des
Motorantriebes korrigiert werden und traten nach ca. 3 Monaten Meßbetrieb nicht
mehr auf. Weiterhin ist mit dem fest eingebauten Laser eine Abstandskontrolle der
Meß- und Justiereinrichtungen auf dem Sensorwagen möglich. Dabei beträgt der
Abstand Kamera-Photoelement 5° und der Abstand Kamera-Justagelaser 12,3°.
6.4 Kalibrierung
Das Goniophotometer ist mit zwei voneinander unabhängigen und von der
Funktion her sehr verschiedenen Lichtsensoren ausgerüstet. Die
Lichtstrommessung und die Lichtstärkemessung für kleine Lichtquellen mit einem
Durchmesser < 15cm beruhen auf einer Beleuchtungsstärkemessung (Kapitel 5).
Die Meßunsicherheit hängt daher von der Qualität des verwendeten
Photometerkopfes ab. Verwendet wird ein thermisch stabilisierter Photometerkopf
der Firma PRC Krochman, der einen f1-Kennwert für die relative spektrale
Empfindlichkeit von 1,41 % aufweist. Der Kennwert f2 der richtungsabhängigen
Bewertung beträgt 0,42 % /48/. Damit erfüllt der Photometerkopf die
Anforderungen an die höchste Klasse (L) für Beleuchtungsstärkemessgeräte.
Insbesondere die geringe f1 -Kennzahl ist in diesem Zusammenhang wichtig, da
die CCD Kamera keinen eigenen V(λ) angepaßten Filter besitzt und zur
Absolutwertanbindung auf die Meßwerte des Photoelements zurückgreift.
Seite 56 6 Photometer
6.4.1 Lichtstromkalibrierung
Die Kalibrierung des Lichtstromes wurde mittels einer Lichtstrom-Normallampe
durchgeführt. Hierbei handelt es sich um eine Glühlampe der Marke Radium mit
24 V Nennspannung und 100 W Leistung (Tabelle 1).
Tabelle 1: Technische Daten der Normallampe
Nennspannung Nennleistung Lampestrom Lampenspannung Lichtstrom
24 V 100 W 4,10 A22,08 V 1447 lm
Die Lampe wurde im Zentrum der Meßeinrichtung angebracht und mit den Lasern
exakt ausgerichtet (Bild 28), wobei sich der verwendete Probenhalter mindestens
15° von der senkrechten Stellung des Goniophotometrers entfernt befinden muß
(Kapitel 6.5.5).
Schienensystem
Probenhalter
Normallampe
Goniophotometer
Bild 28: Montage der Normallampe zur Lichtstromkalibrierung
Für die Messung wurde die Lampe in einer Meßfassung montiert. Die
Lampenspannung wurde direkt an der Meßfassung gemessen, während der Strom
über den Spannungsabfall an 0,1 Ohm Normalwiderstand ermittelt wurde. In
einem Winkelabstand von 15 Grad wurden mit dem Photometer
6 Photometer Seite 57
Beleuchtungsstärkewerte aufgenommen und daraus der Lichtstrom berechnet. Die
Abweichung des Lichtstromes vom erwarteten Sollwert des Kalibrierscheins
betrug 2,3 Prozent. Dieser Wert ließ sich jedoch verringern, indem man den
Bereich der Kugeloberfläche berücksichtigte, der konstruktionsbedingt durch die
Halterung verdeckt wird und aufgrund der Verfahrgrenzen (Kapitel 6.5.5) vom
Photometerkopf nicht erfaßt werden konnte. Dazu wurde die Lampe um 180 Grad
um ihre vertikalen Achse gedreht und die Messung wiederholt. Die so ermittelten
Werte für den Bereich der Abschattung wurden bei der ersten Messung
berücksichtigt und der Lichtstrom erneut berechnet. Mit dieser Methode war es
möglich, die relative Abweichung des Meßwertes vom Sollwert auf 1,5 Prozent zu
verringern (Tabelle 2).
Tabelle 2: Ergebnisse der Lichtstromkalibrierung
Φn
[lm]
Φmes
[lm]
∆Φ
[lm]
Relative
Abweichung
[%]
Messung ohne
Korrektur 1447 1415 32 2,3
Messung mit
Korrektur 1447 1469 22 1,5
6.4.2 Lichtstärkekalibrierung
Für große Lichtquellen wird die Lichtstärke mittels der CCD Kamera bildauflösend
ermittelt. Eine Kalibrierung im herkömmlichen Sinn mit einer Normallampe ist nicht
möglich, da das Meßverfahren für kleine Lichtquellen systembedingt ungeeignet
ist. Eine Kalibrierung der Kamera ist nur durch den Hersteller möglich. Als
Kennzahlen werden angegeben:
räumliche Bewertung f2(g) <1 %
Einfluß der Umfeldleuchtdichte f2(u) <3 %
Nichtlinearität f3 <0,5 %
Abweichung des Anzeigegerätes f4 <0.2 %
Ermüdung f5 <0,1 %
moduliertes Licht f7 <0,1 %
Seite 58 6 Photometer
Polarisationseinfluß f8 <0,7 %
Die ermittelte Abweichung bezieht sich daher auf Vergleichsmessungen mit dem
Drehspiegelgoniophotometer .
Dazu wurden verschiedene Leuchten in beiden Meßgeräten vermessen und die
ermittelten Lichtstärkewerte verglichen. Dafür wurde eigens eine Leuchte aus
einem 2 m langen Stück Hohllichtleiter angefertigt, in die eine konventionelle 26
mm Leuchtstofflampe installiert wurde. Diese Leuchte konnte aufgrund ihrer
Abmessungen sowohl in dem Drehspiegelgoniophotometer als auch in dem neuen
Goniophotometer vermessen werden. Zu diesem Zweck wurden die Enden mit
schwarzer Pappe verdunkelt, so daß die leuchtende Fläche 1 m Länge aufwies,
und damit vom Kameraobjektiv komplett erfaßt werden konnte (Bild 29).
Bild 29: Hohllichtleiter zur Vergleichsmessung
Die Lichtstärkeverteilungskurven für die beiden Meßverfahren sieht man in Bild 30
und Bild 31.
6 Photometer Seite 59
Bild 30: Lichtstärkeverteilung gemessen mit Drehspiegelgoniophotometer
Bild 31: Lichtstärkeverteilung gemessen mit CCD Kameragoniophotometer
Seite 60 6 Photometer
Hierbei ist eine sehr zufriedenstellende Übereinstimmung feststellbar. Aus den
Zahlenwerten errechnet sich für die 0° Ausstrahlungsrichtung eine Abweichung
des neuen Meßverfahren von 1,03 cd/klm, was einer relativen Abweichung von
1,3 % entspricht. Die minimale Abweichung wurde mit 0,1 cd/klm, die größte
Abweichung mit 12,85 cd/klm gemessen, woraus sich eine relative Abweichung
von 17 % ergibt. Die durchschnittliche Abweichung aller Meßwerte betrug 1,9
cd/klm. Betrachtet man nur den unteren Halbraum, in den über 80 % des
Lichtstromes ausgestrahlt wird, beträgt die durchschnittliche Abweichung 2,1
cd/klm, was eine durchschnittliche relative Abweichung von 3,6 % bedeutet.
6.5 Meßablauf
6.5.1 Initialisierung
Vor Beginn einer Bewegung der drei Achsen müssen diese zunächst initialisiert
werden. Mit der Steuerungssoftware ist nur die Initialisierung aller drei Achsen auf
einmal möglich. Die Probenhalter und der Sensorwagen erhalten ihre Position
durch das Anfahren von Referenzschaltern. Die Position des Bogens wird durch
die mitgeführte Lochscheibe bestimmt (Kapitel 6.2.3). Wichtig ist die Kenntnis der
Bewegungsrichtung während der Intitialisierungsfahrt, da diese nicht immer bei
den gewohnten Ruhelagen beginnen muß. Nach Betätigen eines Not-Aus
Schalters oder nach einem Neustart des Steuerrechners kann die
Initialisierungsfahrt an einer Stelle beginnen, von der eine Kollisionsgefahr
ausgehen kann.
