Karin Bieske
UNTERSUCHUNGEN ZU BELEUCHTUNGSSYSTEMENMIT VERÄNDERLICHER LICHTFARBE
Karin Bieske, TU Ilmenau, FG Lichttechnik
08.09.2017 Seite 1 Lux junior 2017
Karin Bieske08.09.2017 Seite 2 Lux junior 2017
AGENDA
1. Motivation2. Technische Realisierung3. Untersuchungen zur Farbwahrnehmung für die
Auslegung von Beleuchtungssystemen4. Weiterführende Untersuchungen5. Impulse für neue Forschungsfragen
Bild: elv.de
Untersuchungen zu Beleuchtungssystemen mit veränderlicher Lichtfarbe
Karin Bieske08.09.2017 Seite 3 Lux junior 2017
MOTIVATION
• Beleuchtungsniveau• Örtlicher Lichtverteilung• Spektraler Lichtverteilung
Klassische Beleuchtungssysteme
Dynamische Beleuchtungssystemevariabel in:
Karin Bieske08.09.2017 Seite 4 Lux junior 2017
Quelle: Gall (2002)
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
400 450 500 550 600
Wellenlänge in nm
c BrainardThapan
MOTIVATIONNeue Erkenntnisse zu nicht‐visuellen Lichtwirkungen
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Rel
ativ
e sp
ektr
ale
Empf
indl
ichk
eit
400 500 600 700
Wellenlänge in nm
c
V()V'()
Karin Bieske08.09.2017 Seite 5 Lux junior 2017
Durch Variation der Lichtfarbe Modellierung der nicht‐visuellen Lichtwirkung bei gleichbleibender Helligkeit
CCTacvEcv (E = 500 lx)Ecv/ Ecv_3000KEcv/ Ecv_4000K
3000 K0,34
0,249 W/m²1,00,7
4000 K0,52
0,381 W/m²1,51,0
6500 K0,90
0,659 W/m²2,61,7
8000 K0,98
0,805 W/m²3,22,1
Beispiel:
dVX
dcXa
e
ecv )()(
)()(
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
Rel
ativ
e sp
ektr
ale
Empf
indl
ichk
eit
400 500 600 700
Wellenlänge in nm
Sms()V()
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
400 500 600 700
Wellenlänge in nm
3000 K8000 K c()
V()
Relativ
e Spektralverteilung
Karin Bieske08.09.2017 Seite 6 Lux junior 2017
TECHNISCHE REALISIERUNG
Voraussetzungen:• Dimmbare Lichtquellen mit variable spektraler Verteilung• Komponenten zur Ansteuerung der Lichtquelle• Steuermodule, die Steuer‐ und Regelgrößen generieren• Materialien für Lichtleitung und Lichtmischung• Konzepte mit Vorgaben, wie dynamische Variationen
der Lichtfarbe sinnvoll zu realisieren sind
Karin Bieske
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
y
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9x
18.09.2017 Seite 7
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
y
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9x
TECHNISCHE REALISIERUNG
Karin Bieske08.09.2017 Seite 8 Lux junior 2017
Leuchte mit änderbarer Lichtfarbe (Siteco)
Lichtleiter und LichtmischeinheitenStandartisierung Steuerprotokolle
DMXDMX512 (1990), DIN 56930‐2: 2000DALIIEC 62386‐201: 2009 Leuchtstofflampen, IEC 62386‐209: 2011 Farb‐/Farbtemperatursteuerung
TECHNISCHE REALISIERUNG
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TECHNISCHE REALISIERUNG
Karin Bieske18.09.2017 Seite 10
Forschungsprojekt (2004 ‐ 2006): Adaptives Beleuchtungssystem mit Hybridlampe
Teilprojekt TU Ilmenau:Physio‐psychologische Untersuchungen zur Wirkung von Lichtfarben
Kompacktleuchtstofflampefarbige LEDs
UNTERSUCHUNGEN
Karin Bieske18.09.2017 Seite 11
Fragestellungen:
• Variationsbereich für Lichtfarbe• Präferenzen• Schrittweite der Änderung• Genauigkeit für Variationsweg• Abhängigkeiten:
Beleuchtungsniveau Variationsrichtung CCT
• Änderungsgeschwindigkeit• Variationsweg
+/- 5 SW -Einheiten undJuddsche GeradenPlanckscher KurvenzugSteuerwerte
3000 K3263 K
3565 K3914 K
4321 K
4802 K
5378 K
6082 K
7228 K8000 K
u'v'UNTERSUCHUNGEN
Blanckenhagen, 2004
Karin Bieske
Ergebnisse:
• Variationsbereich:3000 K bis 8000 K
• Präferenz: 4200 K• Schwellen u’v’ = 0,0016
Toleranz: Faktor 5 zur Schwelle• Unabhängigkeit von Lichtfarbe
und Beleuchtungsniveau• Variation hin zu niedrigeren CCT kritischer• Orientierung am Planckschen‐Kurvenzug,
geringe Abweichungen möglich• Änderungsgeschwindigkeit: 12 K/s
08.09.2017 Seite 12 Lux junior 2017
0,44
0,45
0,46
0,47
0,48
0,49
0,50
0,51
0,52
0,53
v'
0,18 0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25 0,26 0,27
u'
CCTToleranzwerteSchwellenwertePlanck-KurveJudd-Geraden
3000 K
3700 K
4700 K
5700 K
6700 K
UNTERSUCHUNGEN
