Was passiert, wenn ein astronomisch veranlagter Physiker sich mit Energieeffizienz bei Beleuchtung auseinandersetzt? Spektren. Viele, viele Spektren. In diesem Beitrag werden wir uns mit der spektralen Charakterisierung von Licht vertraut machen, Beispielspektren verschiedener Haushaltslichtquellen betrachten und ich werde sogar einige atemberaubende Fotos beifügen. Dabei werden wir die Effizienz von Beleuchtung genauer unter die Lupe nehmen und auf dem Weg etwas über die Physiologie der Lichtwahrnehmung und die Definition der immer häufiger verwendeten Beleuchtungsmessung namens Lumen erfahren. Schnallt euch an und denkt wie ein Photon.
Spektrale Einführung
Was meine ich mit Spektren? Licht wird durch Wellenlänge charakterisiert, die von 400 Nanometern (nm) am blau/violetten Ende bis zu 700 nm am roten Ende reicht. Einige bekannte Quellen emittieren Licht bei einer einzigen, reinen Wellenlänge – dies nennt man monochromatisch, wie z. B. rote Helium-Neon-Laser bei 633 nm, grüne YAG (doppelt)-Laser bei 532 nm und diese sehr orangefarbenen Niederdruck-Natrium-Straßenlampen bei 589 nm (Abbildung 3). Aber die meisten natürlichen Lichtquellen (oder Farben) bestehen aus kontinuierlichen Verteilungen von Licht bei allen sichtbaren Wellenlängen. Weißes Licht enthält eine Fülle von Farben, wie man in einem Regenbogen sehen kann, der von Rot bis Violett reicht.
Künstliche Lichtquellen (Leuchtstofflampen; Gasentladungsröhren wie Neon; Quecksilberdampf- und Natriumdampflampen usw.) emittieren dagegen ein Linienspektrum – eine Kombination aus diskreten Wellenlängen, die mit atomaren und/oder molekularen Energieübergängen verbunden sind, möglicherweise mit einem Hauch von Phosphor zur Bereitstellung von Kontinuumlicht.
Farbige LEDs (lichtemittierende Dioden, z. B. rot, orange, grün, blau; Abbildung 4) befinden sich zwischen den Kontinuum- und Linienquellen und emittieren Licht über einen kontinuierlichen – wenn auch nicht sehr breiten – Teil des Spektrums. Eine angemessene Bezeichnung dafür wären vielleicht “breite Linienspektren”.
Die oben gezeigten Fotos aus meiner Nachbarschaft veranschaulichen auf reiche, aber manchmal verwirrend komplexe Weise verschiedene Formen von Spektren, die durch das Platzieren einer transmissiven Beugungsfolie vor der Linse erhalten wurden. Die kombinierte (ungestreute) Szene ist in jedem Bild sichtbar, aber am (willkürlich eingestellten) Winkel ist die “gestreute” Version davon zu sehen. Linienquellen erzeugen Replikationen ihrer Form bei jeder Emissionswellenlänge, während kontinuierliche Quellen verschmieren. Der Abstand von der ungestreuten Quelle zu ihrer spektralen Replik ist proportional zur Wellenlänge des Lichts (tiefblau/violett liegt näher bei 400 nm als tiefrot bei 700 nm). Die Kamera markiert dies auch mit Farben. Beachten Sie, dass die Natriumdampflampen im Wesentlichen monochromatisch sind – sie erzeugen eine einzige, scharfe Replik bei 589 nm. Gasentladungsröhren (wie in den Abbildungen 1 & 2 und der Einführungsfigur zu sehen) haben einen Wald von Linien. Die farbigen dekorativen LED-Leuchten erzeugen dagegen kurze, gedrungene Spektren auf ihre “breite monochromatische” Weise (Abbildung 4).