6.5.2 Handsteuerung
Mit der Funk-Handsteuerung (Bild 32) können die Achsen einzeln initialisiert und
verfahren werden. Der Steuerhebel funktioniert dabei als Inkrementgeber, mit dem
zunächst die Wegstrecke gewählt wird, die zurückgelegt werden soll.
Anschließend wird die Fahrtrichtung festgelegt. Diese Option erleichtert das
Ausrichten der Meßobjekte. Neben der Achsenwahl und der Intitialisierung kann
man den Justagelaser des Sensorwagens schalten und die Not-Aus Funktion
aktivieren. Im Display erscheint neben der aktuellen Position im Goniometer-
Koordinatensystem der Photostrom des Photoelements und die daraus errechnete
Beleuchtungsstärke. Damit ist ein einfaches Suchen der maximalen
6 Photometer Seite 61
Beleuchtunsstärke möglich, die den gewählten Meßbereich nicht überschreiten
darf (Kapitel 6.5.7).
Bild 32: Funk-Handsteuerung
6.5.3 Notsteuerung
Ist nach Betätigen eines Not-Aus Schalters eine Situation entstanden, bei der eine
Neuinitialisierung der Achse zu einer Kollision führen würde, besteht die
Möglichkeit einer Notsteuerung. Dabei können mittels IEEE 488 Befehlen die
Motoren direkt angesprochen werden. Die maximale Spannung beträgt dabei 10V,
jedoch ist eine Spannung von 0,1 V-0,5 V in den meisten Fällen ausreichend. Die
Drehrichtung ist dabei von der Wahl des Vorzeichens abhängig (Bild 33).
Seite 62 6 Photometer
Bild 33: Drehrichtungen der drei Achsen bei Notsteuerung:
6.5.4 Montage der Testobjekte
Die zu messenden Testobjekte sind in der Mitte des Goniophotometers zu
montieren und auszurichten, was mittels der Justagelaser problemlos funktioniert.
Wird ein Hohllichtleiter vermessen, ist die Gesamtlänge in einzelne Teilstücke zu
unterteilen, von denen keines länger als ein Meter sein darf. Das interessierte
Teilstück wird in die Mitte der Meßeinrichtung gefahren und die restlichen
Teilstücke sind mit schwarzen Tüchern abzudunkeln. Da auch diese schwarzen
Tücher einen Teil des Lichtes reflektieren, wurde zur Bestimmung dieses
Reflektionsanteils eine Beleuchtungsstärkemessung direkt auf der
Lichtrohroberfläche durchgeführt. Nach Entfernen der Tücher sank der
gemessene Wert um 0,3%. Dieser erhöhte Lichtstrom wurde später bei der
Aufarbeitung der Eulumdat Datei berücksichtigt und entsprechend korrigiert.
6 Photometer Seite 63
6.5.5 Festlegung der Verfahrgrenzen
Bei der Messung von Testobjekten stößt entweder bei kleinen Lichtquellen der
Probenhalter an einer Stelle oder bei großen Lichtquellen wie z.B. Hohllichtleitern
das Testobjekt selbst an zwei Stellen durch die Kugeloberfläche, welche von der
Meßeinrichtung abgefahren wird. Zur Vermeidung von Kollisionen können deshalb
die Verfahrgrenzen entsprechend gewählt werden. Hierzu ist die Eingabe des
Durchmessers des Testobjektes, die zugehörige Justagetoleranzgrenze und die
Angabe des Winkels ϕ (Bild 26), in welcher die gedachte Kugeloberfläche
durchstoßen wird, notwendig (Tabelle 3).
Tabelle 3: Verfahrgrenzen
Ausdehnung des
Meßobjektes
Justagetoleranz Winkel ϕϕ
Keine
Einschränkung
-1000 0 0
Einseitiges
Meßobjekt
Ø in mm Toleranz in mm 0-170
Zweiseitiges
Meßobjekt
Ø in mm Toleranz in mm -1
Bei einseitig in den Kugeloberfläche eindringenden Meßobjekten ist nur eine
Montage im Winkelbereich von ϕ zwischen 0° und 170° möglich. Im Bereich 170°
bis 180° darf kein Meßobjekt positioniert werden, da der Sensorwagen
ausschließlich in senkrechter Stellung des Bogens verfahren werden kann und
eine Montage in diesem Bereich zur Kollision führen würde. Ein Positionierung im
Bereich von 180°-360° ist aus Sicherheitsgründen nicht zulässig, da der Bogen
seine Initialisierungsfahrt in diese Richtung beginnt. Aufgrund der eingegebenen
Daten werden Grenzwerte für ϕ und ϑ vorgegeben, die bei Bedarf jedoch manuell
geändert werden können.
Seite 64 6 Photometer
6.5.6 Interpolation von nicht erfaßten Bereichen
Aufgrund der Größen von Sensorwagen und Bogen sowie der festgelegten
Verfahrgrenzen gibt es Winkelbereiche, in die Licht ausgestrahlt wird, die aber
nicht erfaßt werden können. Beim Sensorwagen, der selbst schon ein Bogenstück
von 70° darstellt, addiert sich noch die Breite des Meßobjektes, so daß bei
Meßobjekten, die einseitig in den Kugeloberfläche hineinragen, ein Bereich von
70°<ϑ<95° nicht gemessen werden kann. Die Grenze in ϕ-Richtung gibt die Breite
des Bogens vor. Bei einem Radius von 1076 mm und einer Bogenbreite von 300
mm errechnet sich ein Winkel von 25°. Dieser Winkel vergrößert sich bei einem
maximalen Durchmesser des Meßobjektes von 500 mm auf 55°. Der gesamte
Bereich ist in Bild 34 gestreift dargestellt.
ϕ=25°-55°
ϑ= 70°-95°
Bild 34: Nicht meßbarer Bereich bei einseitigem Meßobjekt
Durchstößt das Meßobjekt den Kugeloberfläche an zwei Seiten, wie dies bei
einem Hohllichtleiter typischerweise der Fall ist, kann zwar in ϑ-Richtung ein voller
Kreis abgefahren werden, in ϕ-Richtung bleibt aber die Beschränkung durch den
Bogen. vorhanden.
6 Photometer Seite 65
ϑ = 25°-55°
Bild 35: Nicht meßbarer Bereich bei zweiseitigem Meßobjekt
Dieser Bereich ist aber deutlich größer, da er sich beinahe entlang des gesamten
Kugelumfanges erstreckt und deshalb nicht vernachlässigt werden kann. Dieser
Bereich ist in Bild 35 gestreift dargestellt. Die Auswirkungen dieser fehlenden
Bereiche können meßtechnisch ermittelt werden, indem Vergleichsmessungen an
einem Endstück eines Hohllichtleiters durchgeführt werden. Dieser kann als
einseitiges Meßobjekt vermessen werden, und nach entsprechender Festlegung
der Verfahrgrenzen, auch als zweiseitiges Meßobjekt.
Bild 36: Lichtstärkeverteilungskurven für einen Hohllichtleiter als einseitiges
Meßobjekt
Seite 66 6 Photometer
Bild 36 zeigt die Lichtstärkeverteilungskurven für einen Spaltlichtleiter als
einseitiges Meßobjekt, aus dessen Inneren der Reflektor entfernt wurde, und der
somit nur noch aus einem opalen Polycarbonatrohr bestand. In der C90-C270
Ebene ist eine deutliche Vorwärtscharakteristik zu erkennen, die ihre Ursache in
der Ausstrahlungsrichtung des Scheinwerfers hat. In der C0-C180 Ebene sieht
man dagegen eine rotationssymmetrische Lichtverteilung. Führt man dieselbe
Messung des Teilstücks nochmals durch, nur jetzt als zweiseitiges Meßobjekt,
findet man die C90-C270 Ebene nahezu unverändert vor, während die C0-C180
Ebene durch die fehlenden Meßwerte im Bereich zwischen 75° und 105° einen
deutlichen Einschnitt aufweist (Bild 37).
