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Ein Goniophotometer zur Messung des Lichtstromes und der

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1. 48 Damit erf llt der Photometerkopf die Anforderungen an die h chste Klasse L f r Beleuchtungsst rkemessger te Insbesondere die geringe f Kennzahl ist in diesem Zusammenhang wichtig da die CCD Kamera keinen eigenen VA angepa ten Filter besitzt und zur Absolutwertanbindung auf die Me werte des Photoelements zur ckgreift Seite 56 6 Photometer 6 4 1 Lichtstromkalibrierung Die Kalibrierung des Lichtstromes wurde mittels einer Lichtstrom Normallampe durchgef hrt Hierbei handelt es sich um eine Gl hlampe 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 A 22 08 V 1447 Im Die Lampe wurde im Zentrum der Me einrichtung angebracht und mit den Lasern exakt ausgerichtet Bild 28 wobei sich der verwendete Probenhalter mindestens 15 von der senkrechten Stellung des Goniophotometrers entfernt befinden mu Kapitel 6 5 5 Schienensystem Probenhalter Normallampe Goniophotometer Bild 28 Montage der Normallampe zur Lichtstromkalibrierung F r die Messung wurde die Lampe in einer Me fassung montiert Die Lampenspannung wurde direkt an der Me fassung gemessen w hrend der Strom ber den Spannungsabfall an 0 1 Ohm Normalwiderstand ermittelt wurde In einem Winkelabstand von 15 Grad wurden mit dem Photometer 6 Photometer Se
2. 6 5 2 Handsteuerung Mit der Funk Handsteuerung Bild 32 k nnen die Achsen einzeln initialisiert und verfahren werden Der Steuerhebel funktioniert dabei als Inkrementgeber mit dem zun chst die Wegstrecke gew hlt wird die zur ckgelegt werden soll Anschlie end wird die Fahrtrichtung festgelegt Diese Option erleichtert das Ausrichten der Me objekte 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 Beleuchtungsstarke Damit ist ein einfaches Suchen der maximalen 6 Photometer Seite 61 Beleuchtunsstarke m glich die den gew hlten Me bereich nicht berschreiten darf Kapitel 6 5 7 Achse Laser Init Not Bild 32 Funk Handsteuerung 6 5 3 Notsteuerung Ist nach Betatigen eines Not Aus Schalters eine Situation entstanden bei der eine Neuinitialisierung der Achse zu einer Kollision f hren w rde besteht die M glichkeit einer Notsteuerung Dabei k nnen mittels IEEE 488 Befehlen die Motoren direkt angesprochen werden Die maximale Spannung betr gt dabei 10V jedoch ist eine Spannung von 0 1 V 0 5 V in den meisten F llen ausreichend Die Drehrichtung ist dabei von der Wahl des Vorzeichens abh ngig Bild 33 Seite 62 6 Photometer Vorzeichen fur Achse 2 Sensorwagen E
3. 5 1 1 1 Die Ulbrichtsche Kugel 5 1 1 2 Der Lichtstromintegrator 5 1 2 Messung der Lichtst rke und Lichtst rkeverteilung 5 2 Nahfeldphotometrie 5 3 Photometrie von hohlen Lichtleitern 5 3 1 Messung der Beleuchtungsst rke 5 3 2 Turbosider 5 3 3 Siemens AG 5 3 4 Messung mittels Aperturblende 5 3 5 Messung mit CCD Kamera 6 PHOTOMETER 6 1 Entwicklung 6 2 Aufbau 6 2 1 Goniophotometer 6 2 2 Schienensystem 6 2 3 Drehbarer Bogen 6 2 4 Sensorwagen 6 2 5 Kabelf hrung 6 2 6 Endschalter 6 2 7 Koordinatensysteme 6 3 Justage 6 3 1 Justage des Schienensystems 6 3 2 Justage des Photometers Seite 2 24 24 25 25 Seite 3 6 4 6 4 1 6 4 2 6 5 6 5 1 6 5 2 6 5 3 6 5 4 6 5 5 6 5 6 6 5 7 6 5 8 Kalibrierung Lichtstromkalibrierung Lichtst rkekalibrierung Me ablauf Initialisierung Handsteuerung Notsteuerung Montage der Testobjekte Festlegung der Verfahrgrenzen Interpolation von nicht erfa ten Bereichen Festlegung der Me bereiche Dateiformat 7 MESSERGEBNISSE 71 Lichtst rkeverteilungen 72 Lichtstrom 7 3 Wirkungsgrade 8 AUSBLICK 9 ZUSAMMENFASSUNG 10 LITERATUR 70 70 71 77 81 85 87 Seite 4 Verzeichnis der verwendeten GroBen NL NR 7 7 7 7 7 sr Im m m m m m Ix m cd m cd m2 Im m2 m m Im m sr Lichtrohr Wirkungsgrad Einfallswinkel Ausfallswinkel Seiten Einfallswinkel Halbwertswinkel Win
4. C Kaase H Photometrische und spektrale Eigenschaften der Schwefellampe Tagungsband OTTI F nftes Symposium Innovative Lichttechnik in Geb uden Kloster Banz 1999 S 223 228 Lautzenheiser T Weller G Stannard S Photometry for near field applications Journal of the IES January 1984 S 262 269 LBM Lichtleit Fasertechnik Produktinformationen 1999 Leuthold B Die Photometrie von Beleuchtungsanlagen mit hohlen Lichtleitern Diplomarbeit FH K ln Fachbereich Photoingenieurwesen 1994 Leuthold B Untersuchungen der Firma Siteco pers nliche Mitteilung Juni 2000 Lewin I Laird R Carruthers B Develpomentof New Photometer Concepts for Quality Control Applications Journal of the IES Summer 1990 S 90 97 Marx P Lichtstromintegrator Deutsches Patent Nr 1928815 Seite 90 10 Literatur 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 Marx P Exzenter Drehspiegelsystem zur Lichtmessung Deutsches Patent Nr 38 02 115 Mistrick R G English C R A Study of Near Field Indirect Lighting Calculations Journal of the IES Summer 1990 S 103 112 M ller T Kloss S H Rosemann A Kaase H ARTHELIO Ein Europ isches Forschungsprojekt zur kombinierten Nutzung von Tageslicht und dem Kunstlicht der Schwefellampe in Geb uden Tagungsband OTTI F nftes Symposium Innovative Lichttechnik in Geb uden Kloster Banz 1999 S 34 40 Ngai P Y On Near Field Photom
5. Dezember 1950 S 763 770 Gerthsen C Kneser H O Vogel H Physik Springer Verlag 16 Auflage 1992 S 456 457 10 Literatur Seite 89 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 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 IKL CELSIUS GROUP Light Drive 1000 type 1400 E2 1 Installations and Operation Manual 06 03 1998 Kaase H Aydinli S Jakobiak R u A Bericht zum Forschungsprojekt Tagelichtnutzung in Geb uden BMBF F rderkennzeichen 29037B 2000 Khazanov V S Shishov D M Method and Equipment for Measuring Light Guide Luminous Flux Svetoteknika No 11 S 9 10 1981 Kaase H Kloss S H M ller T Rosemann A Czibula G Klimroth M Ger t zur Messung des Lichtstromes und der Lichtst rkeverteilung Offenlegungsschrift DE 199935761A1 Deutsches Patent und Markenamt Kiwull N Evaluierung der Einbindung von LVK Me daten ausgew hlter Hohllichtleiter in Beleuchtungsplanungsproramme Diplomarbeit Institut f r Elektronik und Lichttechnik TU Berlin 2000 noch nicht ver ffentlicht Kloss S H Nah und Fernfeldphotometrie Vergleichende Untersuchungen und Anwendung in der Beleuchtungsberechnung von Innenr umen Diplomarbeit Technische Universit t Berlin 1995 Kloss S H M ller T Rosemann A Steinwandt
6. Ngai beschreibt sogar ein theoretisches Verfahren bei der die Leuchte durch eine Vielzahl von Punktlichtquellen ersetzt wird wobei aber f r jeden Punkt die Leuchtdichteverteilung bekannt sein mu 44 Er gibt jedoch keine Hinweise wie diese Verteilungen zu messen sind Weitere Probleme tauchten mit der Verwendung von Berechnungsplanungsprogrammen auf Benutzt man konventionelle Lichtst rkeverteilungskurven die im Fernfeld gemessen wurden zur Berechnung von Beleuchtungsst rken die innerhalb der photometrischen Grenzentfernung liegen kann dies zu erheblichen relativen Abweichungen bis zu 50 f hren 42 Hier kann eine Unterteilung der leuchtenden Fl che in N kleine Fl chen wobei jede einzelne Fl che die photometrische Verteilung wie die originale Fl che dividiert durch N erh lt eine Verbesserung bringen Probleme entstehen dabei aber durch inhomogene Leuchtdichteverteilungen von Seite 28 5 Photometrie Leuchtstofflampen entlang ihrer L ngsachse und durch thermische Einfl sse 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 Empf nger abgebildet wird Bild 9 35 Figure 2 Optical mask concept LIGHT SOURCE es PROJECTED APERTURE FULLY CLOSED PARTIALLY CLOSED FRONT OPTICAL SET MASK ASSEMBLY SECOND OPTICAL SET FULL OPEN PHOTOCEL
7. 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 b ndelt damit die Winkelbedingung f r die Totalreflexion nicht verletzt wird und ein gro er Teil des Lichtes schon ganz am Anfang des Lichtleiters austritt Gut bew hrt haben sich Reflektorlampen die aber nur mit Leistungen bis 150 W angeboten werden Eine hervorragende Einspeisung f r Hohllichtleiter ist die Schwefellampe deren nahezu punktf rmige Lichtquelle in Kombination mit der hohen Lichtleistung ideal zum Hohllichleitersystem pa t Kapitel 2 Nicht vergessen darf man in diesem Zusammenhang die Sonne die Licht mit einem ffnungswinkel von nur 0 5 ausstrahlt und bei entsprechender B ndelung Seite 20 4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern auch einen sehr hohen Lichtstrom liefern kann Allerdings f hren die hohen Bestrahlungsst rken auch zu thermischen Problemen beim Einkoppeln in den Lichtleiter die beachtet werden m ssen 4 1 2 Hohllichtleiter Obwohl unterschiedliche Formen m glich sind findet man zum gr ten Teil runde Hohllichtleiter in der Anwendung Zum Schutz gegen mechanische Besch digungen und gegen Schmutz sind die reflektierenden Materialien mit einer lichtdurchl ssigen H lle umgeben Bis zu einem Durchmesser von 30 cm k nnen dies R hren aus gezogenem Polycarbonat sein die dem
8. Eine sehr spezielle M glichkeit 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 m glich deren Preis bei den geforderten Abmessungen jedoch in keinem Verh ltnis zum Nutzen steht und eine weite Verbreitung dieser Systeme verhindert Linsen Lichtstrahl lt gt of Bild 1 Linsen Lichtleiter 3 2 3 Schlitzlichtleiter Wesentlich haufiger als die beiden zuvor genannten Verfahren sind Hohllichtleiter mit metallisch spiegelnden Oberfl chen zu finden Dabei haben einfache Aluminiumoberfl chen welche die Innenseite eines Hohllichtleiters bilden Reflexionsgrade von 85 Mit speziellen Oberfl chenbehandlungen oder mit metallisierten Folien lassen sich diese Werte auf ca 95 erh hen An diesen Oberfl chen 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 k nnen mit diesen Hohllichtleitern nur kleine L ngen realisiert werden und ein gro er Teil des Lichtes wird am Anfang ausgekoppelt was die Gleichm igkeit verringert Kapitel 7 F r Anwendungen bei denen eine kosteng nstige L sung im Vordergrund steht und weniger Wert auf die Energie Effizienz gelegt wird sind dies
9. Eine weitere wichtige Gr e ist das Extraktorverh ltnis der Quotient aus Extraktorbreite und Umfang des Lichtrohres an der Stelle x WwW V x Ww r Nach 74 folgt f r das Extraktorverh ltnis an der Stelle x V x a ere 0 05 1 33 x ng Mit dieser Formel l t sich die notwendige Extraktorbreite ann hernd bestimmen wenn die Zahl der Reflexionen zwischen 6 und 24 liegt Dies ist meistens gew hrleistet 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 gro werden Soll der Hohllichtleiter aus mehreren Modulen zusammengesetzt werden so mu der Extraktor nur f r die maximale L nge berechnet werden K rzere L ngen werden dann durch eine Kombination einzelner Module realisiert 76 Seite 24 5 Photometrie 5 Photometrie 5 1 Grunds tzliches Die Photometrie von hohlen Lichtleitern stellt neue Anspr che an lichttechnische Laboratorien Aufgrund ihrer gro en L ngen von bis zu 50 m wobei allerdings 30 m zur Zeit die maximale L nge f r kommerziell erh ltliche Standarttypen ist w rde man entsprechend gro e R ume ben tigen die in den geforderten Abmessungen aber meist nicht vorhanden sind Selbst wenn diese R umlichkeiten gegeben sind scheitern die bekannten Me methoden an den folgenden Problemen 5 1 1 Messung des Lichtstromes 5 1 1 1 Die Ulbrichtsche Kugel Mit einer Ulbrichtschen
10. Licht welches in die Folie eindringt wird an den au enliegenden Prismen reflektiert und steht weiter zur Lichtleitung und zur Beleuchtung zur Verf gung Mit dieser Folie war es m glich Hohllichtleitersysteme mit guter GleichmaBigkeit und hohem Wirkungsgrad zu fertigen Als Schwierigkeit stellte sich die Herstellung der Prismenfolie dar die teuer und fehleranf llig war Dieses Problem wurde 1985 von der Firma 3M gel st die ein Verfahren entwickelte das als Mikroreplikation bekannt wurde und die Produktion gro er Mengen sehr pr ziser Prismenfolie erm glichte 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 Vollst ndigkeit halber seien die beiden anderen an dieser Stelle auch erw hnt 3 2 1 Lichtleit Fasertechnik Das Prinzip der Totalreflexion beim bergang von Licht in ein optisch d nneres Medium wird bei der Lichtleit Fasertechnik angewendet Die Fasern die aus Glas oder aus PMMA gefertigt werden sind recht teuer so da sie blicherweise in kleinen Durchmessern hergestellt werden was wiederum die bertragungsverluste erh ht Typische Werte sind 3 m bis 5 m bei 3 Hohle Lichtleiter Seite 13 Kunststoff Fasern und 6 m bis 8 m bei Glasfasern 36 Anwendungen findet man im wesentlichen in der Effektbeleuchtung und weniger im Lichttransport ber gro e L ngen 3 2 2 Linsen Lichtleiter
11. darstellt addiert sich noch die Breite des Me objektes so da bei MeBobjekten die einseitig in den Kugeloberfl che hineinragen ein Bereich von 70 lt lt 95 nicht gemessen werden kann Die Grenze in 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 vergr ert sich bei einem maximalen Durchmesser des Me objektes von 500 mm auf 55 Der gesamte Bereich ist in Bild 34 gestreift dargestellt i 25 55 0 70795 Bild 34 Nicht me barer Bereich bei einseitigem Me objekt Durchst t das Me objekt den Kugeloberfl che an zwei Seiten wie dies bei einem Hohllichtleiter typischerweise der Fall ist kann zwar in Richtung ein voller Kreis abgefahren werden in Richtung bleibt aber die Beschr nkung durch den Bogen vorhanden 6 Photometer Seite 65 Bild 35 Nicht meBbarer Bereich bei zweiseitigem MeBobjekt Dieser Bereich ist aber deutlich gr er da er sich beinahe entlang des gesamten Kugelumfanges erstreckt und deshalb nicht vernachl ssigt werden kann Dieser Bereich ist in Bild 35 gestreift dargestellt Die Auswirkungen dieser fehlenden Bereiche k nnen me technisch ermittelt werden indem Vergleichsmessungen an einem Endst ck eines Hohllichtleiters durchgef hrt werden Dieser kann als einseitiges Me objekt vermessen werden und nach entsprechender Festlegung der V