Farbwahrnehmung
Unsere Augen sind im Wesentlichen dreifarbig. Wenn Sie sich ein scharfes Spektrum von weißem Licht ansehen (ein Regenbogen ist zu unscharf mit überlappenden Farben), sehen Sie hauptsächlich Rot, Grün und Blau-Violett – nicht viel Gelb oder Cyan zwischen den Farben. Erst in Kombination erzeugen wir Mischfarben. Deshalb kann ein RGB-Monitor durch Variation der Helligkeit der roten, grünen und blauen Pixel nahezu jede Farbe synthetisieren. Abbildung 5 zeigt eine Darstellung des sichtbaren Spektrums, die unserer Wahrnehmung nahe kommt und die Empfindlichkeitskurven der drei Farbrezeptoren im Auge zeigt. Wenn wir L > M wahrnehmen, nennen wir es Rot, und wenn wir L < M wahrnehmen, nennen wir es Grün – bis S zu erkennen beginnt. Ich vermute, dass die Bezeichnungen S, M und L für Kurzwellenlänge, Mittelwellenlänge und Langwellenlänge stehen.
Übrigens, wenn ich ein scharfes, kontinuierliches Spektrum der Sonne für meine Kamera erzeuge, sehe ich ein ähnliches dreifarbiges Verhalten – wenn auch viel treuer rot-grün-blau (Abbildung 6). Dies hängt mit den vor den Pixeln verwendeten Filtern zusammen, um Licht nach Farbe zu sortieren. Beachten Sie das Fehlen von sehr viel Gelb oder Cyan in den Übergängen von Rot zu Grün und von Grün zu Blau.
Insgesamt erreicht unsere visuelle Empfindlichkeit ihr Maximum bei Grün, bei 555 nm, und nimmt auf beiden Seiten mit etwas namens fotopische Funktion ab (es gibt auch eine skotopische Funktion für das Nachtsichtvermögen – Stäbchen anstelle von Zapfen – etwas zum Blauen hin verschoben). Abbildung 7 zeigt die fotopische Empfindlichkeitsfunktion (blau), zusammen mit einer schwarzem Körperkurve bei Sonnentemperatur (schwarz) und einer schwarzem Körperkurve eines Glühfadens (rot) als Referenz.
Ich werde auf spektrale Verteilungen von schwarzen Körpern eingehen, auch Planck-Funktionen genannt, nach Max Planck benannt. Nehmen Sie das Wort “schwarz” hier nicht wörtlich, sondern denken Sie daran als “dull”, das bedeutet, nicht glänzend wie Metall. Jeder “dull” Gegenstand emittiert Wärmestrahlung (glänzende tun dies auch, aber in unterdrückter Stärke). Mit steigender Temperatur verschiebt sich die Strahlung von Infrarot in den sichtbaren Bereich, so dass ein Pokal rotglühend werden kann; die Kohlen orange-glühend und die Sonne weiß-glühend. Diese sind alle schwarze Körper, und wir bemühen uns im Allgemeinen, sie in unseren künstlichen Lichtquellen nachzuahmen. Glühlampen schaffen das geschickt, indem sie tatsächlich heiß werden und schwarze Körper ausstrahlen. Ihr einziges Problem ist, dass der Großteil des Lichts außerhalb des sichtbaren Bereichs erzeugt wird. Mehr dazu später.
Das Lumen
Das Lumen ist eine Einheit, die die Helligkeit einer Lichtquelle für das menschliche Auge erfasst. Ein Laserpointer, der 5 mW Licht bei 532 nm (grün) ausstrahlt, gibt 3 Lumen (lm) Licht ab, während ein roter Laserpointer bei 633 nm, der die gleiche Leistung abgibt, nur als 0,8 lm wahrgenommen wird. Ein Infrarotlaser mit beliebiger (moderater) Leistung gibt keine Lumen an, da das Auge seine Helligkeit nicht wahrnehmen kann.