Bild 37: Lichtstärkeverteilungskurven für einen Hohllichtleiter als zweiseitiges
Meßobjekt
Diese Ergebnisse waren durch die Bereichsdarstellung in Bild 35 erwartet worden
und führen beim Lichtstrom des vermessenen Endstücks zu relativen Meßfehlern
von 12 %. Bei den meisten vermessenen Hohllichtleitern, die ihr Licht größtenteils
nach unten ausstrahlen, reduzierte sich diese Meßfehler zwar auf 3 % - 8 %,
konnte aber dennoch nicht vernachlässigt werden. Die Lichtstärkewerte in diesem
Bereich wurden deshalb durch Interpolation gewonnen, wobei die
6 Photometer Seite 67
Interpolationsgrenzen durch einen Vergleich der Tabellenwerte beider Messungen
erzielt wurde. Für einen kubischen Interpolationsalgorithmus wurden die
geringsten Abweichungen von den erwarteten Werten erreicht, die weniger als 1
% betrugen. Abschließend wurde der Lichtstrom aus der interpolierten
Lichtstärkeverteilung neu berechnet. In Bild 38 kann man die gute
Übereinstimmung der interpolierten Werte mit den gemessenen Werten in Bild 36
sehen.
Bild 38: Lichtstärkeverteilungskurven für einen Hohllichtleiter nach Interpolation
6.5.7 Festlegung der Meßbereiche
Das Photoelement verfügt über keine automatische Meßbereichsumschaltung.
Daher muß der Meßbereich vor der Messung manuell gewählt und sichergestellt
werden, daß dieser Bereich während der Messung nicht überschritten wird, da
sonst falsche Meßdaten aufgezeichnet werden.
Aufgrund des beschränkten Dynamikumfanges der CCD Kamera ist eine
Anpassung der Kamera an die maximal auftretenden Leuchtdichten notwendig.
Hierzu muß die Position angefahren werden, bei der die maximale Leuchtdichte
gemessen werden kann. Das Kamerabild ist dann durch die Auswahl geeigneter
Graufilter so anzupassen, daß keine Pixel übersteuert werden. Die
Seite 68 6 Photometer
Maximumsuche kann über die Software erfolgen, wobei die C-Ebene, in der
gesucht werden soll, zu wählen ist. Oft genügt jedoch eine Maximumsuche mittels
der Funk-Handsteuerung in dem betreffenden Bereich. Dabei kann der
Beleuchtungsstärkewert direkt im Display der Handsteuerung abgelesen werden.
Eine Einschätzung der Leuchtdichtewerte kann bei Betrachtung des Live Bildes
der Kamera gemacht werden, wobei übersteuerte Bereiche rot gekennzeichnet
werden und unbedingt zu vermeiden sind. Zu beachten ist, daß Maximalwerte der
Beleuchtungsstärke und der Leuchtdichte an unterschiedlichen Positionen
auftreten können.
6.5.8 Dateiformat
Die gewonnenen Meßergebnisse sollten ohne Probleme in bereits bestehende
Lichtplanungsprogramme eingebunden werden können. Für den
deutschsprachigen Raum ist das Eulumdat-Format am weitesten verbreitet /64/.
Dieses Dateiformat ist für die Berechnung von Räumen mit hohlen Lichtleitern
aber nur mit einigen Kompromissen anwendbar.
• Leuchten werden entweder als Quader oder als stehende Zylinder dargestellt,
bei denen der Lichtaustritt jeweils nach unten gerichtet ist. Hohllichtleiter sind
aber liegende Zylinder mit einem Lichtaustritt nach unten. Da die Geometrie
der Leuchte auf die Berechnung der Beleuchtungsstärken keinen Einfluß hat,
wurden die Meßobjekte als Quader definiert, deren Höhe dem Durchmesser
des Hohllichtleiters entsprach. Ist mit der Berechnung gleichzeitig eine
Visualisierung verbunden, besteht die Möglichkeit, den Hohllichtleiter als
stehenden Zylinder zu definieren und ihn anschließend im
Berechnungsprogramm zu drehen. Dabei wird aber gleichzeitig auch die
zugehörige Lichtstärkeverteilung gedreht, die folglich unabhängig von der
Leuchte in ihre ursprüngliche Richtung zurückgedreht werden muß. Damit sind
gewöhnliche Beleuchtungsplanungsprogramme oft überfordert, so daß dies nur
durch direktes Editieren der Leuchtendatei oder mit zusätzlichen
Softwareprogrammen möglich ist.
• Durch die Angabe der elektrischen Leistung der verwendeten Leuchte in der
Eulumdat-Datei kann das Planungsprogramm die spezifische Leistung in W/m²
ausrechnen. Für den Planer ist dies eine wichtige Größe zur Beurteilung der
6 Photometer Seite 69
Wirtschaftlichkeit der Beleuchtungsanlage. Zur korrekten Berechnung muß
deshalb die elektrische Leistung durch die Anzahl der Teilmessungen dividiert
werden.
• Der Betriebswirkungsgrad ηLB einer Leuchte ist definiert als das Verhältnis des
aus der Leuchte austretenden Lichtstromes zum Lichtstrom der eingesetzten
Lampe. Für Hohllichtleiter ist aber der Wirkungsgrad ηPipe interessant, der
definiert ist als das Verhältnis des aus dem gesamten Hohllichtleiter
austretenden Lichtstromes zum Lichtstrom, der aus dem eingesetzten
Projektor austritt. Für die jeweiligen Teilstücke, die vermessen werden, gilt dies
anteilig. Problematisch ist aber, daß der Lichtstrom, der in das jeweilige
Teilstück eintritt, nur für das erste Element bekannt ist. Die Möglichkeit, den
Lichtstrom des Projektors durch die Anzahl der Teilstücke zu dividieren, wurde
verworfen, da aufgrund der ungleichmäßigen Lichtstromverteilung entlang des
Hohllichtleiters (Kapitel 7) am Anfang desselben Teilwirkungsgrade von mehr
als 100% aufgetreten wären. Deshalb wurde der Lichtstrom des Projektors als
der eintretende Lichtstrom für jede Teilmessung angenommen, und der
jeweilige Teilwirkungsgrad gebildet aus dem Verhältnis von Lichtstrom des
Teilstückes zu dem Lichtstrom des Projektors. Der Gesamtwirkungsgrad
berechnet sich dann durch einfache Addition der Teilwirkungsgrade. Zu
beachten ist, daß einige Planungsprogramme den gesamten eingesetzten
Lichtstrom angeben, und daß dieser Wert um einen Faktor zu groß ist, der der
Anzahl der Teilmessungen entspricht.
Seite 70 7 Messergebnisse
7 Messergebnisse
Im Verlauf des ARTHELIO Projektes wurden eine Vielzahl unterschiedlicher
Hohllichtleitersysteme vermessen. Folgende Parameter wurden variiert: Aufbau
(Spaltlichtleiter oder Prismenlichtleiter), Länge (4 m - 20 m), Durchmesser (10 cm -
30 cm) und Lichtaustrittsfenster (90 ° - 180 °). Außerdem wurden unterschiedliche
Lichteinspeisungen eingesetzt und der Einfluß des Rohrendes (Endspiegel, zweite
Einspeisung) untersucht. Die auffälligsten Meßergebnisse werden im folgenden
dargestellt.
7.1 Lichtstärkeverteilungen
Die Lichtstärkeverteilung (LVK) der gemessenen Teilstücke kann sehr
unterschiedlich sein. Es finden sich sowohl breitstrahlende LVK`s, die den
Batwing-Verteilungen von Spiegelrasterleuchten ähneln, als auch tiefstrahlende
LVK`s wie man sie typischerweise bei Downlights vorfindet. Hierbei ist zunächst
die Größe des Lichtaustrittsfensters bestimmend, das den maximalen
Ausstrahlungswinkel vorgibt. Aber auch die Extraktorbreite der Prismenlichtleiter
haben einen Einfluß auf die Lichtstärkeverteilung. So konnte bei Hohllichtleitern
mit einem Durchmesser von 25 cm und einem Lichtaustrittsfenster von 180 ° eine
deutliche Änderung der Ausstrahlungscharakteristik festgestellt werden, von
breitstrahlend am Anfang des Hohllichtleiters zu tiefstrahlend an dessen Ende
(Bild 39).