12. dem Hohllichtleiter m ssen zwei unterschiedliche Mechanismen beachtet werden Entweder wird das Licht am Ende des Lichtleiters ausgekoppelt oder der Lichtaustritt erfolgt entlang des Hohllichtleiters Im ersten Fall mu sehr eng geb ndeltes 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 Tr bgl ser in Frage oder aber lichtlenkende Komponenten wie Linsen Prismen oder Spiegel 46 Seite 22 4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern Light Guide Light Coloured Ceiling Bild 8 Beispiele fur End Extraktoren 46 Es wurden gute Ergebnisse bez glich des Wirkungsgrades solcher Extraktoren erziehlt jedoch sind Fragen zu kl ren die sich mit der Blendung der Herstellung und der Wartung solcher Systeme besch ftigen Soll das Licht entlang des Hohllichtleiters ausgekoppelt werden ist eine m glichst hohe Gleichm igkeit an das Extraktordesign gefordert Eine wichtige Gr e ist hierbei die durchschnittliche Anzahl der Reflexionen die ein Lichtstrahl erf hrt wenn er sich von der Lichtquelle bis zum anderen Ende des Lichtrohres bewegt 74 Wenn der Halbwertswinkel der Lichtquelle etwa so gro ist wie der Aktzeptanzwinkel gilt naherungsweise Yy l l Np 3 50 4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern Seite 23
13. ersten beiden Teilst cke nur 8 bei 6 m L nge und einseitiger Einspeisung Auch das 12 m lange Lichtrohr mit zweiseitiger Einspeisung erreicht eine gute Gleichm igkeit was zu erwarten war da es sich um zwei Rohre mit 6 m L nge handelt die verbunden wurden Problematisch ist bei dieser Me reine das 6 m lange Rohr mit bidirektionaler Einspeisung sowie das 18 m lange Lichtrohr welches aus drei 6 m St cken zusammengesetzt ist Ein bidirektionales Rohr in der Mitte und zwei monodirektionale Rohre an den Enden Hier wird deutlich da die beiden Endrohre zuviel Licht auskoppeln und im Mittelteil deshalb nicht mehr gen gend Lichtstrom zur Verf gung steht 2500 8 6m mono 6m bid 12m bid 18m bid 2000 1500 Lichtstrom in Im 1000 500 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 L nge in m Bild 41 Ausgekoppelter Teillichtstrom unterschiedlicher Hohllichtleiter mit 10 cm Durchmesser Seite 74 7 Messergebnisse Dennoch wird mit dem modularen System ab ca 10 m Lange eine akzeptable Gleichm igkeit erreicht Die Werte f r 14 m L nge und 18 m Lange wurden nicht gemessen sondern k nnen aus den vorliegenden Daten interpoliert werden F r die Anwendung von Hohllichtleitersystemen ist diese Ungleichm igkeit kein gravierender Nachteil Da es nur selten R ume gibt die eine gleichm ige Beleuchtung ber ihre gesamte Fl che ben tigen ist vielmehr die Kenntnis dieser Lichts
14. of the IES Winter 1990 S 39 46 Stefanov E Riemann M V Lambda Anpassung von bildaufl senden Lichtme ger ten Licht 94 Gemeinschaftstagung der Lichttechnischen Gesellschaften Deutschlands der Niederlande sterreichs und der Schweiz Tagungsband S 797 811 Seite 92 10 Literatur 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 Stockmar A Eulumdat Ein Leuchten Datenformat f r den europ ischen Beleuchtungsplaner Licht 90 Tagungsband der 9 Gemeinschaftstagung der Lichttechnischen Gesellschaften in Takhashi S Okads S Katsuto F Development of luminance pattern analyser utilizing industrial TV techniques Journal of the IES April 1982 S 147 152 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 TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH Benutzerhandbuch Goniofotometer RiGO 601 1999 S 33 TIR Systems Ldt Projektbeispiele Arena Health Club Target Center Minneapolis http www tirsys com Turbosyder Optical Guide Fying Lux Handbook 1999 Turner B P Ury M G Leng Y Love W G Sulfur Lamps Progress in Their Development IES Annual Conference August 1995 New York Vizmanos J G Fuentes L M Gutierrez Mendez J A Disability Glare measurement Using A CCD Camera Light amp Engineering Vol NO 1 p
15. rend 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 fur den Transport des Lichtes zustandig ist und dem sogenannten Extraktor der den Austritt des Lichtes aus dem Hohllichter bewirkt Unabhangig davon ob dieser Austritt am Ende oder entlang des Hohllichtleiters geschieht 4 1 1 Lichtquellen Da das Licht der Lichtquelle ber weite Entfernungen transportiert werden soll und auch gro e Fl chen beleuchten soll kommen f r die Einspeisung nur leistungsstarke Lichtquellen in Frage die eine kleine r umliche Ausdehnung haben Meistens sind dies Halogenmetalldampflampen in Leistungsstufen zwischen 70 W und 1000 W Das brillante Licht dieser Lampen mit einer hnlichsten 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 gro er Leistung wird die entstehende W rme zunehmend problematisch da die Grenztemperatur von Polycarbonat 130 C und von Acryl 90 C betr gt und eine thermische Entkopplung von Einspeisung und Hohllichtleiter notwendig wird Bei Hohllichtleitern die f r die Au enbeleuchtung z B in Tunneln eingesetzt werden kommen auch Natriumdampfhochdrucklampen zum Einsatz
16. ssen 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 bersteigt und im Kollisionsfall nicht einfach stehenbleibt sondern ernsthafte Sch den 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 Me einrichtung Bild 18 Beide Teile sind ber den Kontrollrechner elektrisch miteinander verbunden und werden von einer Stelle bedient 6 Photometer Seite 43 Bild 18 Goniophotometer Ubersicht e A B horizontale Drehachse G Endloszahnriemen e C Sensorwagen H Verbindungsstellen e D Photoelement J Wagenmotor e E CCD Kamera K Kabeleintritt e F Bogenl cke S Schienensystem Das Goniophotometer befindet sich genau in der Mitte des Schienensystems Bild 19 Es besteht aus einem drehbaren Bogen in dem sich die MeBeinrichtung bewegt sowie aus dem Steuerrechner der die Kontrolle ber die verschiedenen Bewegungsrichtungen bernimmt und f r die Datenaufnahme zust ndig 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 m glich ist komplette Lichtrohrsysteme zu bewegen Ein Querschnitt dieser Aluminiumprofile
17. um ein vielfaches berschreiten Typische Geb ude sind Produktionshallen mit gro en H hen Eingangsbereiche und Foyers von repr sentativen B rogeb uden und Hotels Schwierige Wartungsarbeiten k nnen auch in Sporthallen und bei Beleuchtungsanlagen ber Wasserfl chen in Schwimm und Hallenb dern auftreten Bild 46 Bei diesen Geb uden ist es in vielen F llen m glich die Anzahl der Lampen und damit die Wartungskosten f r den Lampenwechsel deutlich zu reduzieren Im g nstigsten Falle k nnen die Lampen sogar in Bereiche verlagert werden die ohne gro e Probleme erreichbar sind Bild 46 Hohllichtleiterinstallation in einem Schwimmbad 68 Seite 82 8 Ausblick Ein weiteres Anwendungsgebiet ist die Beleuchtung von R umen f r spezielle Einsatzbereiche Hierzu z hlen K hlh user bei denen es m glich ist einen gro en Teil der W rme die bei der Lichterzeugung entsteht au erhalb des K hlraumes abzuleiten Bild 47 Bei explosionsgesch tzten R umen k nnen s mtliche elektrische Bauteile au erhalb des gef hrdeten Bereichs angeordnet werden was eine Erh hung der Sicherheit in diesen R umen bedeutet Das gleiche gilt f r feuchte und nasse R ume wie z B Waschstra en oder Schwimmb der Auch in Reinr umen wo kein Staub entstehen darf k nnen die Lampen au erhalb des Raumes montiert werden Bild 47 K hlhaus mit Hohllichtleiter 1 Neben wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Aspekten spielt die Einbin
18. werden kann n gt 1 ind lt en V2 sin 3 Hohle Lichtleiter Seite 17 Im Grenzfall wenn lo 90 betr gt erreicht den maximalen Akzeptanzwinkel von 30 6 Dieser wird oft als Akzeptanzwinkel des Films bezeichnet Es ist jedoch zu beachten da dieser Winkel in dem Ma e kleiner wird je mehr sich der Wert von o dem Wert Oimn n hert 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 me technische berpr fung der Prismenfolie best tigt die Darstellung in Bild 5 jedoch liegt der Reflexionsgrad auch im Bereich der Totalreflexion etwas unter 100 Bild 6 Die Ursache hierf r sind minimale Fehler in der Produktion der Folie wie Ungenauigkeiten der Prismenwinkel oder Lufteinschl sse Seite 18 3 Hohle Lichtleiter 0 10 20 30 40 50 60 70 50 07 Bild 6 Lichttransmissionsgrad f r 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 st
19. 1 ber 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 abstandsunabh ngige Gr e ist kann die Messung innerhalb der photometrischen Grenzentfernung durchgef hrt werden 8 Eine sehr anschauliche Darstellung der Theorie findet man bei Ashdown 10 die zur Entwicklung eines Nahfeldphotometers f hrt 7 das in den USA und in Kanada patentrechtlich gesch tzt ist 9 In Deutschland wurden von Sch ler Untersuchungen ber die Eignung der CCD Kameratechnik in der Photometrie unternommen mit dem Resultat da ein solches System tauglich ist wenn nicht zu hohe Anforderungen gestellt werden 58 Riemann Schmidt und Poschmann beschreiben ein bildaufl sendes Goniophotometer mit einer CCD Kamera 53 und haben sich dieses Verfahren in Deutschland patentieren lassen 52 Dabei wird die Me kamera auf einer Kugeloberfl che um die Leuchte herum bewegt In quidistanten St tzstellen 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 Lichtst rke in eine Richtung leisten Die Werte werden im Speicher des Steuerrechners abgelegt und am Ende einer Messung zur Lichtst rke zusammengef gt Seite 32 5 Photo
20. 5 erwartet worden und f hren beim Lichtstrom des vermessenen Endst cks zu relativen MeBfehlern von 12 Bei den meisten vermessenen Hohllichtleitern die ihr Licht gr tenteils nach unten ausstrahlen reduzierte sich diese MeBfehler zwar auf 3 8 konnte aber dennoch nicht vernachl ssigt werden Die Lichtst rkewerte in diesem Bereich wurden deshalb durch Interpolation gewonnen wobei die 6 Photometer Seite 67 Interpolationsgrenzen durch einen Vergleich der Tabellenwerte beider Messungen erzielt wurde F r einen kubischen Interpolationsalgorithmus wurden die geringsten Abweichungen von den erwarteten Werten erreicht die weniger als 1 betrugen Abschlie end wurde der Lichtstrom aus der interpolierten Lichtstarkeverteilung neu berechnet In Bild 38 kann man die gute bereinstimmung der interpolierten Werte mit den gemessenen Werten in Bild 36 sehen 135 120 90 15 60 45 30 0 30 45 c0 0 C180 0 c90 0 C270 0 Bild 38 Lichtst rkeverteilungskurven f r einen Hohllichtleiter nach Interpolation 6 5 7 Festlegung der Me bereiche Das Photoelement verf gt ber keine automatische MeBbereichsumschaltung Daher mu der Me bereich vor der Messung manuell gew hlt und sichergestellt werden da dieser Bereich w hrend der Messung nicht berschritten wird da sonst falsche Me daten aufgezeichnet werden Aufgrund des beschr nkten Dynamikumfanges der CCD Kamera ist ein
21. Ein Goniophotometer zur Messung des Lichtstromes und der Lichtstarkeverteilung von hohlen Lichtleitern Von Diplom Ingenieur Sven Holger Kloss aus Berlin am Fachbereich 12 Elektrotechnik der Technische Universitat 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 unterst tzt 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 M ller der durch den engagierten Kampf mit unz hligen Formularen der Europ ischen Kommission das ARTHELIO Projekt berhaupt erst auf den Weg gebracht hat Prof Dr Stolzenberg danke ich f r kritische Anmerkungen und f r das bersetzen russischer Literatur und Dr Serick f r die geduldigen Antworten zu allen Fragen der Lichttechnik Mein Dank gilt Sirri Susanne Frank und Elke die mich von Anfang an in meiner Absicht unterst tzten die Arbeit zu beginnen Ich danke Alexander Rosemann f r die gute Zusammenarbeit w hrend des Forschungsprojektes und Berit Herrmann die stets eine L sung hatte f r all die Grausamkeiten die ein Computer mit einem Menschen anstellen kann Den Firmen Tec
22. Hersteller einen Betrieb ohne den Reflektor verbietet 28 Deshalb wird teilweise eine Darstellung in Im W angegeben die einen Vergleich mit herk mmlichen Beleuchtungsanlagen erm glicht 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 Me unsicherheiten liegen Bei beiden Typen ist eine Tendenz zu geringeren Wirkungsgraden bei gr eren Systeml ngen zu erkennen die sich aus der gr eren Anzahl der Reflexionen erkl rten Eine Ausnahme bildet das 10 m lange System welches im Vergleich zu dem 8 m System und dem 12 m System abf llt Tabelle 5 MeBwerte des Wirkungsgrades MNpipe f r unterschiedliche prismatische Hohllichtleiter mit 25 cm Durchmesser und Lichtaustrittsfenstern von 90 und 180 4m 6m 8m 10m 12m 16m 20m 80 83 83 77 82 79 78 Messungen an Hohllichtleitern mit 10 cm Durchmesser zeigen einen deutlichen Unterschied bei verschiedenen Lichtaustrittsfenstern In Tabelle 6 sind die Ergebnisse f r ein 6 m langes System dargestellt Seite 78 7 Messergebnisse Tabelle 6 MeBwerte des Wirkungsgrades Mpipe f r prismatische Hohllichtleiter mit 6m Lange 10 cm Durchmesser und Lichtaustrittsfenstern von 90 120 und 180 fl 70 W Strahler 100 W Strahler 120 42 Wahrend zwischen 90 und 180 keine groBen Differenzen festzustell