Jedes Photon Licht trägt eine diskrete Menge Energie in Joule: E = hc/λ, wobei h = 6,626×10−34 J·s das Plancksche Wirkungsquantum, c ≈ 3×108 m/s die Lichtgeschwindigkeit ist und λ die Wellenlänge des Photons in Metern ist (grünes Licht beträgt etwa 5,5×10−7 Meter oder 550 nm). Ein Strom von Photonen, der aus einer Lichtquelle austritt, kann einer Leistung in Watt zugeordnet werden, da wir angeben können, wie viele Photonen pro Sekunde derselben Energie emittiert werden, die wir kennen. Energie pro Zeit ist Leistung und Joule pro Sekunde wird auch als Watt bezeichnet.
Das Lumen wird so definiert, dass bei der Spitze der fotopischen Empfindlichkeitskurve (555 nm) eine Watt Photonenergie eine Helligkeit von 683 Lumen hat. Wir können dann die luminöse Wirksamkeit einer monochromatischen 555 nm Quelle als 683 Lumen pro Watt (lm/W) beschreiben.
Wenn Sie vor einer Auswahl von Glühbirnen im Laden stehen, sollten Sie die Helligkeit in Lumen irgendwo auf der Verpackung finden können. Sie finden auch normalerweise die tatsächliche Leistungsaufnahme der Glühbirne. Bei Leuchtstoff- oder LED-Lampen handelt es sich dabei nicht um die “Ersatzwattzahl” in Bezug auf Glühbirnen, sondern um die tatsächliche elektrische Leistungsaufnahme, wenn das Gerät eingeschaltet ist. Durch Division dieser Zahlen finden Sie heraus, dass Glühlampen eine luminöse Wirksamkeit von etwa 15 lm/W haben. Leuchtstoff- und LED-Lampen tendieren dazu, näher an 60-80 lm/W zu liegen. Viel besser, aber weit von unseren 683 lm/W monochromatischen grünen Quellen entfernt.
Luminöse Wirksamkeit von Glühlampen
Sie können die luminöse Wirksamkeit einer beliebigen monochromatischen (Laser-)Quelle ermitteln, indem Sie messen, wie hoch die fotopische Kurve bei dieser Wellenlänge relativ zum Maximum ist und diesen Bruch mit 683 multiplizieren. Aber wie sieht es mit einer Verteilung aus? In diesem Fall erfüllt ein Integral (Summe von Wellenlängenschnitten) der fotopischen Kurve multipliziert mit dem betrachteten Quellenspektrum die Aufgabe.
Glühlampen sind im Wesentlichen schwarze Strahler (weißglühende), deren Spektren durch die Planckfunktion beschrieben werden. In der Abbildung oben sind zwei Beispiele dargestellt, die der Oberflächentemperatur der Sonne von 5800 K und der effektiven Temperatur eines Glühbirnenfilaments von 2800 K entsprechen. Glühlampen sind phänomenal effizient darin, elektrische Energie in Photonen umzuwandeln. Das Problem ist, dass die meisten dieser Photonen im Infrarotbereich des Spektrums emittiert werden, der jenseits der menschlichen Wahrnehmung liegt. Ein 5800 K schwarzer Körper emittiert 37 % seines Lichts im Bereich von 400-700 nm, während nur 6 % des Lichts von einem 2800 K Filament im sichtbaren Bereich herauskommt.
Wir können uns fragen, wie hoch die luminöse Wirksamkeit einer schwarzen Körperquelle von Photonen wäre. Sie muss geringer sein als 683 lm/W, da viele der Watt bei niedriger (oder keiner) fotopischer Empfindlichkeit verbraucht werden. Die unten abgebildete Kurve (Abbildung 8) zeigt das Ergebnis. Der Höhepunkt liegt bei 6640 K und 96 lm/W, während die Wirksamkeiten bei 5800 K und 2800 K 93 lm/W bzw. 15 lm/W betragen. Offensichtlich erreicht das Sonnenspektrum nahezu die maximale Wirksamkeit. Es ist kein Zufall: Unsere Augen sind an das Spektrum unseres Sterns angepasst.