Bild 39: Beispiele für extrem sich ändernde LVK's an Hohllichtleitern
7 Messergebnisse Seite 71
Eine solche Tendenz konnte, wenn auch in abgeschwächter Form, für alle
gemessenen Hohllichtleitersysteme festgestellt werden. Ebenso haben alle
untersuchten Systeme eine klare Vorwärtscharakteristik, hervorgerufen durch die
Lichteinspeisung. Diese Charakteristik schwächt sich mit zunehmender Länge ab,
ist ab ca. 2/3 der Lichtrohrlänge nicht mehr vorhanden und kann sich in der Nähe
des Endspiegels umkehren. Durch diese Änderung in der Lichtstärkeverteilung
machen auch Messungen der Beleuchtungsstärke direkt unter dem Hohllichtleiter
keinen Sinn, mit denen in der Literatur teilweise versucht wird, Aussagen über den
Lichtstrom, den Wirkungsgrad und die Gleichmäßigkeit dieser Systeme zu
machen.
Die gemessenen Lichtstärkeverteilungen wurden für die Beleuchtungsstärke-
berechnungen mit Lichtplanungsprogrammen eingesetzt und mit gemessenen
Beleuchtungsstärkewerten in Testräumen verglichen /32/,/38/. Dabei wurden nur
geringe Abweichungen zwischen gemessenen und berechneten Werten von 5 % -
10 % im zentralen Bereich des Raumes festgestellt, was ein weiteres Zeichen für
die geringe Meßunsicherheit der Meßwerte ist.
7.2 Lichtstrom
Von besonderem Interesse ist bei Hohllichtleitersystemen die Verteilung des
Lichtstromes über die Strahlerlänge. Hierbei wird ein möglichst gleichmäßiges
Auskoppeln des Lichtstromes angestrebt, wie dies bei konventionellen
Lichtbändern der Fall ist. Daher wurden zunächst Untersuchungen an
prismatischen Hohllichtleitern mit 25 cm Durchmesser und einseitiger
Lichteinspeisung durchgeführt. Es wurden Längen zwischen 4 m und 20 m
vermessen, die aus 12 verschiedenen 2 m langen Modulen zusammengesetzt
werden konnten.
Seite 72 7 Messergebnisse
Tabelle 4: Zusammensetzung der modularen Hohllichtleiter
Modulnummer
Länge
123456789101112
4m x x
6m xxx
8m xxxx
10m xxxxx
12m xxxxxx
16m xxxxxxxx
20m xxxxxxxxxx
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Länge in m
Teillichtstrom in lm
Bild 40: Ausgekoppelter Teillichtstrom in Abhängigkeit der Länge für modulare
Hohllichtleiter
In Bild 40 sieht man bei allen untersuchten Typen einen erhöhten Lichtstrom am
Anfang des Rohres. Ursache hierfür ist Strahlung der Lichtquelle außerhalb des
Akzeptanzwinkels der Prismenfolie, die unabhängig vom Extraktor den
7 Messergebnisse Seite 73
Hohllichtleiter verläßt. Der extreme Unterschied mit bis zu 3600 lm zwischen den
ersten beiden Teillichtströmen der Lichtrohre mit den Längen 4 m, 6 m und 8 m
bedeutet eine Differenz von 27 % und hat seine Ursache auch in dem modularen
Aufbau des Systems. Eine exakte Anpassung der Extraktorfläche an die
Lichtrohrlänge führt zu wesentlich besseren Ergebnissen, wie die Ergebnisse für
ein Rohrsystem mit 10 cm Durchmesser und mit einem Lichtaustrittsfenster von
180° zeigen (Bild 41). Hier beträgt der Unterschied der ersten beiden Teilstücke
nur 8 % bei 6 m Länge und einseitiger Einspeisung. Auch das 12 m lange
Lichtrohr mit zweiseitiger Einspeisung erreicht eine gute Gleichmäßigkeit, was zu
erwarten war, da es sich um zwei Rohre mit 6 m Länge handelt, die verbunden
wurden. Problematisch ist bei dieser Meßreihe das 6 m lange Rohr mit
bidirektionaler Einspeisung sowie das 18 m lange Lichtrohr, welches aus drei 6 m
Stücken zusammengesetzt ist: Ein bidirektionales Rohr in der Mitte und zwei
monodirektionale Rohre an den Enden. Hier wird deutlich, daß die beiden
Endrohre zuviel Licht auskoppeln und im Mittelteil deshalb nicht mehr genügend
Lichtstrom zur Verfügung steht.
0
500
1000
1500
2000
2500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Länge in m
Lichtstrom in lm
6m mono 6m bid 12m bid 18m bid
Bild 41: Ausgekoppelter Teillichtstrom unterschiedlicher Hohllichtleiter mit 10 cm
Durchmesser
Seite 74 7 Messergebnisse
Dennoch wird mit dem modularen System ab ca. 10 m Länge eine akzeptable
Gleichmäßigkeit erreicht. Die Werte für 14 m Länge und 18 m Länge wurden nicht
gemessen, sondern können aus den vorliegenden Daten interpoliert werden. Für
die Anwendung von Hohllichtleitersystemen ist diese Ungleichmäßigkeit kein
gravierender Nachteil. Da es nur selten Räume gibt, die eine gleichmäßige
Beleuchtung über ihre gesamte Fläche benötigen, ist vielmehr die Kenntnis dieser
Lichtstromverteilung vorteilhaft, um bestimmte Raumzonen zu akzentuieren.
Bei monodirektionalen Systemen wird am Ende des Lichtrohres häufig ein Spiegel
montiert, der Licht, welches ohne Reflexion direkt auf den Spiegel fällt, in Richtung
Lichteinspeisung reflektiert, damit diese auf dem Weg dorthin ausgekoppelt
werden kann. In Bild 42 sieht man, daß der Einfluß des Endspiegels auf die
Lichtstromverteilung nur im hinteren Bereich des Hohllichtleiters bemerkbar ist und
dort zur gewünschten Anhebung des ausgekoppelten Lichtstromes führt.
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
123456789101112
Länge in m
Lichtstrom in lm
Endspiegel Ohne Spiegel
Bild 42: Einfluß des Endspiegels auf den ausgekoppelten Lichtstrom
Während der Endspiegel das hintere Ende des Hohllichtleiters beeinflußt, ist die
Lichtstärkeverteilung des einspeisenden Strahlers für den Lichtaustritt am Anfang
7 Messergebnisse Seite 75
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Länge in m
Lichtstrom in lm
HIT-DE MS T25 Schwefel
Bild 43: Ausgekoppelter Teillichtstrom für drei verschiedene Lichteinspeisungen
des Rohres bestimmend. In Bild 43 sieht man die Ergebnisse für einen 12 m
langen prismatischen Hohllichtleiter von 25 cm Durchmesser, der mit drei
verschiedenen Strahlern betrieben worden ist. Eine Schwefellampe mit 1400 W
elektrischer Leistung und zwei Halogenmetalldampflampen mit je 1000 W
elektrischer Leistung vom Typ HIT-DE und MS T25. Die beiden
Halogenmetalldampflampen waren in unterschiedlichen Strahlertypen eingebaut.
Es ist deutlich der höhere Lichtstrom in Segment 1 zu erkennen, der beim Strahler
mit der HIT Lampe ausgekoppelt wird. Die Ursache hierfür liegt in der LVK des
betreffenden Strahlers, die einen größeren Anteil von Licht enthält, der außerhalb
des Akteptanzwinkels der Folie liegt (Bild 44). Die Lichtstärkeverteilungskurve der
Schwefellampe zeigt einen wesentlich kleineren Winkelbereich in den das Licht
ausgestrahlt wird und der daher besser zum Akzeptanzwinkel der Prismenfolie
paßt (Bild 45). Im weiteren verlaufen die Kurven parallel zur Kurve der
Schwefellampe, die jedoch einen deutlich höheren Lichtstrom emittiert.