23. Kugel kann der Gesamtlichtstrom einer Lichtquelle mit einer einzigen Messung bestimmt werden unter der Voraussetzung da die Innenseite der Kugel homogen ist und vollkommen diffus reflektiert Dann gilt f r die mittlere indirekte Beleuchtungsst rke in einen beliebigen Punkt auf der Kugelinnenseite Die Innenfl che der Kugel sowie deren Reflexionseigenschaften werden im Kugelfaktor Cx zusammengefa t so da sich f r den Lichtstrom ergibt Das Me verfahren hat sich ber Jahrzehnte hinweg bew hrt und f hrt bei gut gewarteten Kugeln selten zu einer relativen MeBunsicherheit von mehr als 4 Als Voraussetzung f r die Lichtstrommessung mit der Ulbrichtschen Kugel mu 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 M glichkeit der Lichtstrommessung bieten Me verfahren die eine gedachte Kugeloberfl che um die Lichtquelle herum spiralf rmig abtasten und den Lichtstrom aus der Beleuchtungsst rke ermitteln 40 Der Lichtstrom berechnet sich wie folgt T 2n b E 9 sin daddg vo Bei der Messung wird die Lichtquelle um ihre vertikale Achse gedreht Dadurch bleibt zwar der Lichtstrom auch von lageempfindlichen Lichtquellen nahezu konstant die Lichtquelle mu aber kleiner se
24. L 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 Beleuchtungsst rken von 32 auf 21 zu reduzieren Eine ganze Reihe von Untersuchungen wurden durchgef hrt indem innerhalb der photometrischen Grenzentfernung eine Beleuchtungsst rkeverteilung gemessen wurde und diese Beleuchtungsst rken ber den Abstand Lichtquelle Empf nger in sogenannte quivalente Lichtst rken umgerechnet wurden Diese quivalenten Lichtst rken konnten dann f r die Berechnung von Beleuchtungsst rken in dem 5 Photometrie Seite 29 gleichen Abstand eingesetzt werden Stannard und Brass entwickelten einen MeBaufbau bei dem ein Photoelement an einem Ausleger beweglich montiert war und so die Beleuchtungsstarkeverteilung in bestimmten Ebenen von der Leuchte entfernt gemessen werden konnte Bild 10 62 Supporting Structure EISESEIISSSEEE FIT Ns Axis Bild 10 Me aufbau nach Stannard und Brass An den Schnittpunkten von diesen Ebenen mit dem Standard Kugelkoordinatensystem konnten daraufhin quivalente Lichtst rkeverteilungs kurven erstellt werden Ben tigt man Werte die zwischen 2 Ebenen liegen k nnen diese in guter N herung interpolie
25. Lichtrohr eine Formstabilit t geben Es kommen aber auch flexible Folien zum Einsatz die leichter zu verarbeiten sind Innerhalb dieser Schutzh lle 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 Gr e des Lichtaustrittsfensters zu bestimmen Soll der Hohllichtleiter auch f r die indirekte Beleuchtung verwendet werden kann ein teildurchl ssiges Reflektormaterial benutzt werden welches den Lichtaustritt nach oben erm glicht Daran anschlie end folgt innen die Prismenfolie die in L ngsrichtung mit den Prismen nach au en 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 wei en diffus streuenden Streifen besteht 4 Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern Seite 21 Schutzh lle 4 ee Extraktorstreifen Reflekto Prismenfolie____ Bild 7 Aufbau eines Prismen Lichtleiters 4 1 3 Extraktor Bei dem Auskoppeln des Lichtes aus
26. Photometer Begriffe Eigenschaften und deren Kennzeichnung DIN 5032 Teil 7 Lichtmessung Klasseneinteilung von Beleuchtungsst rke und Leuchtdichteme ger ten DIN 5035 Teil 1 Beleuchtung mit k nstlichem Licht Begriffe und allgemeine Anforderungen 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 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 Fischbach l Riemann M Schmidt F Zur Leistungsf higkeit der Messung von Lichtst rkeverteilungskurven mittels bildaufl sender Fotometrie Licht 7 8 1995 S 640 645 Fischbach l Kr ger 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 F hlich W Neue Erfahrungen mit einem Autokollimationsphotometer in Verbindung mit einem Si Photoelement Licht 86 Lichttechnische Gemeinschaftstagung Baden Tagungsband S 330 340 F hlich W Schelzke E Lichttechnische Me m glichkeiten mit einem Goniophotometer mit drehbaren Raster Photometerkopf Licht 11 1981 Franck K A Method of Testing and Evaluating Fluorescent Luminaires Illuminating Engineering
27. Spannung gehalten 6 2 6 Endschalter Sowohl der Bogen als auch der Sensorwagen sind mit Endschaltern ausger stet 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 gegen ber der Bogenl cke Die Endschalter sind zweistufig ausgef hrt In der ersten Stufe wird nur die betreffende Antriebsachse abgeschaltet In der zweiten Stufe wird dann die Stromversorgung aller Achsen getrennt Mit dieser Anordnung k nnen aber die m glichen Kollisionspunkte nur teilweise gesichert werden Eine v llige Sicherung ber Endschalter ist aufgrund der komplexen Bewegung des Goniophotometers nicht m glich Es existiert deshalb eine Softwareabfrage ber m gliche Kollisionspunkte Kapitel 6 5 5 Letztendlich ist der Anwender aufgefordert gef hrliche Situationen nicht zuzulassen Diese k nnen beispielsweise entstehen wenn sich der Sensorwagen in der Bogenl cke 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 M glichkeit die Bewegung sofort zu beenden Da es zunachst bei Beginn des Betriebes trotz dieser Sicherungen zu Kollisionen aufgrund von Fehlbedienungen
28. a Transportwagen m 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 Me objekte um ihre L ngsachse jedoch nicht mehr m glich da eine Formstabilit t nicht mehr gegeben war Folglich mu te das Me objekt in der Mitte des Raumes angeordnet werden und die zugeh rige MeBeinrichtung mu te auf einer Kreisoberflache um die MeBstelle herum bewegt werden Da Hohllichtleiter wie gew hnliche Leuchten auch normalerweise unter die Raumdecke montiert werden war auch in dem endg ltigen Entwurf eine h ngende Montage vorgesehen Bei der Realisierung des Photometers wurde aus Termin und Kostengr nden aber auch unter Beachtung von Patentschutzrechten auf bereits vorhandene Komponenten zur ckgegriffen So besteht der mechanische Aufbau aus vielen Teilen die sich bei anderen Goniophotometern bew hrt haben Die Messwertaufnahme mittels CCD Kamera die in Goniophotometern f r konventionelle Lichtquellen eingesetzt wird lie sich an das neue Me ger t anpassen Neben den genannten Vorteilen bringt die Verwendung von Komponenten aber auch Nachteile mit sich da man vorhandene Standards weiter benutzen mu Im vorliegendem Fall u ert sich dies z B durch die Existenz mehrerer Koordinatensysteme die bei der Bewegung des Photometers beachtet werden m
29. beiten sehr genau durchgef hrt da hier die Justage der Pr fobjekte stattfindet von denen die lichttechnischen Daten ermittelt werden sollen Die maximale Abweichung vom Zentrum des Goniophotometers betrug 2 mm Die Me unsicherheit betr gt dabei 1 mm Zus tzlich wurde dieser Teil des Schienensystems schwarz lackiert um Streulichteinfl sse zu reduzieren 6 3 2 Justage des Photometers Das Justieren des Photometers ist aufwendig Auch die Anforderungen an die Genauigkeiten sind h her als beim Schienensystem Die beiden St nder die den Bogen halten stehen auf zwei Stahlplatten und sind mittels Stellschrauben in der H he justierbar Mit Hilfe einer Wasserwaage wurde die H he der St nder solange korrigiert bis die Drehachse waagerecht lag Die korrekte Stellung des Bogens kann ebenfalls mittels einer Wasserwaage in senkrechter und waagerechter Position berpr ft werden Eine Korrektur ist durch Anfahren in senkrechter Stellung und anschlie endem Nullsetzen der Anzeige m glich Bei der berpr fung mittels einer Pr zisionswasserwaage wurden Abweichungen von weniger als 0 5 mm m festgestellt so da eine MeBunsicherheit von maximal 0 05 gew hrleistet ist Die Position des Wagens wurde zun chst durch einen Laser der an einem Probenhalter des Schienensystems montiert war und gem Bild 27 aus 5 m Entfernung in das Drehzentrum strahlte Laser 1 und dem Justagelaser Laser 2 Seite 54 6 Photometer berpr ft Dabei wurde
30. chiedenen 2 m langen Modulen zusammengesetzt werden konnten Seite 72 Tabelle 4 Zusammensetzung der modularen Hohllichtleiter Modulnummer 7 Messergebnisse Lange 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 4m X X 6m X X X 8m x x x x 10m X X X X X 12m Kl Ses ae ae 16m x x x x x x x x 20m x x x x x ix x x x x 14000 12000 10000 8000 6000 Teillichtstrom in Im 4000 2000 10 11 14 L nge inm 15 16 17 18 19 20 Bild 40 Ausgekoppelter Teillichtstrom in Abh ngigkeit der L nge f r modulare Hohllichtleiter In Bild 40 sieht man bei allen untersuchten Typen einen erh hten Lichtstrom am Anfang des Rohres Ursache hierf r ist Strahlung der Lichtquelle au erhalb des Akzeptanzwinkels der Prismenfolie die unabh ngig vom Extraktor den 7 Messergebnisse Seite 73 Hohllichtleiter verlaBt Der extreme Unterschied mit bis zu 3600 Im zwischen den ersten beiden Teillichtstr men der Lichtrohre mit den L ngen 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 Extraktorfl che an die Lichtrohrl nge f hrt zu wesentlich besseren Ergebnissen wie die Ergebnisse f r ein Rohrsystem mit 10 cm Durchmesser und mit einem Lichtaustrittsfenster von 180 zeigen Bild 41 Hier betr gt der Unterschied der
31. den 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 f r die Lichtplanung notwendig sind Aufgrund der gro en L ngen von Hohllichtleitern war das Messen des Lichtstromes und der Lichtst rkeverteilung mit herk mmlichen Me methoden nicht m glich F r dieses Problem wurde eine L sung entwickelt und ein Me aufbau realisiert Das Me system arbeitet auf Basis einer bildaufl senden CCD Kamera die die Messung der Lichtst rkeverteilung innerhalb der photometrischen Grenzentfernung erlaubt Dieses erste Goniophotometer f r Hohllichtleiter erm glicht die abschnittsweise Messung von hohlen Lichtleitern wobei sowohl die Messung der Lichtst rkeverteilung als Grundlage der Beleuchtungsberechnung mit Lichtplanungsprogrammen m glich ist wie auch die Bestimmung des Lichtsttromes der wichtige Aussagen ber den Wirkungsgrad von Hohllichtleitersystemen liefert Die erzielten Me werte zeichnen sich durch geringe MeBunsicherheiten und eine hohe Reproduzierbarkeit aus Die gemessenen lichttechnische Daten k nnen problemlos in bestehende Lichtberechnungsprogramme eingebunden werden Vergleiche zwischen berechneten Beleuchtungsstarken und in Testr umen gemessenen Beleuchtungsst rken ergeben Abweichungen die im Rahmen der Rechen genauigkeit dieser Programme liegt Bereits w hrend dieser Arbeit k
32. der Laser 1 auf ein 90 Prisma gerichtet und mu te nach der Reflexion am Prisma sowohl die Drehachse treffen in der sich Laser 2 befand als auch durch Oberflachenreflexion in sich selbst zur ckgerichtet 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 erm glichte Dasselbe wurde nun mit Laser 2 durchgef hrt so da der Laserstrahl nach Reflexion am Prisma genau Laser 1 treffen mu te und wieder zu seinem Ausgangspunkt reflektiert wurde Laser 3 ee 9 0 P ri S m a TA a teeta E T A a a a sca Laser 2 Bild 27 Anordnung bei Laserjustage Nachdem der Stander mit Laser 2 genau senkrecht ausgerichtet war wurde das Prisma gedreht und der Vorgang f r den zweiten St nder wiederholt Dazu wurde genau in der Drehachse gegen ber dem Kabeleintritt ein dritter Laser montiert und auf das Drehzentrum auf der gegen berliegenden Seite ausgerichtet Mit dieser Ausrichtung konnte gew hrleistet werden da 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 m glich wenn sich der Justag
33. dung von Beleuchtungsanlagen in die Architektur des Geb udes eine wichtige Rolle Bei passenden Bauvorhaben k nnen hohle Lichtleiter mit ihren gro en Abmessungen eine interessante Alternative zu bekannten L sungen 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 Uber Heliostaten kann das Sonnenlicht in die Lichtrohre gelenkt werden und steht zur Beleuchtung von Raumen zur Verf gung wo das Sonnenlicht sonst auf direktem Weg nicht hingelangt 60 Hierbei sind nicht nur energetische Gesichtspunkte zu ber cksichtigen sondern auch die Qualit t des Sonnenlichtes das den visuellen Komfort dieser R ume positiv beeinflussen kann F r den kombinierten Einsatz von Kunst und Sonnenlicht sollen die Demonstrationsanlagen die im Laufe des ARTHELIO Projektes realisiert werden effiziente L sungen bieten Der ARTHELIO Prototyp 1 wird in einem bestehenden 3M Fabrikgeb ude in Carpiano ltalien installiert Das Tageslicht wird ber einen 1 achsig der Sonne nachgef hrten Heliostatenkopf vom Dach des Geb udes durch ein hochreflektierendes Rohr ber 10 m in eine tiefergelegene Fabrikhalle geleitet In Abh ngigkeit von den Tageslichtverh ltnissen wird Kunstlicht ber horizontale Seite 84 8 Ausblick Lichtrohre und elektronisch verfahrbare Schatter dosiert in die tageslichtgeflutet
34. e Anpassung der Kamera an die maximal auftretenden Leuchtdichten notwendig Hierzu mu die Position angefahren werden bei der die maximale Leuchtdichte gemessen werden kann Das Kamerabild ist dann durch die Auswahl geeigneter Graufilter so anzupassen da keine Pixel bersteuert werden Die Seite 68 6 Photometer Maximumsuche kann Uber die Software erfolgen wobei die C Ebene in der gesucht werden soll zu w hlen ist Oft gen gt jedoch eine Maximumsuche mittels der Funk Handsteuerung in dem betreffenden Bereich Dabei kann der Beleuchtungsst rkewert direkt im Display der Handsteuerung abgelesen werden Eine Einsch tzung der Leuchtdichtewerte kann bei Betrachtung des Live Bildes der Kamera gemacht werden wobei bersteuerte Bereiche rot gekennzeichnet werden und unbedingt zu vermeiden sind Zu beachten ist da Maximalwerte der Beleuchtungsst rke und der Leuchtdichte an unterschiedlichen Positionen auftreten k nnen 6 5 8 Dateiformat Die gewonnenen Me ergebnisse sollten ohne Probleme in bereits bestehende Lichtplanungsprogramme eingebunden werden k nnen F r den deutschsprachigen Raum ist das Eulumdat Format am weitesten verbreitet 64 Dieses Dateiformat ist f r die Berechnung von R umen mit hohlen Lichtleitern aber nur mit einigen Kompromissen anwendbar e Leuchten werden entweder als Quader oder als stehende Zylinder dargestellt bei denen der Lichtaustritt jeweils nach unten gerichtet ist Hohllichtleiter sind aber l