Wir könnten Glühlampen effizienter machen, indem wir sie heißer machen. Das Problem ist jedoch, dass Glühfäden schmelzen, wenn sie viel heißer werden als sie bereits sind. Halogenlampen umgeben den Faden mit Gasen, die verdampfte Atome wieder auf den Faden ablagern und es ihnen ermöglichen, bei etwas höherer Temperatur zu arbeiten. Aber auch diese liegen immer noch weit unten in der Kurve.
Wie hoch kann die Wirksamkeit sein?
Okay, also eine schwarze Körperquelle nahe 6000 K wie die Sonne erreicht fast 100 lm/W. Aber wie gut wäre eine ideale weiße Lichtquelle, wenn wir ihr Spektrum so entwickeln könnten, wie wir es wollen? Eine schnelle Antwort kann erhalten werden, indem man die Tatsache nutzt, dass 37 % des Sonnenspektrums innerhalb der sichtbaren Grenzen liegen. Wenn wir eine Quelle entwerfen könnten, die das Sonnenspektrum nachahmt, aber keine einzige Photon an Wellenlängen emittiert, die wir nicht sehen können, würden wir ungefähr 93/0,37 ≈ 250 lm/W erhalten.
Wir können dies etwas verfeinern, indem wir erkennen, dass die Empfindlichkeit des Auges an den äußersten Enden des sichtbaren Spektrums (400 nm und 700 nm) nicht so gut ist. Daher könnten wir unser Schwarzstrahlerspektrum aggressiver abschneiden und eine höhere luminöse Wirksamkeit erzielen, indem wir weniger Photonen verschwenden, wo wir sie weniger brauchen. Die vier vertikalen gestrichelten Linien in Abbildung 7 oben stellen Abschnitte bei den 0,5%, 1%, 2% und 5% Niveaus der fotopischen Empfindlichkeitskurve (blau) dar. Mit anderen Worten, wenn wir bereit wären, das Spektrum unserer Lichtquelle auf Wellenlängen zu beschränken, bei denen unsere Augen mindestens 5% der maximalen Empfindlichkeit haben, würden wir uns mit dem Bereich zwischen den roten gestrichelten Linien beschäftigen, von etwa 450-660 nm.
Wie hoch wird die luminöse Wirksamkeit, wenn wir den Bereich verengen? Abbildung 9 erzählt die Geschichte.
Die Wirksamkeit verbessert sich, je weiter wir den Bereich verkleinern. Letztendlich, wenn wir eine Grenze bei 100% Empfindlichkeit setzen, würden wir monochromatisches Licht bei 555 nm und eine luminöse Wirksamkeit von 683 lm/W betrachten. Aber dieses Licht ist nutzlos für die Farbwahrnehmung: Es ist einfach grün.
Das Abschneiden des Spektrums hat also seinen Preis. Die Farbwiedergabe wird nicht so gut sein, wenn wir die tiefen Rottöne und tiefen Violettblau aus dem Spektrum herauslassen. Wenn wir Ecken für die Effizienz abschneiden, müssen wir auch die Qualität der Farbwiedergabe bewerten, um Kriterien für eine akzeptable weiße Lichtquelle festzulegen.
Farbwiedergabeindex
Es gibt ein hanebüchenes Verfahren, mit dem man die Farbwiedergabeindex (CRI) eines Lichts anhand seines Spektrums bewerten kann. Ich erspare Ihnen die Details (und wünschte heimlich, auch ich wäre davon verschont geblieben), aber im Wesentlichen kommt es darauf an, acht speziell ausgewählte Farbfelder (nicht besonders attraktive Farben, muss ich sagen) mit dem Testspektrum zu “beleuchten” und den Farbabstand (denken Sie an das Farbrad) zum Vergleich mit dem zu bestimmen, was passieren würde, wenn dieselbe Quelle von einem schwarzen Körper (Glühbirne) bei derselben effektiven (Farb-)Temperatur beleuchtet würde.
Begriffe, die ich verwenden werde:
- CRI: Color Rendering Index; reicht von 0-100, wobei 100 eine perfekte Leistung eines schwarzen Körpers (Glühbirne) darstellt.