Seite 76 7 Messergebnisse
Bild 44: Lichtstärkeverteilungskurve für Strahler mit HIT-DE Lampe
Bild 45: Lichtstärkeverteilungskurve für die Schwefellampe
7 Messergebnisse Seite 77
7.3 Wirkungsgrade
Da die untersuchten Hohllichtleitersyteme mit verschiedenen Strahlern betrieben
werden können, werden im wesentlichen nur Aussagen über den Wirkungsgrad
des Lichtrohres ηpipe gemacht. Will man zu einer Aussage über den
Gesamtwirkungsgrad eines solchen Systems kommen, muß der
Lichtrohrwirkungsgrad mit dem Leuchtenbetriebswirkungsgrad des speisenden
Strahlers multipliziert werden. Gerade bei der Schwefellampe ist dies jedoch nicht
möglich, da der Hersteller einen Betrieb ohne den Reflektor verbietet /28/. Deshalb
wird teilweise eine Darstellung in lm/W angegeben, die einen Vergleich mit
herkömmlichen Beleuchtungsanlagen ermöglicht. Tabelle 5 zeigt die
Wirkungsgrade der modular aufgebauten Hohllichtleiter. Zwischen den Systemen
mit Lichtaustrittsfenstern von 90° und 180° sind nur geringe Unterschiede
festzustellen, die meistens innerhalb der Meßunsicherheiten liegen. Bei beiden
Typen ist eine Tendenz zu geringeren Wirkungsgraden bei größeren
Systemlängen zu erkennen, die sich aus der größeren Anzahl der Reflexionen
erklärten. Eine Ausnahme bildet das 10 m lange System, welches im Vergleich zu
dem 8 m System und dem 12 m System abfällt.
Tabelle 5: Meßwerte des Wirkungsgrades ηpipe für unterschiedliche
prismatische Hohllichtleiter mit 25 cm Durchmesser und
Lichtaustrittsfenstern von 90° und 180°
4 m6 m8 m10 m12 m16 m20 m
90° 80 % 83 % 83 % 77 % 82 % 79 % 78 %
180° 81 % 82 % 81 % 78 % 80 % 75 % 75 %
Messungen an Hohllichtleitern mit 10 cm Durchmesser zeigen einen deutlichen
Unterschied bei verschiedenen Lichtaustrittsfenstern. In Tabelle 6 sind die
Ergebnisse für ein 6 m langes System dargestellt.
Seite 78 7 Messergebnisse
Tabelle 6: Meßwerte des Wirkungsgrades ηpipe für prismatische
Hohllichtleiter mit 6m Länge, 10 cm Durchmesser und
Lichtaustrittsfenstern von 90° , 120°und 180°
70 W Strahler 100 W Strahler
90° 51 % 57 %
120° 42 % 50 &
180° 50 % 59 %
Während zwischen 90° und 180° keine großen Differenzen festzustellen sind, geht
der Wirkungsgrad bei 120° um ca. 10% zurück. Auch erkennt man den Einfluß des
Strahlers. Die Wirkungsgrade des 100 W Strahlers liegen um 6 % -9 % höher als
beim 70 W Strahler. Insgesamt liegen diese Werte aber deutlich unter den
vergleichbaren Daten für das System mit 25 cm Durchmesser. Erst wurde ein
Zusammenhang mit der größeren Anzahl der Reflexionen in dem kleineren Rohr
vermutet. Die Ursache liegt aber tatsächlich in der Ausführung des Extraktors, der
vom Hersteller geändert wurde und nach einer zweiten Meßreihe zu wesentlich
besseren Ergebnissen führt (Tabelle 7). Das System mit 120° Lichtaustrittsfenster
wurde dabei nicht mehr berücksichtigt.
Tabelle 7: Wirkungsgrade ηpipe für prismatische Hohllichtleiter mit 10 cm
Durchmesser und Lichtaustrittsfenstern von 90° und 180°
6 m
mono1
6 m
bid2
12 m
bid2
18m
bid2
90° 77 %76 %69 %*-
180°81 % 88 % 85 % 78 %*
*Austausch von Vorschaltgeräte und Lampe während der Messreihe
1: mono= einseitige Lichteinspeisung
2: bid = zweiseitige Lichteinspeisung
7 Messergebnisse Seite 79
Die Wirkungsgrade liegen mit der verbesserten Ausführung nun in der gleichen
Größenordnung wie bei den 25 cm Lichtrohren. Ein Abfall wird bei dem 18 m
langen System deutlich. Die Ursache liegt hier in der Zusammensetzung des
Lichtrohres aus den drei 6 m langen Einzelstücken. Zu beachten ist, daß bei
dieser Meßreihe und bei der 12 m Messung mit 90° Lichtaustrittsfenster je ein
Vorschaltgerät und eine Lampe getauscht wurden. Auffällig ist, daß fast alle
gemessenen prismatischen Hohllichtleiter-Typen einen höheren Wirkungsgrad
haben, als dies mit einer einfachen Berechnung nach Whitehead und Hoffmann
/75/ zu erwarten war. Entweder sind die Annahmen in der Berechnung zu
pessimistisch oder die verwendeten Materialien haben sich verbessert.
Zur besseren Vergleichbarkeit verschiedener Hohllichtleiter wurden Systeme mit
ca. 6 m Länge unterschiedlicher Typen untersucht (Tabelle 8). Zunächst fällt auf,
daß der Spaltlichtleiter einen deutlich schlechteren Lichtrohrwirkungsgrad aufweist
als die Systeme mit Prismenfolie. Hier wirkt sich der niedrigere Reflexionsgrad des
Aluminiums aus, das als Reflektormaterial verwendet wurde. Auch der
Leuchtenbetriebswirkungsgrad der Einspeisung liegt mit 52 % recht niedrig, so
daß der Gesamtwirkungsgrad auf 29 % sinkt. Auch bei dem System mit der
1000W Lampe vom Typ HIT-DE liegt der Leuchtenbetriebswirkungsgrad mit 53 %
recht niedrig, aber ein höherer Lichtrohrwirkungsgrad führt zu einem besseren
Gesamtergebnis. Reflektorlampen, die zur Zeit in Leistungsstufen bis 150 W
hergestellt werden, bieten eine ideale Lichtquelle für Hohllichtleiter.
Tabelle 8: Wirkungsgrade für Hohllichtleiter
Prismenfolie
5m, ø 25cm
Schwefellampe
1400W
Prismenfolie
6m, ø 25cm
HIT-DE Lampe
1000W
Prismenfolie
6m ø 10cm
HIT-R Lampe
100W
Spaltlichtleiter
5,4m ø 23cm
HIT Lampe
400W
ηpipe 66 % 83 % 81 % 56 %
ηLB -53 % 86 % 52 %
ηGesamt -44 % 70 % 29 %
lm/W 57 33 42 21
Seite 80 7 Messergebnisse
Aufgrund der kleinen Abmessungen läßt sich das Licht sehr gut bündeln und mit
nur geringen Verlusten in den Hohllichtleiter einspeisen. Ein Gesamtwirkungsgrad
von 70 % ist sogar im Vergleich mit konventionellen Beleuchtungsanlagen ein sehr
guter Wert.
Für das System mit der Schwefellampe kann kein Betriebswirkungsgrad
angegeben werden, 66 % Lichtrohrwirkungsgrad weisen aber darauf hin, daß
dieser Typ von Hohllichtleiter nicht optimal konfiguriert ist. Dennoch wird eine
beachtliche Lichtausbeute von 57 lm/W erreicht. Diese liegt deutlich über den
anderen vermessenen Systemen und macht deutlich, wie gut dieser Lampentyp
für den Einsatz mit Hohllichtleitern geeignet wäre.