35. e Lichtleiter richtig eingesetzt 3 2 4 Prismen Lichtleiter Hohllichtleiter bei denen eine prismatische Folie als Reflektormaterial verwendet wird nutzen das Brechungsgesetzt von Snellius F llt ein Lichtstrahl aus dem Vakuum um Q gegen das Einfallslot geneigt auf die Oberfl che eines Medium so wird ein Teil reflektiert der Rest tritt unter Richtungs nderung Brechung in das Medium ein und l uft dort unter dem Winkel O2 gegen das Lot weiter 26 Bild 2 Brechungsgesetz nach Snellius Wenn n und ne die Brechzahlen der Medien sind gilt sind m sind m 3 Hohle Lichtleiter Seite 15 Beim bergang von einem optisch dichten Medium in ein optisch d nneres Medium n2 lt n wird das Licht vom Lot weggebrochen bis es parallel zur Oberfl che austritt Zu diesem 04 90 geh rt der Einfallswinkel ot mit A Ny n sina sin 90 n n Wird dieser Grenzwinkel r berschritten ist der bergang ins optisch d nnere Medium nicht mehr m glich 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 zur ckkehrt wird eine Folie eingesetzt auf deren Au enseite l ngslaufende Prismen eingearbeitet sind Bild 3 0 35mm Bild 3 Abmessungen der Prismenfolie F llt Licht auf die plane Oberfl che der Folie kann es nach zweimaliger Totalreflexion an d
36. einem 8 bit A D Umsetzer k nnen 256 Graustufen darstellen Dies ist f r die praktische Me technik oft zuwenig Da aber 440000 Pixel mehr als genug sind um ortsaufgel ste Informationen zu bekommen besteht die M glichkeit mehrere Pixel zu Makropixeln zusammenzufassen Als positiver Nebeneffekt steigt dadurch das Signal Rauschverh ltnis um den Faktor N wenn N die Anzahl der Pixel darstellt Bei station ren Messungen kann ber eine Variation der Integrationszeit die Aufl sung verbessert werden Dabei wird die Aufnahme der selben Szene solange wiederholt bis keine bersteuerten Pixel mehr vorhanden sind Seite 34 5 Photometrie Der Signalwert des einzelnen Pixel ist proportional der mittleren Leuchtdichte des Objektes in dem vom Sensorelement erfaBten Raumwinkel und der Fl che PU j S i j k COSE TEDD kL i j Mit den oben angegebenen Korrekturen folgt f r die Berechnung der Leuchtdichte aus dem zugeh rigen Grauwert L GW Gi j t DS t DS i j NL GW SH i j Wenn diese Punkte beachtet werden ist eine Eingruppierung in Klasse B der Leuchtdichteme ger te m glich 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 Me werte des Nahfeldgoniophotometers mit CCD Kamera und einem konventionellen Photometer zeigte Abweichungen die innerhalb der Me unsicherheiten der G
37. elaser 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 mu te 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 nderung der Schrittweite des Motorantriebes korrigiert werden und traten nach ca 3 Monaten Me betrieb nicht mehr auf Weiterhin ist mit dem fest eingebauten Laser eine Abstandskontrolle der Me und Justiereinrichtungen auf dem Sensorwagen m glich Dabei betr gt der Abstand Kamera Photoelement 5 und der Abstand Kamera Justagelaser 12 3 6 4 Kalibrierung Das Goniophotometer ist mit zwei voneinander unabh ngigen und von der Funktion her sehr verschiedenen Lichtsensoren ausger stet Die Lichtstrommessung und die Lichtst rkemessung f r kleine Lichtquellen mit einem Durchmesser lt 15cm beruhen auf einer Beleuchtungsst rkemessung Kapitel 5 Die MeBunsicherheit h ngt daher von der Qualit t des verwendeten Photometerkopfes ab Verwendet wird ein thermisch stabilisierter Photometerkopf der Firma PRC Krochman der einen f Kennwert f r die relative spektrale Empfindlichkeit von 1 41 aufweist Der Kennwert f der richtungsabh ngigen Bewertung betr gt 0 42
38. en Zonen transportiert Der zweite ARTHELIO Prototyp wird zur Tageslichtbeleuchtung eines fenster losen Treppenhauses im Geb ude der Firma Semperlux in Berlin aufgebaut 55 Das auf den 2 achsig nachgef hrten Heliostatenspiegel auftreffende Sonnenlicht wird mit Hilfe von vier Fresnellinsen fokussiert und ber Parabolreflektoren ins Ge b udeinnere gelenkt In einer Mischeinheit wird je nach Sonnenlichtangebot Kunstlicht erg nzt Das kombinierte Kunst Sonnenlichtgemisch wird auf zwei vertikale Hohllichtleiter aufgeteilt die das Treppenhaus ber drei Stockwerke gleichm ig beleuchten Bild 49 Porapolon Segmenie zur Konzentraton und Umlenkung Bild 49 ARTHELIO Demonstrationsanlage 2 Beide Demonstrationsanlagen werden mit einem Me system zum Langzeitmonitoring der erreichten Beleuchtungsst rken in den jeweiligen Nutzebenen ausger stet Gleichzeitig werden die Betriebsparameter der Kunstlichtquellen sowie die Stellungen von Mischeinheit und Shuttern registriert so da ein Vergleich mit den zuvor errechneten Werten m glich ist 9 Zusammenfassung Seite 85 9 Zusammenfassung Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern k nnen eine interessante Alternative zu bekannten Beleuchtungsl sungen 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 wer
39. en Prismen in das Lichtrohr zur ckkehren Bild 4 Der Lichtstrahl tritt an der Stelle 1 unter dem Winkel a in die Folie ein wird zum Lot hin gebrochen und erf hrt an der Stelle 2 Totalreflexion unter der Bedingung dass Or berschritten wird Wenn diese Bedingung an der Stelle 3 nochmals gew hrleistet ist wird der Lichtstrahl wieder total reflektiert und verl t die Folie an der Stelle 4 wobei der Lichtstrahl diesmal vom Lot weg gebrochen wird Nicht ber cksichtigt bei dieser Darstellung sind Reflexionen an den Oberfl chen beim Eintreten in die Folie und beim Verlassen Seite 16 3 Hohle Lichtleiter n 1 0002 Luft Polycarbonat Bild 4 Reflexion an der Prismenfolie Die Winkelbedingung die f r die Totalreflexion erf llt sein mu wenn das Licht senkrecht auf die plane Oberfl che in der Ebene einf llt wie in Bild 4 gezeichnet lautet I ad INS n 1 1 n2 V2 Ou min narcsin Fur Polycarbonat mit einer Brechzahl von 1 59 berechnet sich ein Winkel von 9 4 fur PMMA ist der Winkel noch kleiner und betragt nur 4 35 Betrachtet man Lichtstrahlen die senkrecht aus einer Ebene die in Langsrichtung zu den Prismen verlauft und somit senkrecht zu der Ebene in Bild 4 einfallen erfahren diese unabhangig vom Einfallswinkel Tolalreflexion Fur die Kombination aus den beiden m glichen Einfallswinkeln ergibt sich dann ein Bereich f r den die Totalreflexion m glich ist und der nach 6 wie folgt beschrieben
40. en sind geht der Wirkungsgrad bei 120 um ca 10 zur ck Auch erkennt man den Einflu des Strahlers Die Wirkungsgrade des 100 W Strahlers liegen um 6 9 h her als beim 70 W Strahler Insgesamt liegen diese Werte aber deutlich unter den vergleichbaren Daten f r das System mit 25 cm Durchmesser Erst wurde ein Zusammenhang mit der gr eren Anzahl der Reflexionen in dem kleineren Rohr vermutet Die Ursache liegt aber tats chlich in der Ausf hrung des Extraktors der vom Hersteller ge ndert wurde und nach einer zweiten Me reihe zu wesentlich besseren Ergebnissen f hrt Tabelle 7 Das System mit 120 Lichtaustrittsfenster wurde dabei nicht mehr ber cksichtigt Tabelle 7 Wirkungsgrade N pipe f r prismatische Hohllichtleiter mit 10 cm Durchmesser und Lichtaustrittsfenstern von 90 und 180 6m 12m 18m mono bid bid 7 76 Luz Austausch von Vorschaltger te und Lampe w hrend der Messreihe 1 mono einseitige Lichteinspeisung 2 bid zweiseitige Lichteinspeisung 7 Messergebnisse Seite 79 Die Wirkungsgrade liegen mit der verbesserten Ausf hrung nun in der gleichen Gr enordnung 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 Einzelst cken Zu beachten ist da bei dieser Me reihe und bei der 12 m Messung mit 90 Lichtaustrittsfenster je ein Vorschaltger t und eine Lampe getausch
41. enen und berechneten Beleuchtungsst rken um teilweise mehr als Faktor 2 reduziert werden Problematisch bei der Methode ist die Existenz von mehreren LVK s f r 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 m glich bei dem der Empf nger aus einem Raster Photometerkopf mit parallel angeordneten Tuben besteht 24 23 Diese Tuben 5 Photometrie Seite 31 haben einen sehr kleinen Offnungswinkel ca 2 Wenn der Raster Photometerkopf mindestens die AusmaBe der zu vermessenden Leuchte hat kann die Lichtstarkeverteilung der Leuchte in geringer Entfernung gemessen werden Neben der Gr e des Raster Photometerkopfes ist die hohe Absorption in Tuben des Empfangers nachteilig Die Idee der gleichzeitigen Erfassung des Lichtes welches in eine bestimmte Richtung ausgesendet wird f hrt aber zur L sung des Problems wenn man mit bildaufl senden MeBsystemen auf Basis von CCD Empf ngern arbeitet Zun chst wurde versucht mit gew hnlichen TV Kameras Leuchtdichtemessungen zu unternehmen 65 Die Beschr nkung auf nur vier Me bereiche 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 5
42. er definiert ist als das Verh ltnis des aus dem gesamten Hohllichtleiter austretenden Lichtstromes zum Lichtstrom der aus dem eingesetzten Projektor austritt F r die jeweiligen Teilst cke die vermessen werden gilt dies anteilig Problematisch ist aber da der Lichtstrom der in das jeweilige Teilst ck eintritt nur f r das erste Element bekannt ist Die M glichkeit den Lichtstrom des Projektors durch die Anzahl der Teilst cke zu dividieren wurde verworfen da aufgrund der ungleichm igen Lichtstromverteilung entlang des Hohllichtleiters Kapitel 7 am Anfang desselben Teilwirkungsgrade von mehr als 100 aufgetreten w ren Deshalb wurde der Lichtstrom des Projektors als der eintretende Lichtstrom f r jede Teilmessung angenommen und der jeweilige Teilwirkungsgrad gebildet aus dem Verh ltnis von Lichtstrom des Teilst ckes zu dem Lichtstrom des Projektors Der Gesamtwirkungsgrad berechnet sich dann durch einfache Addition der Teilwirkungsgrade Zu beachten ist da einige Planungsprogramme den gesamten eingesetzten Lichtstrom angeben und da dieser Wert um einen Faktor zu gro 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 L nge 4 m 20 m Durchmesser 10 cm 30 cm und Lichtaustritts
43. er te lagen 21 5 3 Photometrie von hohlen Lichtleitern Unabh ngig von den in Kapitel 5 2 aufgezeigten Verfahren sind in der ber hundertj hrigen Geschichte der hohlen Lichtleiter verschiedene M glichkeiten beschrieben worden die lichttechnischen Daten von Lichtrohren zu ermitteln Im Folgenden werden einige Verfahren genauer dargestellt die einen Bezug zu der Me methode oder zu den Materialien haben die f r das ARTHELIO Projekt relevant sind 5 3 1 Messung der Beleuchtungsst rke Eine M glichkeit zur Bestimmung des Lichtstromes ist das Messen der Beleuchtungsst rke direkt auf der Au enseite des Hohllichtleiters 30 Dazu mu ein geeigneter Empf nger in L ngs als auch in Radialrichtung auf der Oberfl che des Lichtrohres entlang gef hrt werden Im Idealfall ist dabei die gemessene 5 Photometrie Seite 35 Beleuchtungsstarke gleich der spezifischen Lichtausstrahlung und erlaubt damit eine Aussage Uber den emittierten Lichtstrom A gt Zu beachten ist da die Empf nger normalerweise eine plane Oberfl che besitzen und daher in Abh ngigkeit des Krummungsradius des Lichtrohres nicht exakt auf der Oberfl che positioniert werden k nnen Weitere Abweichungen k nnen durch den Abstand entstehen den der eigentlich lichtempfindliche Teil des Empf ngers vom Lichtrohr hat Durch notwendige Streuscheiben und Blenden f r die Cosinusanpassung befindet sich dieser lichtempfindliche Teil des Empf ngers stets in e
44. erfahrgrenzen auch als zweiseitiges Me objekt 150 16 gt 1802 169 150 135 139 a FE ges e wo 120 PLC ON a X a 120 SE Ge See En l G gt 90 IS let 90 i am Nai ie NS ea DL SOE i E E N gt x Sged Be i a 1 N A x x FT 60 amp E SA ee ee ee 7 60 Nr a 4 I x 450 30 0 30 450 C0 0 C180 0 __ C90 0 C270 0 Bild 36 Lichtst rkeverteilungskurven f r einen Hohllichtleiter als einseitiges MeBobjekt Seite 66 6 Photometer Bild 36 zeigt die Lichtstarkeverteilungskurven f r einen Spaltlichtleiter als einseitiges Me objekt 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 Vorw rtscharakteristik zu erkennen die ihre Ursache in der Ausstrahlungsrichtung des Scheinwerfers hat In der CO C180 Ebene sieht man dagegen eine rotationssymmetrische Lichtverteilung F hrt man dieselbe Messung des Teilst cks nochmals durch nur jetzt als zweiseitiges MeBobjekt findet man die C90 C270 Ebene nahezu unver ndert vor w hrend die CO C180 Ebene durch die fehlenden Me werte im Bereich zwischen 75 und 105 einen deutlichen Einschnitt aufweist Bild 37 30 0 30 45 c0 0 C180 0 _ C90 0 C270 0 Bild 37 Lichtstarkeverteilungskurven f r einen Hohllichtleiter als zweiseitiges MeBobjekt Diese Ergebnisse waren durch die Bereichsdarstellung in Bild 3
45. ergebnisse Aufgrund der kleinen Abmessungen l t sich das Licht sehr gut b ndeln und mit nur geringen Verlusten in den Hohllichtleiter einspeisen Ein Gesamtwirkungsgrad von 70 ist sogar im Vergleich mit konventionellen Beleuchtungsanlagen ein sehr guter Wert F r das System mit der Schwefellampe kann kein Betriebswirkungsgrad angegeben werden 66 Lichtrohrwirkungsgrad weisen aber darauf hin da dieser Typ von Hohllichtleiter nicht optimal konfiguriert ist Dennoch wird eine beachtliche Lichtausbeute von 57 Im W erreicht Diese liegt deutlich ber den anderen vermessenen Systemen und macht deutlich wie gut dieser Lampentyp f r den Einsatz mit Hohllichtleitern geeignet w re 8 Ausblick Seite 81 8 Ausblick Hohllichtleitersysteme haben meistens einen niedrigeren Wirkungsgrad als vergleichbare konventionelle Beleuchtungsanlagen und damit verbunden auch h here Betriebskosten 57 Diesen Nachteil k nnen sie teilweise durch geringere Wartungskosten ausgleichen Die Wartungskosten entstehen durch den Wechsel der Lampen am Lebensdauerende oder auch durch notwendige Reinigungen der Beleuchtungsanlage und k nnen in schwierigen Situationen wenn Ger ste oder Steiger eingesetzt werden m ssen enorme Kosten verursachen Diese Kosten k nnen sich durch eventuelle Betriebsbeeintr chtigungen w hrend der Wartungsarbeiten weiter erh hen und im Extremfall die Kosten f r die Installation der Lichtrohre und die Energiekosten f r deren Betrieb