- CCT: Correlated Color Temperature; die Farbtemperatur des Schwarzkörpers, die sich aus der Beleuchtung einer weißen Lichtquelle ergibt. Tatsächlich ist es die Temperatur des nächstgelegenen schwarzen Körperpunkts (Planckianer Locus) im Farbraum. Die Sonne hat eine CCT von 5800 K, während eine typische Glühbirnenlampe bei etwa 2800 K liegt – sie scheint röter. Höhere CCT-Werte sehen blau aus, wie das Licht von Sternen wie Sirius oder Rigel. Diese Reihenfolge widerspricht der intuitiven Bezeichnung von röterem Licht als “warm” (wie Feuer) und bläulichem Licht als “kalt” (wie Eis).
- Planckian Offset: im Zusammenhang mit CCT, die Entfernung im Farbraum zum nächsten schwarzen Körperteilpunkt (auf dem Planckianer Locus). Ab einem Wert von 0,0054 gilt die Quelle als zu weit von einem schwarzen Körper entfernt, um als “weiß” angesehen zu werden, und der berechnete CRI beginnt an Bedeutung zu verlieren.
Wenn wir das Beste tun, was wir in einem abgeschnittenen Solartypspektrum (CCT = 5800 K) erreichen können – diesmal die rote und blaue Abschneidepunkte an unterschiedlichen fotopischen Empfindlichkeitsabschneidepunkten zulassend – kommen wir zu folgendem Diagramm (Abbildung 10):
Wie interpretieren wir dies? Dem soliden Verlauf folgend, auf der rechten Seite, können wir einen nahezu perfekten CRI von etwa 100 erzielen und gleichzeitig eine luminöse Wirksamkeit von 260 lm/W erreichen. Wenn wir den Grad der spektralen Verkürzung erhöhen, schießt die luminöse Wirksamkeit in die Höhe (weniger Verschwendung von Photonen in Zonen schwacher Empfindlichkeit), aber der CRI nimmt ab. Wenn wir uns nun die gestrichelte Linie ansehen, stellen wir fest, dass wir die akzeptable “weiße” Grenze (Planckian Offset) von 5,4×10−3 bei einem CRI von 94 und einer luminösen Wirksamkeit von 310 lm/W überschreiten. Es stellt sich heraus, dass diese Grenze einem Wellenlängenbereich von 423-659 nm entspricht. Somit ist 310 lm/W die maximale luminöse Wirksamkeit für ein Licht, das wir immer noch als “weiß” bei der Farbtemperatur der Sonne betrachten würden.
Bei 2800 K, was der “warmen” Beleuchtung entspricht, an die wir gewöhnt sind, schneiden wir tatsächlich besser ab (Abbildung 11).
Jetzt kommen wir auf etwa 370 lm/W, bevor wir die Planckian-Offset-Schwelle überschreiten und einen CRI von 87 erreichen (ein bisschen weniger als 90, aber wahrscheinlich für die meisten akzeptabel). Der Wellenlängenbereich ist in diesem Fall 422-648 nm. Das rotlastige 2800 K-Spektrum (siehe Abbildung 7) erlaubt ein etwas großzügigeres Abschneiden des roten Bereichs als beim Solarspektrum.
Wenn wir also eine magische Lichtquelle entwerfen könnten, die ein dem Schwarzstrahlerspektrum ähnliches Spektrum über einen begrenzten Wellenlängenbereich emittiert und dabei sichtbare Photonen mit 100% elektrischer Effizienz erzeugt (eine solche Quelle würde nicht einmal warm zum Anfassen sein), könnten wir Hoffen, luminöse Wirksamkeitswerte im Bereich von etwa 300-370 lm/W zu erreichen. Dies ist ungefähr fünfmal besser als vorhandene Lichtquellen, fast ausschließlich aufgrund von elektrischer Effizienz und nicht spektraler Effizienz.