8 Ausblick Seite 81
8 Ausblick
Hohllichtleitersysteme haben meistens einen niedrigeren Wirkungsgrad als
vergleichbare konventionelle Beleuchtungsanlagen und damit verbunden auch
höhere Betriebskosten /57/. Diesen Nachteil können sie teilweise durch geringere
Wartungskosten ausgleichen. Die Wartungskosten entstehen durch den Wechsel
der Lampen am Lebensdauerende oder auch durch notwendige Reinigungen der
Beleuchtungsanlage und können in schwierigen Situationen, wenn Gerüste oder
Steiger eingesetzt werden müssen, enorme Kosten verursachen. Diese Kosten
können sich durch eventuelle Betriebsbeeinträchtigungen während der
Wartungsarbeiten weiter erhöhen und im Extremfall die Kosten für die Installation
der Lichtrohre und die Energiekosten für deren Betrieb um ein vielfaches
überschreiten. Typische Gebäude sind Produktionshallen mit großen Höhen,
Eingangsbereiche und Foyers von repräsentativen Bürogebäuden und Hotels.
Schwierige Wartungsarbeiten können auch in Sporthallen und bei
Beleuchtungsanlagen über Wasserflächen in Schwimm- und Hallenbädern
auftreten (Bild 46). Bei diesen Gebäuden ist es in vielen Fällen möglich, die
Anzahl der Lampen und damit die Wartungskosten für den Lampenwechsel
deutlich zu reduzieren. Im günstigsten Falle können die Lampen sogar in Bereiche
verlagert werden, die ohne große Probleme erreichbar sind.
Bild 46: Hohllichtleiterinstallation in einem Schwimmbad /68/
Seite 82 8 Ausblick
Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Beleuchtung von Räumen für spezielle
Einsatzbereiche. Hierzu zählen Kühlhäuser, bei denen es möglich ist, einen
großen Teil der Wärme, die bei der Lichterzeugung entsteht, außerhalb des
Kühlraumes abzuleiten (Bild 47). Bei explosionsgeschützten Räumen können
sämtliche elektrische Bauteile außerhalb des gefährdeten Bereichs angeordnet
werden, was eine Erhöhung der Sicherheit in diesen Räumen bedeutet. Das
gleiche gilt für feuchte und nasse Räume wie z.B. Waschstraßen oder
Schwimmbäder. Auch in Reinräumen, wo kein Staub entstehen darf, können die
Lampen außerhalb des Raumes montiert werden.
Bild 47: Kühlhaus mit Hohllichtleiter /1/
Neben wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Aspekten spielt die Einbindung
von Beleuchtungsanlagen in die Architektur des Gebäudes eine wichtige Rolle.
Bei passenden Bauvorhaben können hohle Lichtleiter mit ihren großen
Abmessungen eine interessante Alternative zu bekannten Lösungen darstellen
(Bild 48).
8 Ausblick Seite 83
Bild 48: Hohllichtleiterinstallation in einem Foyer
In neuerer Zeit ist die Nutzung des Sonnenlichtes in Kombination mit hohlen
Lichtleitern immer wichtiger geworden. Über Heliostaten kann das Sonnenlicht in
die Lichtrohre gelenkt werden und steht zur Beleuchtung von Räumen zur
Verfügung, wo das Sonnenlicht sonst auf direktem Weg nicht hingelangt /60/.
Hierbei sind nicht nur energetische Gesichtspunkte zu berücksichtigen, sondern
auch die Qualität des Sonnenlichtes, das den visuellen Komfort dieser Räume
positiv beeinflussen kann.
Für den kombinierten Einsatz von Kunst- und Sonnenlicht sollen die
Demonstrationsanlagen, die im Laufe des ARTHELIO-Projektes realisiert werden,
effiziente Lösungen bieten.
Der ARTHELIO-Prototyp 1 wird in einem bestehenden 3M-Fabrikgebäude in
Carpiano/Italien installiert. Das Tageslicht wird über einen 1-achsig der Sonne
nachgeführten Heliostatenkopf vom Dach des Gebäudes durch ein
hochreflektierendes Rohr über 10 m in eine tiefergelegene Fabrikhalle geleitet. In
Abhängigkeit von den Tageslichtverhältnissen wird Kunstlicht über horizontale
Seite 84 8 Ausblick
Lichtrohre und elektronisch verfahrbare Schatter dosiert in die tageslichtgefluteten
Zonen transportiert.
Der zweite ARTHELIO-Prototyp wird zur Tageslichtbeleuchtung eines fenster-
losen Treppenhauses im Gebäude der Firma Semperlux in Berlin aufgebaut /55/.
Das auf den 2-achsig nachgeführten Heliostatenspiegel auftreffende Sonnenlicht
wird mit Hilfe von vier Fresnellinsen fokussiert und über Parabolreflektoren ins Ge-
bäudeinnere gelenkt. In einer Mischeinheit wird je nach Sonnenlichtangebot
Kunstlicht ergänzt. Das kombinierte Kunst-Sonnenlichtgemisch wird auf zwei
vertikale Hohllichtleiter aufgeteilt, die das Treppenhaus über drei Stockwerke
gleichmäßig beleuchten (Bild 49).
Bild 49: ARTHELIO-Demonstrationsanlage 2
Beide Demonstrationsanlagen werden mit einem Meßsystem zum
Langzeitmonitoring der erreichten Beleuchtungsstärken in den jeweiligen
Nutzebenen ausgerüstet. Gleichzeitig werden die Betriebsparameter der
Kunstlichtquellen sowie die Stellungen von Mischeinheit und Shuttern registriert,
so daß ein Vergleich mit den zuvor errechneten Werten möglich ist.
9 Zusammenfassung Seite 85
9 Zusammenfassung
Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern können eine interessante Alternative zu
bekannten Beleuchtungslösungen darstellen und haben sich in einem Teilbereich
der Lichttechnik fest etabliert. Durch die stete Weiterentwicklung von Materialien
und Lichtquellen wurde die Effizienz von Hohllichtleitersystemen kontinuierlich
verbessert und es werden heute Wirkungsgrade erreicht, die mit denen einfacher
konventioneller Leuchten vergleichbar sind. Einer weiteren Verbreitung von hohlen
Lichtleitern stand der Mangel an lichttechnischen Daten im Wege, die für die
Lichtplanung notwendig sind. Aufgrund der großen Längen von Hohllichtleitern
war das Messen des Lichtstromes und der Lichtstärkeverteilung mit
herkömmlichen Meßmethoden nicht möglich.
Für dieses Problem wurde eine Lösung entwickelt und ein Meßaufbau realisiert.
Das Meßsystem arbeitet auf Basis einer bildauflösenden CCD-Kamera, die die
Messung der Lichtstärkeverteilung innerhalb der photometrischen
Grenzentfernung erlaubt. Dieses erste Goniophotometer für Hohllichtleiter
ermöglicht die abschnittsweise Messung von hohlen Lichtleitern, wobei sowohl die
Messung der Lichtstärkeverteilung als Grundlage der Beleuchtungsberechnung
mit Lichtplanungsprogrammen möglich ist, wie auch die Bestimmung des
Lichtstromes, der wichtige Aussagen über den Wirkungsgrad von
Hohllichtleitersystemen liefert.
Die erzielten Meßwerte zeichnen sich durch geringe Meßunsicherheiten und eine
hohe Reproduzierbarkeit aus.
Die gemessenen lichttechnische Daten können problemlos in bestehende
Lichtberechnungsprogramme eingebunden werden. Vergleiche zwischen
berechneten Beleuchtungsstärken und in Testräumen gemessenen
Beleuchtungsstärken ergeben Abweichungen, die im Rahmen der Rechen-
genauigkeit dieser Programme liegt.
Bereits während dieser Arbeit konnten Meßergebnisse, die mit dem
Goniophotometer gewonnen wurden, zur Verbesserung von Hohllichtleitersystem
genutzt werden.