46. ernen Teil 1 Licht 6 97 Teil 2 Licht 10 97 Aizenberg J B Korobko A A Hollow Light Guides Based On Prismatic Total Internal Reflektion Film A Review Light amp Engineering Vol 2 No 4 S 4 8 1994 Ashdown I Near Field Photometry In Practice IESNA Annual Conference 1993 Houston S 413 425 Ashdown Near Field Photometry A New Approch Journal of the IES Winter 1993 S 163 180 Ashdown I Near field photometric method and apparatus U S Patent Nr 5253036 Ashdown I Solving The Near Field Problem Lighting Magazine 6 1992 S 38 40 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 Bradford R A Stannard S Refinements to Application Distance Photometry IESNA Annual Papers 1991 S 241 273 CIE TC 3 30 Hollow Light Guides Technical Publication Hollow Light guide Technology and Applications 1999 Seite 88 10 Literatur 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 CIE Publ 13 2 Verfahren zur Messung und Kennzeichnung der Farbwiedergabe Eigenschaften von Lichtquellen 1988 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 DIN 5032 Teil 6 Lichtmessung
47. erung da mit der CCD Kamera nur Relativwerte der Leuchtdichte aufgenommen werden Zum anderen sorgt die V A Filterung auf dem Photoelement f r die notwendige Anpassung an die relative spektrale Augenempfindlichkeit So ist es m glich die in Kapitel 5 2 beschriebenen Probleme der Kameraanpassung zu vermeiden Der Versatz dieser beiden Sensoren ist im Rechner hinterlegt und wird w hrend der Messung ber cksichtigt Um weitere 7 2 versetzt ist der Justagelaser siehe Kapitel 6 3 angeordnet Seite 50 6 Photometer 6 2 5 Kabelfuhrung Fur die Stromversorgung und den Signaltransport werden 3 separate Leitungen ben tigt Eine 50 adrige Leitung f r die CCD Kamera eine 4 adrige Leitung f r den Me verst rker und ein Triaxialkabel f r den Photostrom Die Kabelzuleitung f hrt durch das Drehlager gegen ber des Antriebsmotors Die drei Kabel werden ber 40 Rollen gef hrt und k nnen der Bewegung des Sensorwagens folgen Es galt dabei einen Kompromi zwischen Anzahl der Adern und zul ssigen Biegeradius zu finden Die Kabelf hrung durch die Drehachse ist nicht unproblematisch Da die Leitungen nebeneinander gef hrt werden besteht die Gefahr da die F hrungsrollen verlassen werden wenn Bogen und Sensorwagen gleichzeitig bewegt werden Deswegen erlaubt die Steuerung ein Verfahren des Sensorwagens nur bei senkrecht stehenden Bogen Au erhalb des Bogens werden die Kabel ber einen Flaschenzug gef hrt und mit einem angeh ngten Gewicht auf
48. es durch den cos Randabfall des verwendeten Objektives und durch Empfindlichkeitsunterschiede der Pixel selbst Auch dieses Verhalten kann w hrend der Kalibrierungsphase ermittelt und korrigiert werden e V A Anpassung Aufgrund der geometrischen Verh ltnisse der CCD Matrix bei der jedes Pixel Licht aus einer anderen Richtung bewertet kann nicht mit den bew hrten Partialfiltern gearbeitet werden Es m ssen Vollfilter eingesetzt werden Ein weiteres Problem ist schr g einfallendes Licht das unterschiedliche Wege durch das Filter zur cklegen mu und auch an den Grenzen zwischen zwei Filtergl sern unterschiedlich gebrochen wird Zur L sung dieser Schwierigkeiten mu die spektrale Empfindlichkeit des CCD Sensors m glichst genau bekannt sein und anschlie end mu aus qualitativ hochwertigen und m glichst d nnen Filtergl sern ein Vollfilter hergestellt werden 63 Damit ist es m glich die f1 Kennzahl 16 auf weniger als 3 5 zu senken Man liegt damit aber immer noch deutlich ber den f 1 Werten von partialgefilterten Photoelementen die einen Wert von ca 1 4 aufweisen 48 e Streulichteinflu An den Grenzfl chen von optisch unterschiedlichen Materialien kommt es zu Reflexionen an der Oberfl che Dies gilt sowohl f r die Oberfl che der CCD Matrix als auch f r die Linsen des verwendeten Objektives Hier mu bei der Auswahl der Objektive auf deren streuarmes Verhalten geachtet werden e Dynamikumfang CCD Kameras mit
49. et 37 Dabei wird der Hohllichtleiter segmentiert und das zu vermessende St ck so klein gew hlt da f r dieses Segment die photometrische Grenzentfernung nicht unterschritten wird F r kleine Rohrdurchmesser 8 cm ist das Verfahren getestet worden und brachte zufriedenstellende Ergebnisse Jedoch ist zu beachten da nur 20 cm lange Teilstucke der Lichtrohres untersucht wurden und hierbei schon eine Grenzentfernung von 90 cm ermittelt wurde Leuthold schl gt einen MeBaufbau mit feststehendem Pr fling und verfahrbarer MeBeinrichtung vor der aber nicht realisiert wurde Bild 13 x Photoelement 90 Verkippung Ce rma Lichtleiter C Ebenenachse j j i if A 94 H henverstellung ca 50 cm z4 Rader Bild 13 MeBaufbau nach Leuthold 5 Photometrie Seite 37 Auch diskutiert Leuthold die M glichkeit den Me aufbau mit einer CCD Kamera zu erweitern damit innerhalb der photometrischen Grenzentfernung gearbeitet werden kann 5 3 4 Messung mittels Aperturblende Ein hnliches Verfahren zur Messung au erhalb der photometrischen Grenzentfernung wird in 13 dargestellt Dabei wird mittels einer Apperturblende nur ein kleiner Teil des Lichtrohres erfa t was die Grenzentfernung entsprechend reduziert und damit den Bau kleinerer Photometer erlaubt Bild 14 Aperturblende Hohllichtleiter Bild 14 Hohllichtleiter mit Aperturblende Nachteilig ist da w hrend der Messung die Aperturb
50. etriebene Lochscheibe auf der Bohrungen in verschiedenen Abst nden angeordnet sind Bild 24 Diese Abst nde sind im Steuerrechner hinterlegt Bei der Initialisierungsfahrt reicht daher eine Wegstecke aus die ber 2 Bohrungen hinwegf hrt 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 Winkelaufl sung von 0 001 Dabei gibt der Hersteller eine reproduzierbare Winkeleinstellung mit einer MeBunsicherheit von weniger als 0 002 an Die beiden St nder die den Bogen halten sind auf zwei im Fundament eingelassenen Stahlplatten befestigt ber je 4 Stellschrauben auf jeder Seite ist ein Ausrichten der St nder m glich 6 2 4 Sensorwagen Im Inneren des drehbaren Bogens bewegt sich der Sensorwagen angetrieben von einem Endloszahnriemen der ber 69 kugelgelagerte Rollen gef hrt 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 Bogenlange von 70 ist der Sensorwagen in der Lage ber das fehlende Bogenst ck zu fahren obwohl in diesem Teil des Bogens keine F hrungsschiene vorhanden ist Dabei bernimmt die eine Seite des Endloszahnriemens solange den Antrieb bis der Sensorwagen die Bogenl cke berquert hat und auf de
51. etry Journal of the IES Summer 1987 S 129 136 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 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 Pearson H Piping light with acrylic materials Modern Plastics August 1946 S 123 127 PRC Krochmann GmbH Me protokoll Photometerkopf vom 18 05 1998 Pritchard E H Simons R H High speed photometer for measuring light intensity distributions Lighting Research and Technologies 24 2 107 111 1992 Rattunde R Stolzenberg K Das neue Goniophotometer mit Drehspiegel am Institut f r Lichttechnik der Technischen Universitat Berlin LICHT 3 4 1989 S250 253 Rea M S Jeffrey 1 G A new Luminace and Image Analysis System for Lighting and Vision JOURNAL of the Illuminating Engeneering Society Winter 1990 S 64 72 Riemann M Schmidt F Poschmann R Verfahren und Anordnung zur Messung der Lichtst rkeverteilung von Leuchten und Lampen Patentschrift DE4110574 C2 Deutsches Patent und Markenamt 10 Literatur Seite 91 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 Riemann M Schmidt F Poschmann R Zur Bestimmung der Lichtstarkeverteilung von Leuchten innerhalb der fotometrischen Grenzentfernung mittels eines bildaufl
52. fenster 90 180 Au erdem wurden unterschiedliche Lichteinspeisungen eingesetzt und der Einflu des Rohrendes Endspiegel zweite Einspeisung untersucht Die auff lligsten Me ergebnisse werden im folgenden dargestellt 7 1 Lichtstarkeverteilungen Die Lichtstarkeverteilung LVK der gemessenen Teilstucke kann sehr unterschiedlich sein Es finden sich sowohl breitstrahlende LVK s die den Batwing Verteilungen von Spiegelrasterleuchten hneln als auch tiefstrahlende LVK s wie man sie typischerweise bei Downlights vorfindet Hierbei ist zun chst die Gr e des Lichtaustrittsfensters bestimmend das den maximalen Ausstrahlungswinkel vorgibt Aber auch die Extraktorbreite der Prismenlichtleiter haben einen Einflu auf die Lichtst rkeverteilung So konnte bei Hohllichtleitern mit einem Durchmesser von 25 cm und einem Lichtaustrittsfenster von 180 eine deutliche nderung der Ausstrahlungscharakteristik festgestellt werden von breitstrahlend am Anfang des Hohllichtleiters zu tiefstrahlend an dessen Ende Bild 39 30 30 15 0 30 15 0 30 c0 0 C180 0 C90 0 270 0 c0 0 C180 0 c90 0 C270 0 Bild 39 Beispiele f r extrem sich andernde LVK s an Hohllichtleitern 7 Messergebnisse Seite 71 Eine solche Tendenz konnte wenn auch in abgeschwachter Form fur alle gemessenen Hohllichtleitersysteme festgestellt werden Ebenso haben alle
53. gegangen daB die relative Verteilung dieser beiden Lichtstr me spiegelsymmetrisch ist und somit die Messung des vorw rtsgerichteten Lichtstromes gen gt wenn zur Bestimmung der absoluten Werte ein Asymmetriefaktor verwendet wird Diese Messung kann durchgef hrt 5 Photometrie Seite 39 werden wenn das Ende des Hohllichtleiters mit einem Absorber versehen wird Es werden leider keine Me ergebnisse mitgeteilt die mit dieser Methode erzielt wurden Zur berpr fung dient ein Vergleich zwischen den gemessenen und mit der beschriebenen Methode berechneten Beleuchtungsst rken 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 durchgef hrt wurde Auch wird in dem Artikel der mechanische Aufbau des Goniophotometers und die Durchf hrung der Me werterfassung nicht beschrieben Seite 40 6 Photometer 6 Photometer 6 1 Entwicklung Bei der Entwicklung des Photometers wurde von Anfang an die Meinung vertreten da es sinnvoller ist den Me aufbau station r zu gestalten und die Hohllichtleiter entlang ihrer L ngsachse zu bewegen Der erste Entwurf f r den Bau des Photometers orientierte sich an Anlagen mit konventionellen Photoelementen die f r die schnelle Messung der Lichtst rkeverteilung entwickelt wurden 49 und bei denen im Entwicklungsstadium der Leuchten die Me genauigkeit zugunsten der Me geschwindigkeit vernachl ssigt w
54. gekommen ist wurden weitere Vorsichtsma nahmen hinzugef gt Eine Kontaktmatte im Drehbereich des Bogens verhindert den Betrieb des Photometers bei Aufenthalt von Personen dort Da an der Bogenl cke keine Endschalter zur Sicherung montiert werden k nnen wurde auf jeder Seite eine Infrarot Reflexlichtschranke eingebaut die die Bewegung des Bogens stoppt sobald sich ein Gegenstand innerhalb dieser Lichtschranke befindet F r Messungen bei denen das Me objekt oder der Probenhalter in die Bogenl cke eintreten darf nachdem der Sensorwagen diese verlassen hat k nnen die Lichtschranken mit einem Schalter au er Funktion gesetzt werden 6 2 7 Koordinatensysteme Das Goniophotometer arbeitet mit zwei unterschiedlichen Koordinatensystemen bei denen jeweils die Position des Bogens und die Position des Sensorwagens angibt O 1807 180 P 180 180 Bild 25 Festlegung des Koordinatensystems des Goniometers Seite 52 6 Photometer Bild 25 zeigt das festgelegte Koordinatensystem des Goniophotometers mit 180 lt 9 lt 180 und 180 lt p lt 180 Die 8 0 Position orientiert sich an dem lichttechnischen C Ebenen System und befindet sich nicht in einem der Pole des Kugelkoordinatensystems sondern senkrecht unter dem MeBobjekt Dieses Koordinatensystem wird bei der Handsteuerung Kapitel 6 5 2 und der Notsteuerung Kapitel 6 5 3 benutzt Bild 26 zeigt das Kugelkoordinatensystem f r die Positionierung der CCD Kamera mit 0
55. hnoTeam Bildverarbeitung GmbH und PRC Krochmann GmbH danke ich f r die Unterst tzung bei der Realisierung der Me anlage und den Firmen 3M Siteco Tubosyder Semperlux NILSlight und artpart f r das Bereitstellen von Me objekten Besonders bedanken m chte ich mich bei Dr Gy rjy Czibula dessen Engagement und Interesse f r einen erfolgreichen und fristgerechten Aufbau des Goniophotometers weit ber das bliche Ma hinausging Bei den Mitarbeitern des Fachgebietes Lichttechnik Herrn Volz und Herrn Oertwig bedanke ich mich f r die tatkr ftige Unterst tzung bei praktischen Problemen und bei Frau Isfort f r die Hilfe bei administrativen Angelegenheiten Ich danke meiner Familie die mir stets den R cken freigehalten hat sowie Hella f r das Korrekturlesen und meiner Frau Karen die fter auf meine Anwesenheit verzichten mu te als dies geplant war Ein ganz spezieller Dank geht an Helen Luise die noch gar nicht wei wie sehr sie durch ihr fr hliches Lachen und mit durchgeschlafenen N chten zum Gelingen dieser Arbeit beigetragen hat Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG 2 DAS ARTHELIO PROJEKT 3 HOHLE LICHTLEITER 3 1 Entwicklung 3 2 Technik 3 2 1 Lichtleit Fasertechnik 33252 Linsen Lichtleiter 3 2 3 Schlitzlichtleiter 3 2 4 Prismen Lichtleiter 4 BELEUCHTUNGSANLAGEN MIT HOHLLICHTLEITERN 4 1 1 Lichtquellen 4 1 2 Hohllichtleiter 4 1 3 Extraktor 5 PHOTOMETRIE 5 1 Grunds tzliches 5 1 1 Messung des Lichtstromes