Karin Bieske08.09.2017 Seite 13 Lux junior 2017
WEITERFÜHRENDE UNTERSUCHUNGEN
Lichtfarbenunterschiede innerhalb von Leuchten
HALBKUGEL
BELEUCHTUNG:2700K, 4000K,
6500K
PROBAND
L = 200 cd/m²
10°
ND-FILTER
SIMULATORL = 800 cd/m²
Kramer (2014)
Testzeichen
Karin Bieske18.09.2017 Seite 14
Kramer (2014)/ Häubere & Bieber (2016)
Lichtfarbenunterschiede innerhalb von Leuchten
WEITERFÜHRENDE UNTERSUCHUNGEN
Schwellenwerte:• u’v’ = 0,0006 bis 0,0012
bei sprunghaftem Übergang,• Faktor 1,5 für andere Übergänge• bei Variation der Lichtfarbe
im Umfeld, keine Änderungder Ellipsenorientierung
• tendenzell größe Schwelle jegrößer CCT zwischen Test‐zeichen und Umfeld
Karin Bieske08.09.2017 Seite 15 Lux junior 2017
WEITERFÜHRENDE UNTERSUCHUNGEN
Kombination von Lichtfarben im RaumLeuchtenanordnung Bieske, Fiebig (2014)
Kombination ähnlicher Lichtfarben, Unterschiede zwischen Leuchten kritischer als farbige Schatten
Karin Bieske08.09.2017 Seite 16 Lux junior 2017
WEITERFÜHRENDE UNTERSUCHUNGEN
Untersuchung von Farbwiedergabeeigenschaften
Relative Spektralkverteilung der Lichtquellen
0,00,10,20,30,40,50,60,70,80,91,0
380 480 580 680 780
Wellenlänge in nmHMI HGL
Relative Spektralkverteilung der Lichtquellen
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
380 430 480 530 580 630 680 730 780
Wellenlänge in nm
LED_weiß LED_weiß_2 Jungnitsch (2005)
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Abweichungen zwischen CIE‐FWG‐Index und subjektiverFarbbewertung bei diskrete Spektren
Untersuchung von Farbwiedergabeeigenschaften
WEITERFÜHRENDE UNTERSUCHUNGEN
Vergleich SBI und CIE-Ra bei 3000K
0
20
40
60
80
100
120
HGL LEDRGB LED weiß LLRGB
Lichtarten
Farb
wie
derg
abew
ert
RaRa - Ref_HGLSBI
Jungnitsch (2005)
Karin Bieske08.09.2017 Seite 18 Lux junior 2017
WEITERFÜHRENDE UNTERSUCHUNGEN
Subjektiv wahrgenommener Unterschied trotz identischer Farbörter
Untersuchung zur Metamerie
LED‐RGB HMI-Lampe
Karin Bieske08.09.2017 Seite 19 Lux junior 2017
IMPULSE FÜR NEUE FORSCHUNGSFRAGEN
Farbortdifferenz nach subjektivem Abgleich
Untersuchung zur Metamerie
CIE1931 CIE1964
Karin Bieske
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
380 460 540 620 700 780
Wellenlänge in nm
HGL+F V3LED I V3
08.09.2017 Seite 20 Lux junior 2017
IMPULSE FÜR NEUE FORSCHUNGSFRAGEN
Einfluss der Spektralverteilung auf die Farbortdifferenz nach Abgleich
Untersuchung zur Metamerie
Versuchs-situation
Testlicht-quelle Referenz CCT
V1 RGB-LEDII RGB-LEDII 5400KV2 RGB-LEDII HGL+F 5400KV3 RGB-LEDI HGL+F 5400K
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
380 460 540 620 700 780
Wellenlänge in nm
HGL+F V2LEDI V2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
380 460 540 620 700 780
Wellenlänge in nm
LED II Ref V1LED II V1
0,470
0,475
0,480
0,485
0,490
0,495
0,500
0,505
0,510
0,515
0,520
0,525
0,530
v'
0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25
u'
MW Probanden LU = 0 cd/m²MW Probanden LU = 14 cd/m²Referenz LU = 0 cd/m²Referenz LU = 14 cd/m²Abgleiche LU = 0 cd/m²Abgleiche LU = 14 cd/m²
0,460
0,465
0,470
0,475
0,480
0,485
0,490
0,495
0,500
0,505
0,510
0,515
0,520
v'
0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25
u'
MW Probanden LU = 0 cd/m²MW Probanden LU = 14 cd/m²Referenz LU = 0 cd/m²Referenz LU = 14 cd/m²Abgleiche LU = 0 cd/m²Abgleich LU = 14 cd/m²
0,470
0,475
0,480
0,485
0,490
0,495
0,500
0,505
0,510
0,515
0,520
0,525
0,530
v'
0,19 0,20 0,21 0,22 0,23 0,24 0,25
u'
MW Probanden LU = 0 cd/m²MW Probanden LU = 14 cd/m²Referenz LU = 0 cd/m²Referenz LU = 14 cd/m²Abgleiche LU = 0 cd/m²Abgleich LU = 14 cd/m²
Hoffmann (2010)
Referenz Test
Karin Bieske08.09.2017 Seite 21 Lux junior 2017
IMPULSE FÜR NEUE FORSCHUNGSFRAGEN
Farbraumfehler bis u’v’ = 0,0165Ableitung neuer Spektralwertfunktionen (2006‐TUIL)
Untersuchung zur Metamerie
u‘v‘ = 0,0165
Polster (2013)
Karin Bieske08.09.2017 Seite 22 Lux junior 2017
IMPULSE FÜR NEUE FORSCHUNGSFRAGENUntersuchung zur Metamerie
Polster, 2013)
Karin Bieske
VIELEN DANK!
08.09.2017 Seite 23 Lux junior 2017
Foto: Ingo He
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