Beispiel-Spektren von Alternativen Lichtern
Genug von der theoretischen, magischen Beleuchtung. Was erreichen echte Lichter? Unten finden Sie eine Galerie mit Beispiel-Spektren, die ich für verschiedene Lichtquellen aufgenommen habe. Den Beschreibungen folgt jeweils.
Abbildung 12 zeigt eine 16 W Kompaktleuchtstofflampe (CFL), die als “60 W” Ersatz angepriesen wird und eine angegebene Lichtleistung von 900 Lumen (also 56 lm/W insgesamt) hat. Ich habe dieses Spektrum kurz nach dem Einschalten des Lichts aus einem kalten Zustand aufgenommen. Die spektrale luminöse Wirksamkeit beträgt 283 lm/W, bei einer “warmer” Farbtemperatur von 2600 K und einer Planckian-Offset deutlich unterhalb des 5,4×10−3 Grenzwerts und einem CRI von 83.
Die gleiche Glühbirne nach einer Minute Aufwärmzeit hat den Infrarotlinienwald eliminiert und ihre grüne Linie im Vergleich zu den anderen gestärkt. Die spektrale luminöse Wirksamkeit steigt auf 350 lm/W, da sie keine Infrarotlinien mehr produziert. Aber die Quelle überschreitet die Planckian-Offset-Grenze und der CRI sinkt weiter. Das Licht hat sich während des Aufwärmens sicherlich erheblich aufgehellt, obwohl der Stromverbrauch (gemessen mit einem Kill-A-Watt) die ganze Zeit konstant bei 16 W blieb.
Wie können wir es reconcilieren, dass eine 900 lm-Quelle 16 W (56 lm/W) benötigt, wenn das Spektrum bei 350 lm/W liegt? Das liegt an der elektrischen Effizienz. Diese Kompaktleuchtstofflampe wandelt nur etwa 16% ihrer elektrischen Energie in nicht-thermische Photonen um. Die von ihr erzeugten Photonen sind geschickt auf den sichtbaren Bereich begrenzt (nach dem Aufwärmen), sodass ihr Spektrum etwa so effizient ist, wie man es sich wünschen könnte – auch wenn die Farbwiedergabe nicht so gut ist. Die elektrische in Photoneneffizienz ist das Engpass.
Abbildung 14 zeigt das Spektrum einer LED-Leuchte mit einer angegebenen Helligkeit von 86 lm und einem Verbrauch von 1,5 W (ca. 60 lm/W). Ihre Farbtemperatur liegt bei etwa 3000 K und ist daher “warm”. Es handelt sich im Grunde um eine blaue LED (eine schmale Eigenschaft auf der linken Seite), die ein breites gelbes Phosphor beleuchtet. Die spektrale luminöse Wirksamkeit ist mit 340 lm/W sehr hoch, und ihr Planckianer Offset qualifiziert die Quelle als weiß. Ihre Farbwiedergabe ist jedoch ziemlich schlecht, bei 66. Bei einem Vergleich der spektralen luminösen Wirksamkeit mit der erreichten Wirksamkeit ergibt sich eine Effizienz von 17% bei der Umwandlung von elektrischer Energie in sichtbare Photonen.
Eine ähnliche LED-Leuchte, die mit einer Farbtemperatur von 6500 K beworben wird, wird oben gezeigt und liegt knapp außerhalb der “weißen” Grenze, weist jedoch einen besseren CRI (80) auf, während die spektrale luminöse Wirksamkeit bei 287 lm/W schlechter ist. Die Farbtemperatur erweist sich als viel höher (“kühler”) als beworben. In dieser Leuchte wird eine ähnliche blaue LED verwendet, aber mit viel weniger Licht, das von dem Phosphor absorbiert und verarbeitet wird. Die Verpackung enthielt keine Angaben zur Lichtleistung in Lumen, daher kann ich die elektrische Effizienz nicht bewerten.