56. icht geeignet ist wird ber die Verteilung des Lichtes mit Hohllichtleitern nachgedacht Erste Anlagen mit verspiegelten R hren wurden in Ru land 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 Nr Nee P 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 f hrten dazu da 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 d nneres Medium wechselt Zum anderen wurde das Licht entlang der L ngsachse des Lichtleiters ausgekoppelt Pearson beschrieb einen massiven Acryl Lichtleiter der den heutigen Faser Lichtleitern hnelt 47 Er erkannte aber auch die Probleme die insbesondere beim E
57. ichtleiterhersteller Das Projekt hat als wesentliches Ziel die Entwicklung eines Beleuchtungssystems zur Verbesserung von Geb udeenergiebilanzen 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 ber eine der Sonne nachgef hrte Heliostateneinheit in hohle Lichtleiter eingekoppelt und durch diese in gro e Raumtiefen weitertransportiert werden wo das direkte Tageslicht durch Fenster ffnungen sonst nicht hingelangt Reicht das zur Verf gung stehende Tageslicht nicht aus soll das Kunstlicht der Schwefellampe zur Erg nzung und zum Erreichen der geforderten Beleuchtungsst rken verwendet werden Die Schwefellampentechnik bietet sich durch ihr kontinuierliches Spektrum einer hnlichen Farbtemperatur von ca 6000 K und einer hohen Systemlichtausbeute von ca 90 Im W als geeignete Tageslichterg nzung an 34 70 Die Dimmbarkeit ber 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 f r die Lampe und 15000 h f r das Magnetron machen die Schwefellampe zu einer umweltfreundlichen Alternative gegen ber den meistens 2 Das ARTHELIO Pr
58. iegende Zylinder mit einem Lichtaustritt nach unten Da die Geometrie der Leuchte auf die Berechnung der Beleuchtungsst rken keinen Einflu hat wurden die Me objekte als Quader definiert deren H he dem Durchmesser des Hohllichtleiters entsprach Ist mit der Berechnung gleichzeitig eine Visualisierung verbunden besteht die M glichkeit den Hohllichtleiter als stehenden Zylinder zu definieren und ihn anschlie end im Berechnungsprogramm zu drehen Dabei wird aber gleichzeitig auch die zugeh rige Lichtst rkeverteilung gedreht die folglich unabh ngig von der Leuchte in ihre urspr ngliche Richtung zur ckgedreht werden mu Damit sind gew hnliche Beleuchtungsplanungsprogramme oft berfordert so da dies nur durch direktes Editieren der Leuchtendatei oder mit zus tzlichen Softwareprogrammen m glich ist e Durch die Angabe der elektrischen Leistung der verwendeten Leuchte in der Eulumdat Datei kann das Planungsprogramm die spezifische Leistung in W m ausrechnen F r den Planer ist dies eine wichtige Gr e zur Beurteilung der 6 Photometer Seite 69 Wirtschaftlichkeit der Beleuchtungsanlage Zur korrekten Berechnung mu deshalb die elektrische Leistung durch die Anzahl der Teilmessungen dividiert werden e Der Betriebswirkungsgrad N s einer Leuchte ist definiert als das Verh ltnis des aus der Leuchte austretenden Lichtstromes zum Lichtstrom der eingesetzten Lampe F r Hohllichtleiter ist aber der Wirkungsgrad pipe interessant d
59. in als der zweifache Abstand zwischen Drehachse und Empf nger In der Praxis findet man selten MeBapparaturen die Lichtquellen mit mehr als 2m L nge erlauben Somit ist dieses Me verfahren nur f r sehr kleine Hohllichtleiter gebr uchlich 5 1 2 Messung der Lichtst rke und Lichtst rkeverteilung Die Messung der Lichtst rke wird in den meisten F llen ber eine Beleuchtungsst rkemessung mit anschlie ender Anwendung des photometrischen Entfernungsgesetzes durchgef hrt I Be COSE Q Der kleinste Abstand r zwischen Lichtquelle und Empfanger von dem an das Entfernungsgesetz f r einen bestimmten Me fehler als g ltig angesehen werden kann wird photometrische Grenzentfernung genannt Sie ist von verschiedenen Faktoren abh ngig e von den Abmessungen der Lichtquelle e von der geforderten photometrischen MeBunsicherheit innerhalb der sich der Unterschied zwischen der in einer bestimmten Me entfernung ermittelten scheinbaren Lichtst rke definiert als Produkt aus der in dieser Entfernung Seite 26 5 Photometrie gemessenen axialen Beleuchtungsstarke und dem Quadrat dieser Me entfernung und der tats chlichen Lichtst rke dieser Lichtquelle Grenzwert des Produktes bei unendlich gro er MeBentfernung bewegen darf e von der r umlichen Lichtst rkeverteilung bzw der r umlichen Leuchtdichte verteilung der Elemente der Lichtquelle je spitzer die Verteilung ist desto gr er ist die Grenzentfernung e vo
60. inem gewissen Abstand zur Oberfl che des Lichtrohres Au erdem k nnen Mehrfach Reflexionen zwischen den Oberfl chen von Hohllichtleiter und Empf nger auftreten Die Summe dieser Me fehler kann durch eine Vergleichsmessung eines Rohr Teilst ckes in einer Ulbrichtschen Kugel gemessen werden und betr gt ca 3 78 Das Verfahren ist aber je nach Anzahl der gew hlten Me punkte sehr zeitaufwendig und macht au erdem keine Aussage ber die Richtungsabh ngigkeit des ausgesandten Lichtstromes 5 3 2 Turbosider Der italienische Hersteller von hohlen Lichtleitern f r die Tunnelbeleuchtung gibt in seinen Produktinformationen Lichtst rkeverteilungskurven in cd klm f r die C0 C180 Ebene an 69 Dabei wurde die Beleuchtungsst rke in 1 m Entfernung ermittelt und diese Werte wurden anschlie end ber das photometrische Entfernungsgesetz in Lichtst rken umgerechnet Die photometrische Grenzentfernung wurde jedoch v llig au er acht gelassen Deshalb f hren diese angegebenen Lichtst rken durch erneute Anwendung des photometrischen Entfernungsgesetzes in unterschiedlichen Entfernungen zu fehlerhaften Beleuchtungsst rken 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 Me methode vorgeschlagen wird die mit konventioneller Photometrie au erhalb der photometrischen Grenzentfernung arbeit
61. ingang Hof Spiralphotometer lt Motor Vorzeichen f r Achse 1 Bogen und f r Achse 3 Linearmotor 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 Gesamtl nge in einzelne Teilst cke zu unterteilen von denen keines l nger als ein Meter sein darf Das interessierte Teilst ck wird in die Mitte der Me einrichtung gefahren und die restlichen Teilst cke sind mit schwarzen T chern abzudunkeln Da auch diese schwarzen T cher einen Teil des Lichtes reflektieren wurde zur Bestimmung dieses Reflektionsanteils eine Beleuchtungsst rkemessung direkt auf der Lichtrohroberfl che durchgef hrt Nach Entfernen der T cher sank der gemessene Wert um 0 3 Dieser erh hte Lichtstrom wurde sp ter bei der Aufarbeitung der Eulumdat Datei ber cksichtigt und entsprechend korrigiert 6 Photometer Seite 63 6 5 5 Festlegung der Verfahrgrenzen Bei der Messung von Testobjekten st t entweder bei kleinen Lichtquellen der Probenhalter an einer Stelle oder bei gro en Lichtquellen wie z B Hohllichtleitern das Testobjekt selbst an zwei Stellen durch die Kugeloberfl che welche von der MeBeinrichtung abgefahren wird Zur Vermeidung von Kollisionen k nnen deshalb die Verfahrgrenzen ent
62. inkoppeln des Lichtes entstehen und den Wirkungsgrad solcher Systeme begrenzen Damit sind sie f r die Allgemeinbeleuchtung nicht geeignet Ein weiterer Nachteil sind die hohen Kosten dieser Systeme die f r 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 ermdglichte die Massenproduktion von reflektierenden Materialien deren optische Eigenschaften denen von herk mmlichen Glasspiegeln in nichts nachstanden aber nur einen Bruchteil der Kosten verursachten In der fr heren UdSSR wurden viele Anlagen mit diesen metallisierten Folien errichtet bei denen die Folienst rke nur 20 50 um betr gt Das Licht tritt durch einen L ngsschlitz aus weshalb dieser Typ von Hohllichtleiter auch Schlitzlichtleiter genannt wird 4 Typische Beispiele bestanden aus Lichtr hren mit 275 mm 600 mm Durchmesser 6 m 18 m L nge und wurden mit Halogenmetalldampflampen mit bis zu 700 W Leistung betrieben Ohne Kenntnis der sowjetischen Arbeiten ber Schlitzlichtleiter war Whitehead der Meinung da Hohllichtleiter auf Basis des Effektes der Totalreflexion preisg nstig und sehr effizient sein m ten Er erfand 1982 die Mikroprismenfolie eine lichtdurchlassige Folie aus Polycarbonat oder PMMA Polymethylmethacrylat auf der einseitig rechtwinklige Prismen angeordnet sind 77
63. iophotometer Seite 60 6 Photometer Hierbei ist eine sehr zufriedenstellende Ubereinstimmung feststellbar Aus den Zahlenwerten errechnet sich f r die 0 Ausstrahlungsrichtung eine Abweichung des neuen Me verfahren von 1 03 cd klm was einer relativen Abweichung von 1 3 entspricht Die minimale Abweichung wurde mit 0 1 cd klm die gr te Abweichung mit 12 85 cd klm gemessen woraus sich eine relative Abweichung von 17 ergibt Die durchschnittliche Abweichung aller Me werte betrug 1 9 cd klm Betrachtet man nur den unteren Halbraum in den Uber 80 des Lichtstromes ausgestrahlt wird betr gt die durchschnittliche Abweichung 2 1 cd klm was eine durchschnittliche relative Abweichung von 3 6 bedeutet 6 5 Me ablauf 6 5 1 Initialisierung Vor Beginn einer Bewegung der drei Achsen m ssen diese zun chst initialisiert werden Mit der Steuerungssoftware ist nur die Initialisierung aller drei Achsen auf einmal m glich Die Probenhalter und der Sensorwagen erhalten ihre Position durch das Anfahren von Referenzschaltern Die Position des Bogens wird durch die mitgef hrte Lochscheibe bestimmt Kapitel 6 2 3 Wichtig ist die Kenntnis der Bewegungsrichtung w hrend der Intitialisierungsfahrt da diese nicht immer bei den gewohnten Ruhelagen beginnen mu Nach Bet tigen eines Not Aus Schalters oder nach einem Neustart des Steuerrechners kann die Initialisierungsfahrt an einer Stelle beginnen von der eine Kollisionsgefahr ausgehen kann
64. ist in Bild 20 zu sehen Bild 20 Querschnitt des Aluminiumprofils Dieses Profil zeichnet sich durch eine sehr hohe Stabilit t aus und wird in unterschiedlichen Ausf hrungen f r viele Teile des Goniophotometers verwendet 6 Photometer Seite 45 Das Schienensystem ist sowohl in der H he durch die Verwendung von Gewindestangen als auch in Richtung quer zur Langsachse durch den Einsatz von Langl chern justierbar An den AuBenseiten der Aluminiumprofile sind zwei Stahlstangen eingesetzt Diese Stangen dienen zur F hrung der Probenhalter die auf jeder Seite mit 2 Rollen in die Stangen greifen Bild 21 F Bild 21 Oberteil Probenhalter Die Probenhalter bestehen aus den Aufnahmen f r das Schienensystem und einer Teleskopstange die eine Montage der Lichtrohrsysteme in unterschiedlichen H hen zul t Die gr te L nge betr gt dabei 1720 mm und kann auf 1060 mm stufenlos reduziert werden Mittels einer Spannmutterfixierung werden die Teleskopstangen in der gew nschten H he arretiert Sind keine Me objekte in den Probenhaltern montiert sorgt eine Spiralfeder f r ein Zusammenschieben der Teleskopstangen in der minimalen Stellung Bewegt werden die Probenhalter mit einem Zahnriemen der entlang der L ngsachse 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 Dadu
65. ite 57 Beleuchtungsstarkewerte aufgenommen und daraus der Lichtstrom berechnet Die Abweichung des Lichtstromes vom erwarteten Sollwert des Kalibrierscheins betrug 2 3 Prozent Dieser Wert lie sich jedoch verringern indem man den Bereich der Kugeloberfl che ber cksichtigte der konstruktionsbedingt durch die Halterung verdeckt wird und aufgrund der Verfahrgrenzen Kapitel 6 5 5 vom Photometerkopf nicht erfa t werden konnte Dazu wurde die Lampe um 180 Grad um ihre vertikalen Achse gedreht und die Messung wiederholt Die so ermittelten Werte f r den Bereich der Abschattung wurden bei der ersten Messung ber cksichtigt und der Lichtstrom erneut berechnet Mit dieser Methode war es m glich die relative Abweichung des Me wertes vom Sollwert auf 1 5 Prozent zu verringern Tabelle 2 Tabelle 2 Ergebnisse der Lichtstromkalibrierung Relative Pn Pmes Ae Abweichung Im Im Im Messung ohne 1447 1415 32 2 3 Korrektur Messung mit 1447 1469 22 1 5 Korrektur 6 4 2 Lichtst rkekalibrierung F r gro e Lichtquellen wird die Lichtst rke mittels der CCD Kamera bildaufl send ermittelt Eine Kalibrierung im herk mmlichen Sinn mit einer Normallampe ist nicht m glich da das Me verfahren f r kleine Lichtquellen systembedingt ungeeignet ist Eine Kalibrierung der Kamera ist nur durch den Hersteller m glich Als Kennzahlen werden angegeben r umliche Bewertung f2 g lt 1 Einflu der Umfeldleuchtdichte f2
66. keit regenerative Energien zu nutzen ist der Einsatz von Hohllichtleitern mit der M glichkeit der Sonnenlichtnutzung auf zunehmendes Interesse gesto en Schwierigkeiten bei der Aktzeptanz von Beleuchtungsanlagen mit Hohllichtleitern entstehen haupts chlich durch das Fehlen lichttechnischer Daten welche einen Vergleich mit konventionellen Leuchten erst erm glichen Ein bislang ungekl rtes Problem ist die Messung photometrischer Eigenschaften von Hohllichtleitern W hrend es zur Messung des Lichtstromes einige vielversprechende Ans tze gibt ist die Bestimmung der Lichtst rkeverteilung aufgrund der gro en Abmessungen mit vielen technischen Schwierigkeiten verbunden Noch im April 1999 schreibt TC 3 30 in der CIE Publikation Hollow Light Guide Technology and Application da bis zum jetzigen Zeitpunkt keine unabh ngigen Laboratorien in der Lage seien solche Messungen anzubieten Untersuchungen auf diesem Gebiet m ten von den Herstellern selbst durchgef hrt werden Die Verfasser dr cken die Hoffnung aus da diese Situation in naher Zukunft verbessert wird An diesem Punkt will die vorliegende Arbeit ankn pfen Sie soll eine M glichkeit aufzeigen den Lichtstrom und die Lichtst rkeverteilung von hohlen Lichtleitern zu ermitteln Sie stellt dabei einen wesentlichen Punkt des europ ischen Forschungsprojektes ARTHELIO dar welches eine gemeinsame Nutzung von Tageslicht und Kunstlicht durch Hohllichtleiter beinhaltet Diese Arbeit besch