Als problematisch wurde zunächst die Meßdauer von ca. zwei Stunden je
Hohllichtleiter-Teilstück angesehen. Da die Messung jedoch automatisch abläuft
Seite 86 9 Zusammenfassung
und der Bediener aufgrund der hohen Zuverlässigkeit während der Messung nicht
eingreifen muß, erwies sich die lange Meßzeit als unkritisch.
Das neue Goniophotometer ist zum Patent angemeldet und das Deutsche Patent-
und Markenamt hat am 10.8.2000 die Offenlegungsschrift herausgegeben /31/.
10 Literatur Seite 87
10 Literatur
/1/3M Lighting; Produktinformationen "Throwing new light on the future", 2000
/2/Aizenberg, J. B., Aleshina, N. A., Pjatigorskij, V. M.; Arched Hollow Light
Guides at the Chkalovskaya Moscow Subway Station; Light & Engineering,
Vol. 4, No. 3, 1996
/3/Aizenberg, J. B., Buchman, G. B., Pjatigorskij, V. M., Korobko, A. A.;
Beleuchtungsanlagen mit Schlitzlichtleitern; Licht 7-8/ 1992
/4/Aizenberg, J. B., Bukhman, G. B., Pjatigorskij, V.M.; A New Principle of
Lighting Premises by Means of the Illuminating Devices With the Slit
Lightguides; CIE Publication No. 36, S. 412-425, 1975
/5/Aizenberg, J. B., Korobko, A. A., Pjatigorskij, W. M., Buob, W., Signer, R.;
Ein Beleuchtungssystem mit hohlen Lichtwellenleitern für das richtige Licht
zum Lernen - Teil 1; Licht 6 / 97 Teil 2; Licht 10/97
/6/Aizenberg, J. B., Korobko, A. A., Hollow Light Guides Based On Prismatic
Total-Internal-Reflektion Film (A Review); Light & Engineering Vol. 2, No. 4,
S. 4-8, 1994
/7/Ashdown, I.; Near Field Photometry In Practice; IESNA, Annual Conference
1993, Houston, S 413-425
/8/Ashdown, I.; Near Field Photometry: A New Approch; Journal of the IES,
Winter 1993 S. 163-180
/9/Ashdown, I.; Near-field photometric method and apparatus; U.S. Patent Nr.
5253036
/10/Ashdown, I.; Solving The Near-Field Problem; Lighting Magazine 6, 1992, S
38-40.
/11/Boyce, P. R., Eklund, N. H.; An Evaluation of Subway Platform Lighting
Using the Solar 1000 Sulphur Lamp; Lighting Research Center, Rensselaer
Polytechnic Institute, Troy, New York, 1997
/12/Bradford,R. A., Stannard, S.; Refinements to Application Distance
Photometry; IESNA, Annual Papers, 1991, S 241-273
/13/CIE TC 3-30; Hollow Light Guides Technical Publication; Hollow Light guide
Technology and Applications; 1999
Seite 88 10 Literatur
/14/CIE-Publ. 13.2; Verfahren zur Messung und Kennzeichnung der
Farbwiedergabe-Eigenschaften von Lichtquellen; 1988
/15/Cobb,Jr.; Totally internally reflecting light conduit has structured outer
surface including linear array of right-angle isosceles prism arranged side-
by-side to form grooves; US Patent 4805984; April 1989
/16/DIN 5032, Teil 6; Lichtmessung, Photometer, Begriffe, Eigenschaften und
deren Kennzeichnung
/17/DIN 5032, Teil 7; Lichtmessung, Klasseneinteilung von Beleuchtungsstärke
und Leuchtdichtemeßgeräten
/18/DIN 5035 Teil 1 Beleuchtung mit künstlichem Licht Begriffe und allgemeine
Anforderungen
/19/Dolan, J. T., Ury, M. G., Wood, C. H.; A Novel High Efficiacy Microwave
Powered Light Source; Sixth International Symposium on the Science and
Technology of Light Sources, Technical University of Budapest ,1992
/20/Eklund, N. H., Boyce, P. R.; A Comparison of a Solar 1000 Sulphur Lamp
Installation and Conventional Fluorescent Installations in Two Similar Post
Terminals; Lighting Research Center, Rensselaer Polytechnic Institute,
Troy, New York, 1997/
/21/Fischbach, I., Riemann, M., Schmidt, F.; Zur Leistungsfähigkeit der
Messung von Lichtstärkeverteilungskurven mittels bildauflösender
Fotometrie; Licht 7-8 1995 S 640-645
/22/Fischbach, I., Krüger, U.; Erfassung photometrisch richtiger Daten mit CCD-
Kameras; 43. Intern. Wiss. Kolloquium d. TU Ilmenau, 21.-24.9.97, Band 1,
S.658-664, 1998
/23/Föhlich, W.; Neue Erfahrungen mit einem Autokollimationsphotometer in
Verbindung mit einem Si-Photoelement; Licht´86, Lichttechnische
Gemeinschaftstagung Baden, Tagungsband S. 330-340
/24/Föhlich, W., Schelzke, E.; Lichttechnische Meßmöglichkeiten mit einem
Goniophotometer mit drehbaren Raster-Photometerkopf. Licht 11/1981
/25/Franck, K.; A Method of Testing and Evaluating Fluorescent Luminaires;
Illuminating Engineering, Dezember 1950, S. 763-770
/26/Gerthsen, C., Kneser, H.O, Vogel, H.; Physik, Springer Verlag, 16. Auflage
1992, S 456-457
10 Literatur Seite 89
/27/Horn, C. E., Little, W. F., Salter, E. H.; Relation of Distance to Candlepower
Distribution From Fluorescent Luminaires; Illuminating Engineering,
February 1952, S.99-104
/28/IKL/ CELSIUS GROUP; Light DriveTM 1000 type 1400-E2/1; Installations
and Operation Manual; 06.03.1998
/29/Kaase,H.; Aydinli, S.; Jakobiak, R.; u.A.; Bericht zum Forschungsprojekt
"Tagelichtnutzung in Gebäuden"; BMBF Förderkennzeichen 29037B; 2000
/30/Khazanov, V.S.; Shishov, D.M.; Method and Equipment for Measuring Light
Guide Luminous Flux; Svetoteknika No. 11, S. 9,10, 1981
/31/Kaase, H.; Kloss, S.-H.; Müller,T.; Rosemann, A.; Czibula, G.; Klimroth; M.;
Gerät zur Messung des Lichtstromes und der Lichtstärkeverteilung,
Offenlegungsschrift DE 199935761A1, Deutsches Patent- und Markenamt
/32/Kiwull, N.; Evaluierung der Einbindung von LVK-Meßdaten ausgewählter
Hohllichtleiter in Beleuchtungsplanungsproramme; Diplomarbeit Institut für
Elektronik und Lichttechnik, TU-Berlin 2000; noch nicht veröffentlicht.