67. kel zwischen Ausstrahlungsrichtung und Normal auf dA1 Winkel zwischen Lichteinfallsrichtung und Normal auf dA2 Reflexionsgrad Raumwinkel Lichtstrom Strahlerfl che Empf ngerfl che Kugelfl che Projizierte Fl che aspect ratio Kugelfaktor Dunkelsignalwert Mittlere Indirekte Beleuchtungsst rke Beleuchtungsst rke Brennweite Grauwert Ortskoordinaten eines CCD Pixels Lichtst rke Propotionalit tsfaktor L nge Leuchtdichte Nichtlinearit tskorrekturfaktor Spezifische Ausstrahlung Anzahl der Reflexionen Brechzahl Entfernung Radius Signalwert des CCD Pixels Seite 5 SH va Ve Wex Wr s mm mm m Shadingkorrekturfaktor Zeit spektrale Hellempfindlichkeit Extraktorverh ltnis Breite des Extraktor Umfang des Hohllichtleiters L ngenkoordinate 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 R ume auf weite Gebiete der Innen und Au enbeleuchtung ausgedehnt werden Au erdem haben die stark gestiegenen Lohnkosten in den Industrienationen wesentlich dazu beigetragen da das Interesse an wartungsarmen Beleuchtungsanlagen zugenommen hat Durch ein gestiegenes Umweltbewu tsein in Verbindung mit der Notwendig
68. lende und die Me einrichtung die stets auf die Blende orientiert ist durch Drehung um und durch Verschieben in z Richtung ber die gesamte Oberfl che des Hohllichtleiters gef hrt werden mu ber einen praktischen Me aufbau 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 durchgef hrt 66 Dabei wurden jeweils in der Mitte eines 2m Moduls Me werte aufgenommen Da von einer Symmetrie in L ngsrichtung des Hohllichtleiters ausgegangen wurde und in 30 Schritten gemessen wurde reduzierte sich die Anzahl der Me werte auf 6 Bild 15 bilateral symmetry measurement points notional rectangle Bild 15 MeBpunkte nach Whitehead u a Der Offnungswinkel der verwendeten Kamera war 61 so da 4 Aufnahmen je MeBstelle n tig waren um s mtliche Lichteinfallsrichtungen zu erfassen Die relative Me unsicherheit der erfa ten Lichtstromwerte aus diesen Me werten wurde mit 10 festgestellt so da bei weiteren Untersuchungen ein Photometerkopf zur Lichtstrommessung verwendet wurde Weiterhin wird ein Verfahren zur Vereinfachung der Messung beschrieben welches den Gesamtlichtstrom in zwei Teillichtstr me separiert einen in Vorw rts und Ruckwartsrichtung Es wird davon aus
69. lt 9 lt 180 und 0 lt p lt 360 wobei sich die 3 0 Position in einem Pol des Koordinatensystems befindet Dieses System wird f r die Motorsteuerung verwendet Die Kenntnis ber die Lage g Position des Bogens ist zur Bestimmung der Verfahrgrenzen notwendig Kapitel 6 5 5 90 7270 07360 90 _ 9 270 180 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 verlauft liegen die Lichtstarkeverteilungen zunachst in einem um 90 gedrehten C Ebenen System vor das dem A Ebenen System hnelt Die Me werte k nnen 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 da der Laserstrahl immer diesen Markierungspunkt traf Die Abweichungen au erhalb des Drehradius des Goniophotometers betrugen maximal 10 mm was bezogen auf die Gesamtl nge von 30 m eine relative Abweichung von 0 03 bedeutet Innerhalb des Drehradius wurden diese Ar
70. m die horizontale L ngsachse rotiert und damit eine geringere Bauh he ben tigt 41 F r die Messung von hohlen Lichtleitern sind diese Ger te jedoch ungeeignet da der Abstand zwischen vertikaler Drehachse und 5 Photometrie Seite 27 Dreharmlager ca 1m betragt was eine maximale Lange der Lichtquelle von 2m erlaubt Die Lichtst rke kann aber auch ber die Leuchtdichte berechnet werden Loose dA A Da jedoch die Messung der Leuchtdichteverteilung mit herk mmlichen Leuchtdichtemessern praktisch nicht m glich ist wird dieses Verfahren nur in Kombination mit bildaufl senden Kameras eingesetzt Kapitel 5 2 5 2 Nahfeldphotometrie Bei der gestellten Aufgabe kommt man daher nicht umhin Messungen innerhalb der photometrischen Grenzentfernung durchzuf hren Die Frage wie gro der Abstand zwischen Lichtquelle und Empf nger sein mu damit bestimmte Me unsicherheiten nicht berschritten werden war lange Zeit Gegenstand von Diskussionen Die Regel da der Abstand mindestens dem F nffachen der maximalen Ausdehnung der leuchtenden Fl che entspricht wurde zun chst f r punktf rmige Lichtquellen aufgestellt Mit der weiteren Verbreitung der Leuchtstofflampe nach dem Ende des 2 Weltkrieges konnte diese Regel auch f r diese neue Lampe empfohlen werden 27 Ebenfalls aus dieser Zeit findet man erste Versuche lange Leuchten in mehrere kleinere Elemente zu teilen um f r diese Teilleuchten genauere Me werte zu finden 25
71. metrie Pos 1 CCD Kamera Bild 12 MeBprinzip mit CCD Kamera Fur eine CCD Kamera mit 768 x 567 Pixeln bedeutet dies daB ca 440000 Leuchtdichtewerte gleichzeitig gemessen werden k nnen Aus Gr nden der praktischen Me technik liegt die Anzahl der Me werte durch die Bildung von Makropixeln deutlich niedriger was nicht zuletzt das Problem der gro en Datenmenge reduziert Da CCD Zeilen urspr nglich nicht f r die Photometrie entwickelt wurden treten bei der Messung von lichttechnischen Gr en neue Probleme auf die im folgenden dargelegt werden 22 e Dunkelstrom Da auch bei v lliger Dunkelheit aufgrund thermischer Ursachen Ladungstr ger generiert werden ist dieser Dunkelstrom vom jeweiligen Me wert abzuziehen Dieser Dunkelstom wird w hrend der Messung von einem Teil der CCD Matrix bestimmt der lichtdicht abgedeckt ist Bei Integrationszeiten bis 10 s ist der Einflu der Dunkelgenerationsrate jedoch vernachl ssigbar e Nichtlinearitat Im Prinzip ist eine CCD Matrix ein lineares Bauteil In der Praxis treten durch die Kameraelektronik und durch S ttigungseffekte in den Pixeln Nichtlinearit ten zwischen dem einfallendem Licht und dem Signalwert auf 5 Photometrie Seite 33 Dieser Effekt wird wahrend der Kalibrierung gemessen und die MeBwerte werden mit einem Korrekturfaktor berichtigt e Inhomogenitat Shading Dieser Effekt beschreibt die ungleichm ige Empfindlichkeit der einzelnen Pixel Hervorgerufen wird di
72. n der rtlichen Verteilung der Leuchtdichte ber die Lichtquellenfl che ist die Leuchtdichte am Rande der Lichtquelle hoch so ist die Grenzentfernung gr er als wenn sie sich in der Mitte der Lichtquelle konzentriert e von den Abmessungen der lichtempfindlichen Fl che des Empf ngers In der Praxis wird f r punktf rmige Lichtquellen mit lambertscher Abstrahlung eine Grenzentfernung die dem Zehnfachen der maximalen Ausdehnung der leuchtenden Fl che entspricht als hinreichend genau angenommen um den Einflu auf die relative Me unsicherheit kleiner als 1 zu halten Zur Messung der Lichtst rkeverteilung von Lichtquellen verwendet man heute in der Regel Drehspiegelgoniophotometer 50 Dabei wird die Lichtquelle um ihre vertikale Achse gedreht und das Licht ber einen Spiegel auf einen weit entfernt stehenden Empf nger gelenkt Da sich dieser au erhalb der photometrischen Grenzentfernung befindet kann aus der gemessenen Beleuchtungsst rke mit Hilfe des Entfernungsgesetzes die Lichtst rke berechnet werden Aus der so bestimmten Lichtst rkeverteilung l t sich auch der Lichtstrom berechnen zu p 1 0 sinda0ap v9 Da die Lichtquelle nur um ihre vertikale Achse gedreht wird eignet sich das Verfahren auch f r Lichtquellen mit lageabh ngigem Lichtstrom F r Leuchtenwender bei denen die Lichtquelle auch um ihre horizontale Achse gedreht wird ist es ungeeignet Neuere Modelle arbeiten mit einem Spiegel der exzentrisch u
73. n 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 h here Lichtstrom in Segment 1 zu erkennen der beim Strahler mit der HIT Lampe ausgekoppelt wird Die Ursache hierf r liegt in der LVK des betreffenden Strahlers die einen gr eren Anteil von Licht enth lt der au erhalb des Akteptanzwinkels der Folie liegt Bild 44 Die Lichtst rkeverteilungskurve der Schwefellampe zeigt einen wesentlich kleineren Winkelbereich in den das Licht ausgestrahlt wird und der daher besser zum Akzeptanzwinkel der Prismenfolie pa t Bild 45 Im weiteren verlaufen die Kurven parallel zur Kurve der Schwefellampe die jedoch einen deutlich h heren Lichtstrom emittiert Seite 76 7 Messergebnisse Bild 45 Lichtstarkeverteilungskurve fir die Schwefellampe 7 Messergebnisse Seite 77 7 3 Wirkungsgrade Da die untersuchten Hohllichtleitersyteme mit verschiedenen Strahlern betrieben werden k nnen werden im wesentlichen nur Aussagen ber den Wirkungsgrad des Lichtrohres Npipe gemacht Will man zu einer Aussage ber den Gesamtwirkungsgrad eines solchen Systems kommen mu der Lichtrohrwirkungsgrad mit dem Leuchtenbetriebswirkungsgrad des speisenden Strahlers multipliziert werden Gerade bei der Schwefellampe ist dies jedoch nicht m glich da der
74. ohrungen in den Aluminiumblechen erlauben eine sehr exakte und gleichzeitig auch stabile Verbindung Bild 23 Bild 23 Aluminiumblech mit CNC Bohrungen Dies bedeutet da ein Bogenst ck von ca 30 fehlt was bei einem Durchmesser von 2150 mm eine L cke von ca 580 mm ausmacht Diese L cke im Kreisbogen ist notwendig um die Probenhalter des Schienensystems frei bewegen zu k nnen Au erdem 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 Lange von 250 mm verbunden Genau zwischen diesen beiden Seitenteilen wird die Me einrichtung verfahren Dazu befinden sich auf den jeweiligen Innenseiten zwei kreisf rmig gebogene Stahlstangen welche die F hrung des Sensorwagens bernehmen Der ganze Bogen ist in seiner horizontalen Achse drehbar gelagert Den Antrieb bernimmt 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 betr gt 23 Nm Durch die Untersetzung des Getriebes von 1 160 Seite 48 6 Photometer werden Drehmomente erreicht die die notwendigen ca 300 Nm weit berschreiten Die maximale Geschwindigkeit betr gt ca 12 s und kann beliebig reduziert werden Die Initialisierung erfolgt ber eine parallel b
75. ojekt Seite 9 mit Quecksilber gef llten 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 l t 14 und nur eine Eingruppierung in die Stufe 2a zul t 18 Zus tzlich negativ ins Gewicht f llt die notwendige Zwangsk hlung durch einen L fter der zum einen Ger usche verursacht und zum anderen verschlei anf llig 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 zun chst eingestellt F r das ARTHELIO Projekt stehen jedoch gen gend Lampen zur Verf gung um einen erfolgreichen Abschlu zu erm glichen Daher werden von der Universitat G teborg Akzeptanzstudien ber den Einsatz der Schwefellampe durchgef hrt F r weitere Anlagen empfehlen die Hersteller von Hohllichtleitern Halogenmetalldampflampen ohne allerdings eine Lichtregelungsm glichkeit mit diesen Lampen zu haben Auch wenn erste L sungen mit dimmbaren Halogenmetalldampflampen auf dem Markt erscheinen gibt es weiterhin gro e physikalische Probleme beim Dimmen dieses Lampentyps bez glich Lebensdauer und Farbstabilit t 79 Vom Hersteller der Schwefellampe wurde ein neues Modell mit verbesserten Farbeigenschaften angek ndigt ohne jedoch einen Zeitpunkt daf r zu nennen Die Mi
76. onnten Me ergebnisse die mit dem Goniophotometer gewonnen wurden zur Verbesserung von Hohllichtleitersystem genutzt werden Als problematisch wurde zun chst die Me dauer von ca zwei Stunden je Hohllichtleiter Teilst ck angesehen Da die Messung jedoch automatisch abl uft Seite 86 9 Zusammenfassung und der Bediener aufgrund der hohen Zuverlassigkeit wahrend der Messung nicht eingreifen mu erwies sich die lange MeBzeit 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 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 3M Lighting Produktinformationen Throwing new light on the future 2000 Aizenberg J B Aleshina N A Pjatigorskij V M Arched Hollow Light Guides at the Chkalovskaya Moscow Subway Station Light amp Engineering Vol 4 No 3 1996 Aizenberg J B Buchman G B Pjatigorskij V M Korobko A A Beleuchtungsanlagen mit Schlitzlichtleitern Licht 7 8 1992 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 Aizenberg J B Korobko A A Pjatigorskij W M Buob W Signer R Ein Beleuchtungssystem mit hohlen Lichtwellenleitern f r das richtige Licht zum L
77. p 59 66 1995 Wheeler W Apparatus for Lighting Dwellings or other Structures US Patent Nr 247229 September 1881 Whitehead L A Donaldson M Investigation of Light Distribution with Annular Lens Light Guide Journal of the IES Sommer 1998 S 3 12 Whitehead L A New Simplified Design Procedures for Prism Light Guide Luminaires Journal of the Illuminating Society Summer 1998 Whitehead L A Hoffmann K Method for Estimating the Efficiency of Prism Light Guide Luminaires Journal of the Illuminating Engineering Society Summer 1998 Whitehead L Kan P Lui K Improved Extractor Design for Modular Light Guides Journal of the Illuminating Engineering Society Summer 1999 Whitehead L Prism light guide having surfaces which are in octature US Patent Nr 4260220 Marz 1982 10 Literatur Seite 93 78 79 80 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 Yeni M Dimmung von Halogenmetalldampflampen mit Al2O3 Keramikbrenner Studienarbeit Technische Universit t Berlin Institut f r Elektronik und Lichttechnik 1997 Zwick P Untersuchungen der Fehlerquellen bei der Berechnung von Beleuchtungsst rken f r langgestreckte Leuchten Diplomarbeit Institut f r Lichttechnik TU Berlin 1984
78. r anderen Seite mit der vorgesehenen Aufnahme in den Zahnriemen fa t Die Position des Sensorwagens wird mit dem eingebautem Resolver bestimmt Die maximale Geschwindigkeit betr gt ca 4 sec bei einer Winkelaufl sung von 0 001 Die Unsicherheit der reproduzierbaren Winkeleinstellung betr gt weniger als 0 05 Sie ist damit etwas gr er als beim Bogenantrieb was an der sehr viel gr eren Anzahl mechanischer Bauteile und dem l ngeren Zahnriemen liegt der ber seine L nge 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 wei 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 zusammengefa t sind Daraus folgt eine Aufl sung der Leuchtdichte von 1 2500 Eine weiterere Erh hung des Dynamikumfanges ist durch einen Satz von angepa ten Neutralglasfiltern m glich die den Maximalwert der auftretenden Leuchtdichte an die Kameraempfindlichkeit anpassen Der ffnungswinkel des Objektives betr gt ca 61 womit bei einem Abstand zwischen Kamera und Mittelpunkt des Goniometers von 1076 mm eine maximale Leuchtenl nge von 1 m erfa t werden kann In einem Abstand von 5 befindet sich das Photoelement mit dazugeh rendem MeBverstarker Dieses Photoelement bernimmt zum einen die Absolutwertkalibri
79. rch wird eine maximale Geschwindigkeit von 0 5 m s erreicht Zusammen mit dem verwendeten spielfreien Harmonic Drive Getriebe ist eine MeBunsicherheit von 1 mm m glich 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 da sich nicht alle Probenhalter am Anfang oder am Ende des Schienensystems befinden In einem solchen Falle fehlt dem Zahnriemen die Unterst tzung durch die Probenhalter an der Unterseite des Schienensystems und es besteht die Gefahr des Bruch des Zahnriemens An den jeweiligen Endst cken des Schienensystems befinden sich Endschalter die eine Bewegung der Probenhalter ber die maximal zul ssige L nge 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 B
80. reibt die heute gebr uchlichsten Hohllichtleiter deren Aufbau und Funktionsweise und die Probleme die daraus bei photometrischen Messungen entstehen k nnen Es werden bereits bekannte und benutzte lichttechnische MeBverfahren aufgezeigt und auf ihre Eignung untersucht Daraus 1 Einleitung Seite 7 entwickelte sich der Vorschlag zum Aufbau einer Me apparatur f r die lichttechnische Vermessung von Hohllichtleitern die zu Beginn des ARTHELIO Projektes realisiert worden ist Die Arbeit beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise der Me apparatur erkl rt die Kalibration und gibt die Me unsicherheiten an Zum Abschlu werden ausgew hlte Me ergebnisse 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 Europ ischen Kommission im Rahmen des Joule Ill Programmes Nichtnukleare Energien gef rderte Forschungsprojekt wird von der Technischen Universitat Berlin koordiniert und arbeitet mit den folgenden Partnern zusammen Technische Universitat Berlin Institut fur Elektronik und Lichttechnik Ricerca e Rogetto Planungsb ro f r Tageslichttechnik Universit t G teborg Lichtausbildungs und Forschungszentrum Semperlux AG Leuchten und Hohll
81. rt werden 12 Nicht berechnet werden k nnen mit dieser Methode Ebenen welche die Leuchte schneiden Auch ist der MeBabstand f r Positionen die weit von der vertikalen Achse der Leuchte entfernt liegen sehr gro und Winkel ber 110 k nnen nicht mehr gemessen werden Dennoch war es m glich 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 gegen berliegenden Seite des Spiegelarms montiert worden war 45 Die Spiegeloberfl che selbst wurde zur Vermeidung von Reflexionen mit einem schwarzem Tuch abgedeckt Mit diesem Versuchsaufbau konnte in kurzer Zeit direkt die quivalente Lichtst rkeverteilung gemessen werden An der TU Berlin wurden solche Messungen mit verschiedenen Aufs tzen durchgef hrt die direkt Seite 30 5 Photometrie auf den Spiegel des Goniophotometers montiert wurden und die Messung von Nahfeld LVK s in unterschiedlichen Abst nden erm glichten Bild 11 Bild 11 Me aufbau zur Nahfeldphotometrie am Drehspiegelgoniophotometer Mit diesen quivalenten Lichtst rkeverteilungskurven wurden unter Zuhilfenahme von kommerziellen Lichtberechnungsprogrammen typische Problemf lle wie indirekt strahlende Leuchten und Wandleuchten untersucht 33 Dabei konnten die Abweichungen zwischen gemess
82. schung von Kunst und Tageslicht in hohlen Lichtleitern ist ein noch weitgehend ungel stes Problem f r die eine andere Arbeit in diesem Forschungsprojekt L sungen finden soll 54 Gegenstand dieser Arbeit sollen die photometrischen Untersuchungen von hohlen Lichtleitern sein wobei insbesondere der Wirkungsgrad und die Lichtst rkeverteilung von Interesse sind Ersterer ist f r energetische Vergleiche mit konventionellen Beleuchtungsanlagen notwendig w hrend die Lichtst rkeverteilung Grundlage zur computerunterst tzten Lichtberechnung ist Erst durch das Vorhandensein von lichttechnischen Daten k nnen Architekten Ingenieure und Lichtplaner Beleuchtungssysteme mit hohlen Lichtleitern mit herk mmlichen 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 punktf rmige Lichtquelle mit hohem Lichtstrom darstellte und die f r die Allgemeinbeleuchtung n
83. senden Goniofotometer Licht 7 8 1993 S 592 597 Rosemann A Kloss S H Muller T Kaase H Hohllichtleiter mit kombinierter Tages und Kunstlichteinkopplung Demonstrationsanlage an der TU Berlin Tagungsband OTTI Sechstes Symposium Innovative Lichttechnik in Gebauden Kloster Banz 2000 Rosemann A Eine energieoptimierte und umweltfreundliche Hohllichtleiterbeleuchtungsanlage mit Tageslichteinkopplung Dissertation TU Berlin Fachgebiet Lichttechnik noch nicht ver ffentlicht Saxe S G Prismatic Film Light Guides Performance and Recent Developments Solar Energy Materials Vol 19 1989 Schmidt J Wirtschaftlichkeitsuntersuchungen an Beleuchtungssystemen mit Hohllichtleitern Studienarbeit Institut f r Elektronik und Lichttechnik TU Berlin 2000 Sch ler J CCD Videotechnik und Bildverarbeitung in der Photometrie Licht 92 Gemeinschaftstagung der Lichttechnischen Gesellschaften Deutschlands der Niederlande sterreichs und der Schweiz Tagungsband S 216 233 Semperlux AG Projektinformationen Gerichtsgeb ude Littenstr Berlin Shao L Riffat S B Hicks W Yohannes 1 A Study Performance of Light Pipes Under Cloudy and Sunny Conditions in the UK Right Light 4 Vol 1 1997 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 Stannard S Brass J Application Distance Photometry Journal
84. sprechend gew hlt werden Hierzu ist die Eingabe des Durchmessers des Testobjektes die zugeh rige Justagetoleranzgrenze und die Angabe des Winkels Bild 26 in welcher die gedachte Kugeloberflache durchsto en wird notwendig Tabelle 3 Tabelle 3 Verfahrgrenzen Ausdehnung des Justagetoleranz Winkel 9 Me objektes Keine 1000 0 0 Einschr nkung Einseitiges in mm Toleranz in mm 0 170 Me objekt Zweiseitiges in mm Toleranz in mm 1 Me objekt Bei einseitig in den Kugeloberfl che eindringenden Me objekten ist nur eine Montage im Winkelbereich von g zwischen 0 und 170 m glich Im Bereich 170 bis 180 darf kein Me objekt positioniert werden da der Sensorwagen ausschlie lich in senkrechter Stellung des Bogens verfahren werden kann und eine Montage in diesem Bereich zur Kollision f hren w rde Ein Positionierung im Bereich von 180 360 ist aus Sicherheitsgr nden nicht zul ssig da der Bogen seine Initialisierungsfahrt in diese Richtung beginnt Aufgrund der eingegebenen Daten werden Grenzwerte f r und 8 vorgegeben die bei Bedarf jedoch manuell ge ndert werden k nnen Seite 64 6 Photometer 6 5 6 Interpolation von nicht erfaBten Bereichen Aufgrund der Gr en von Sensorwagen und Bogen sowie der festgelegten Verfahrgrenzen gibt es Winkelbereiche in die Licht ausgestrahlt wird die aber nicht erfa t werden k nnen Beim Sensorwagen der selbst schon ein Bogenst ck von 70
85. t wurden Auff llig ist da fast alle gemessenen prismatischen Hohllichtleiter Typen einen h heren 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 L nge unterschiedlicher Typen untersucht Tabelle 8 Zun chst f llt auf da 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 da 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 h herer Lichtrohrwirkungsgrad f hrt zu einem besseren Gesamtergebnis Reflektorlampen die zur Zeit in Leistungsstufen bis 150 W hergestellt werden bieten eine ideale Lichtquelle f r Hohllichtleiter Tabelle 8 Wirkungsgrade f r Hohllichtleiter Prismenfolie Prismenfolie Prismenfolie Spaltlichtleiter 5m 25cm 6m 25cm 6m 8 10cm 5 4m 23cm Schwefellampe HIT DE Lampe HIT R Lampe HIT Lampe 1400W 1000W 100W 400W Tpipe n Im W 1 A a EZ Bar Seite 80 7 Mess
86. tromverteilung vorteilhaft um bestimmte Raumzonen zu akzentuieren Bei monodirektionalen Systemen wird am Ende des Lichtrohres h ufig ein Spiegel montiert der Licht welches ohne Reflexion direkt auf den Spiegel f llt in Richtung Lichteinspeisung reflektiert damit diese auf dem Weg dorthin ausgekoppelt werden kann In Bild 42 sieht man da der Einflu des Endspiegels auf die Lichtstromverteilung nur im hinteren Bereich des Hohllichtleiters bemerkbar ist und dort zur gew nschten Anhebung des ausgekoppelten Lichtstromes f hrt 7000 E Endspiegel Ohne Spiegel 6000 5000 4000 wo Oo Oo oO Lichtstrom in Im 2000 1000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 L nge in m Bild 42 Einflu des Endspiegels auf den ausgekoppelten Lichtstrom W hrend der Endspiegel das hintere Ende des Hohllichtleiters beeinflu t ist die Lichtst rkeverteilung des einspeisenden Strahlers f r den Lichtaustritt am Anfang 7 Messergebnisse Seite 75 12000 l HIT DE MS T25 Schwefel 10000 8000 6000 Lichtstrom in Im 4000 2000 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 L nge inm Bild 43 Ausgekoppelter Teillichtstrom f r drei verschiedene Lichteinspeisungen des Rohres bestimmend In Bild 43 sieht man die Ergebnisse f r einen 12 m langen prismatischen Hohllichtleiter von 25 cm Durchmesser der mit drei verschiedenen Strahlern betrieben worde
87. u lt 3 Nichtlinearitat f3 lt 0 5 Abweichung des Anzeigeger tes f4 lt 0 2 Erm dung f5 lt 0 1 moduliertes Licht f7 lt 0 1 Seite 58 6 Photometer PolarisationseinfluB f8 lt 0 7 Die ermittelte Abweichung bezieht sich daher auf Vergleichsmessungen mit dem Drehspiegelgoniophotometer Dazu wurden verschiedene Leuchten in beiden Me ger ten vermessen und die ermittelten Lichtst rkewerte verglichen Daf r wurde eigens eine Leuchte aus einem 2 m langen St ck 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 da die leuchtende Fl che 1 m L nge aufwies und damit vom Kameraobjektiv komplett erfa t werden konnte Bild 29 Bild 29 Hohllichtleiter zur Vergleichsmessung Die Lichtst rkeverteilungskurven f r die beiden Me verfahren sieht man in Bild 30 und Bild 31 6 Photometer Seite 59 139 150 180 150 139 30 15 0 15 3 Cc0 0 C180 0 _ C90 0 C270 0 Bild 30 Lichtst rkeverteilung gemessen mit Drehspiegelgoniophotometer 120 120 1054 110 90 90 60 60 450 450 30 15 0 15 30 c0 0 C180 0 _ C90 0 C270 0 Bild 31 Lichtstarkeverteilung gemessen mit CCD Kameragon
88. untersuchten Systeme eine klare Vorw rtscharakteristik hervorgerufen durch die Lichteinspeisung Diese Charakteristik schw cht sich mit zunehmender L nge ab ist ab ca 2 3 der Lichtrohrl nge nicht mehr vorhanden und kann sich in der N he des Endspiegels umkehren Durch diese nderung in der Lichtst rkeverteilung machen auch Messungen der Beleuchtungsst rke direkt unter dem Hohllichtleiter keinen Sinn mit denen in der Literatur teilweise versucht wird Aussagen ber den Lichtstrom den Wirkungsgrad und die Gleichm igkeit dieser Systeme zu machen Die gemessenen Lichtstarkeverteilungen wurden f r die Beleuchtungsst rke berechnungen mit Lichtplanungsprogrammen eingesetzt und mit gemessenen Beleuchtungsst rkewerten in Testr umen 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 f r die geringe MeBunsicherheit der MeBwerte ist 7 2 Lichtstrom Von besonderem Interesse ist bei Hohllichtleitersystemen die Verteilung des Lichtstromes ber die Strahlerl nge Hierbei wird ein m glichst gleichm iges Auskoppeln des Lichtstromes angestrebt wie dies bei konventionellen Lichtb ndern der Fall ist Daher wurden zun chst Untersuchungen an prismatischen Hohllichtleitern mit 25 cm Durchmesser und einseitiger Lichteinspeisung durchgef hrt Es wurden L ngen zwischen 4 m und 20 m vermessen die aus 12 vers
89. urde 39 Die Anlage sollte mit einem Mehrkanalempf nger ausgestattet sein dessen Photoelemente au erhalb der photometrischen Grenzentfernung auf einem Viertelkreisbogen angeordnet waren Bild 16 Kreisbogen we gt ji Hohllichtleiter r Bild 16 Photometer mit Mehrkanalempf nger 6 Photometer Seite 41 Dieser Kreisbogen sollte um 90 schwenkbar sein damit s mtliche Lichtaustrittsrichtungen erfa t werden konnten Die zur Verf gung stehenden R umlichkeiten lie en dabei eine Me entfernung von ca 3 4 m zu wenn der Hohllichtleiter au erhalb der Raummitte plaziert w rde Zur Messung sollte das betreffende Teilst ck mitsamt der zugeh rigen Lichtquellen um die horizontale L ngsachse gedreht werden Problematisch bei dieser Me anordnung w re die Bestimmung der Grenzentfernung f r verschiedene Hohllichtleiter die mechanische Bewegung der Empf nger und die parallele Auswertung der Me daten gewesen Durch den zur Verf gung stehenden Laborraum wurde deutlich da Messungen nur innerhalb der photometrischen Grenzentfernung m glich waren So fiel die Entscheidung ein Me system mit bildaufl sender 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 Drehmechanik gt Hohllichtleiter 4 Lichtquelle CCD Kamer

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