/33/Kloss, S.-H.; Nah- und Fernfeldphotometrie: Vergleichende
Untersuchungen und Anwendung in der Beleuchtungsberechnung von
Innenräumen.; Diplomarbeit, Technische Universität Berlin 1995
/34/Kloss, S.-H., Müller, T., Rosemann, A., Steinwandt, C., Kaase, H.;
Photometrische und spektrale Eigenschaften der Schwefellampe;
Tagungsband OTTI - Fünftes Symposium Innovative Lichttechnik in
Gebäuden, Kloster Banz, 1999, S. 223-228
/35/Lautzenheiser, T., Weller, G., Stannard, S.; Photometry for near field
applications; Journal of the IES, January 1984, S.262-269
/36/LBM Lichtleit-Fasertechnik; Produktinformationen; 1999
/37/Leuthold, B.; Die Photometrie von Beleuchtungsanlagen mit hohlen
Lichtleitern; Diplomarbeit FH Köln Fachbereich Photoingenieurwesen 1994
/38/Leuthold, B.; Untersuchungen der Firma Siteco; persönliche Mitteilung Juni
2000
/39/Lewin, I.,Laird, R., Carruthers, B.; Develpomentof New Photometer
Concepts for Quality Control Applications; Journal of the IES, Summer
1990, S.90-97
/40/Marx, P.; Lichtstromintegrator; Deutsches Patent Nr.: 1928815
Seite 90 10 Literatur
/41/Marx, P.; Exzenter-Drehspiegelsystem zur Lichtmessung; Deutsches Patent
Nr. 38 02 115
/42/Mistrick, R. G., English, C. R.; A Study of Near-Field Indirect Lighting
Calculations; Journal of the IES, Summer 1990, S.103-112
/43/Müller, T., Kloss, S.-H., Rosemann, A., Kaase, H.; ARTHELIO - Ein
Europäisches Forschungsprojekt zur kombinierten Nutzung von Tageslicht
und dem Kunstlicht der Schwefellampe in Gebäuden; Tagungsband OTTI -
Fünftes Symposium Innovative Lichttechnik in Gebäuden, Kloster Banz,
1999, S. 34-40
/44/Ngai, P. Y.; On Near-Field Photometry; Journal of the IES, Summer 1987,
S. 129-136
/45/Ngai, P., Zhang, F.G., Zhang, J.X.; Near Field Photometry: Measurement
and Application for Fluorescent Luminaires; IESNA, N.Y., Annual Papers
1991, S. 274-315
/46/Qi, N.,Ayers, M.J., Butcher, G., Carter, D.J.; Discrete emitters for remote-
source lighting systems; Lighting Research and Technologies,Vol.28, S 53-
58, 1996
/47/Pearson, H.; Piping light with acrylic materials; Modern Plastics, August
1946, S. 123-127
/48/PRC Krochmann GmbH, Meßprotokoll Photometerkopf vom 18.05.1998
/49/Pritchard, E. H., Simons, R. H.; High-speed photometer for measuring light
intensity distributions; Lighting Research and Technologies 24(2) 107-111
1992
/50/Rattunde, R.,Stolzenberg, K.; Das neue Goniophotometer mit Drehspiegel
am Institut für Lichttechnik der Technischen Universität Berlin; LICHT 3-
4/1989, S250-253
/51/Rea, M.S., Jeffrey I.G.; A new Luminace and Image Analysis System for
Lighting and Vision; JOURNAL of the Illuminating Engeneering Society
Winter 1990 S. 64-72
/52/Riemann, M., Schmidt, F., Poschmann, R.; Verfahren und Anordnung zur
Messung der Lichtstärkeverteilung von Leuchten und Lampen; Patentschrift
DE4110574 C2; Deutsches Patent- und Markenamt
10 Literatur Seite 91
/53/Riemann, M., Schmidt, F., Poschmann, R.; Zur Bestimmung der
Lichtstärkeverteilung von Leuchten innerhalb der fotometrischen
Grenzentfernung mittels eines bildauflösenden Goniofotometer.; Licht 7-8
1993 S. 592-597
/54/Rosemann, A., Kloss, S.-H., Müller, T., Kaase, H.; Hohllichtleiter mit
kombinierter Tages- und Kunstlichteinkopplung - Demonstrationsanlage an
der TU Berlin; Tagungsband OTTI - Sechstes Symposium Innovative
Lichttechnik in Gebäuden, Kloster Banz, 2000
/55/Rosemann, A., Eine energieoptimierte und umweltfreundliche
Hohllichtleiterbeleuchtungsanlage mit Tageslichteinkopplung, Dissertation
TU Berlin , Fachgebiet Lichttechnik noch nicht veröffentlicht
/56/Saxe, S. G.; Prismatic Film Light Guides: Performance and Recent
Developments; Solar Energy Materials, Vol. 19, 1989
/57/Schmidt, J.; Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen an Beleuchtungssystemen
mit Hohllichtleitern; Studienarbeit Institut für Elektronik und Lichttechnik,
TU-Berlin 2000
/58/Schüßler, J.; CCD Videotechnik und Bildverarbeitung in der Photometrie;
Licht 92 Gemeinschaftstagung der Lichttechnischen Gesellschaften
Deutschlands, der Niederlande, Österreichs und der Schweiz.Tagungsband
S. 216-233
/59/Semperlux AG; Projektinformationen Gerichtsgebäude Littenstr. Berlin
/60/Shao, L., Riffat, S. B., Hicks, W., Yohannes, I.; A Study Performance of
Light Pipes Under Cloudy and Sunny Conditions in the UK; Right Light 4,
Vol. 1, 1997
/61/Siminovitch, M., Gould, C., Page, E.; A High-Efficiency Indirect Lighting
System Utilizing the Solar 1000 Sulfur Lamp; Right-Light 4 Conference,
Copenhagen, Denmark, 1997
/62/Stannard, S., Brass, J.; Application Distance Photometry; Journal of the
IES, Winter 1990, S. 39-46
/63/Stefanov, E., Riemann, M.; V(Lambda) Anpassung von bildauflösenden
Lichtmeßgeräten; Licht 94 Gemeinschaftstagung der Lichttechnischen
Gesellschaften Deutschlands, der Niederlande, Österreichs und der
Schweiz. Tagungsband S. 797-811
Seite 92 10 Literatur
/64/Stockmar, A.; Eulumdat - Ein Leuchten-Datenformat für den europäischen
Beleuchtungsplaner; Licht 90, Tagungsband der 9. Gemeinschaftstagung
der Lichttechnischen Gesellschaften in
/65/Takhashi, S., Okads, S., Katsuto, F.; Development of luminance pattern
analyser utilizing industrial TV techniques; Journal of the IES, April 1982, S.
147-152
/66/Tansley, Brian W., Houser, Kevin W., Pasini, Ivan C.; The IQCam Digital
Image Photometer System: Principles of Operation and Comparitive
Performance; Journal of the IES, Winter 1999 S. 182-200
/67/TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH; Benutzerhandbuch Goniofotometer
RiGO 601; 1999 S.33
/68/TIR Systems Ldt.; Projektbeispiele: "Arena Health Club, Target Center,
Minneapolis"; http//:www.tirsys.com
/69/Turbosyder; Optical Guide "Fying Lux"; Handbook 1999
/70/Turner, B. P., Ury, M.G., Leng, Y., Love, W.G.; Sulfur Lamps - Progress in
Their Development;IES Annual Conference August 1995 New York
/71/Vizmanos, J. G., Fuentes, L. M., Gutierrez Mendez, J. A.; Disability Glare
measurement Using A CCD Camera; Light & Engineering Vol.§, NO. 1, pp.
59-66, 1995
/72/Wheeler, W.; Apparatus for Lighting Dwellings or other Structures; US
Patent Nr. 247229, September 1881
/73/Whitehead, L. A., Donaldson, M.; Investigation of Light Distribution with
Annular Lens Light Guide; Journal of the IES, Sommer 1998, S. 3-12
/74/Whitehead, L. A.; New Simplified Design Procedures for Prism Light Guide
Luminaires; Journal of the Illuminating Society, Summer 1998
/75/Whitehead, L. A., Hoffmann, K.; Method for Estimating the Efficiency of
Prism Light Guide Luminaires; Journal of the Illuminating Engineering
Society, Summer 1998
/76/Whitehead, L., Kan, P., Lui, K.; Improved Extractor Design for Modular Light
Guides; Journal of the Illuminating Engineering Society, Summer 1999
/77/Whitehead, L.; Prism light guide having surfaces which are in octature; US
Patent Nr. 4260220, März 1982
10 Literatur Seite 93
/78/Whitehead, L., Kan, P., Lui, K., Jacob, S.; Near Field Photometry of Prism
Light Guide Luminaires Using a CCD Camera; Journal of the Illuminating
Engineering Society, Summer 1999
/79/Yeni, M.; Dimmung von Halogenmetalldampflampen mit Al2O3-
Keramikbrenner; Studienarbeit Technische Universität Berlin, Institut für
Elektronik und Lichttechnik; 1997
/80/Zwick, P.; Untersuchungen der Fehlerquellen bei der Berechnung von
Beleuchtungsstärken für langgestreckte Leuchten; Diplomarbeit; Institut für
Lichttechnik; TU Berlin 1984