Ein Laptop-Bildschirm, der von einer Leuchtstoffquelle beleuchtet wird, erzeugt ein solartemperaturähnliches Spektrum, das sehr nahe am Planckianer Locus liegt und einen respektablen CRI (87) und eine luminöse Wirksamkeit von 317 lm/W aufweist. Die drei Hauptlinienquellen sind die gleichen wie bei der CFL-Birne oben, aber der Laptop-Bildschirm macht von Phosphoren viel mehr Gebrauch und füllt die Lücken zwischen den Linien etwas effektiver aus.
Ein Laptop-Bildschirm, der von LEDs hintergrundbeleuchtet wird, verwendet die übliche blaue LED, die Phosphore anregt, aber im Gegensatz zu den oben untersuchten Lichtern verwenden die Laptop-LEDs einen zusätzlichen Phosphor, um die Beleuchtung im roten Teil des Spektrums zu verbessern. Das Ergebnis ist ein grenzwertiges planckisches Spektrum, das “kühler” als das Solarspektrum ist und einen CRI von 84 erreicht. Die spektrale luminöse Wirksamkeit beträgt 293 lm/W. Ich habe auch einen LED-hinterleuchteten Fernseher ausprobiert und dabei nahezu identische Ergebnisse erzielt.
Schließlich haben wir ein nettes Gerät in unserer Vorführungsstätte für Physikvorlesungen an der UCSD, das aus drei farbigen LEDs besteht: eine rote, eine grüne und eine blaue. Drei Tasten ermöglichen das gleichzeitige Ein- und Ausschalten jeder Kombination, wobei das Licht in einen Keil aus Acryl gegossen wird, dessen Oberfläche aufgeraut ist, damit das Licht gut diffundiert und sich vermischt. Drücken Sie alle drei Tasten und Sie erhalten eine gute Näherung an Weiß. Rot plus grün (kein Blau) ergibt die primäre subtraktive Farbe Gelb. Grün plus Blau (kein Rot) ergibt Cyan. Rot plus Blau (kein Grün) ergibt Magenta (Cyan, Magenta und Gelb – CMY – bilden die primären subtraktiven Farben für Farbstoffe und Farben). Nette kleine Spielerei. Bei Verwendung dieser drei Quellen stellt sich die Frage, welche Mischung (durch Variation der relativen Helligkeiten) die Farbwiedergabefähigkeit der drei am besten maximiert?
Das Beste, was ich tun konnte, ist immer noch nicht besonders gut, nach Beleuchtungsstandards. Wenn ich die Quelle zwinge, eine akzeptabel niedrige Planckian-Offset zu haben, erhalte ich nur einen CRI von 63 und eine spektrale luminöse Wirksamkeit von 243 lm/W. Wenn ich von der “weißen” Grenze nach Belieben abweiche, kann ich den CRI auf bis zu 77 erhöhen, aber der Offset liegt fünfmal über dem “akzeptablen” Limit (und die spektrale luminöse Wirksamkeit verbessert sich kaum – bis zu 246 lm/W). In beiden Fällen ist die Farbtemperatur absurd hoch. Die Wellenlängen dieser drei LEDs sind absolut nicht für diese Aufgabe optimiert, daher könnte man zweifellos besser abschneiden. Vier LEDs (z. B. das Hinzufügen von Gelb) würden es noch einfacher machen.
Lehren
Für die meisten Leser ist dies weit mehr als Sie je über Lichtquellen, spektrale Verteilungen und maximale theoretische Effizienz wissen wollten. Ich habe Sie am Anfang gewarnt, dass dies passieren könnte, wenn man Astronomie und Energieeffizienz mischt.
Neben dem Geschichtenerzählen über Spektren veranschaulicht dieser Beitrag, dass es eine absolute maximale Effizienz gibt, die von Lichtquellen erreicht werden kann. Jedes Photon hat einen Energiepreis. Selbst wenn wir eine Methode hätten, sichtbare Lichtphotonen mit 100% Effizienz zu erzeugen, würden die Photonen selbst eine Zahlung verlangen. Zusammen mit unserer physiologischen Empfindlichkeit und unserer Beurteilung der geeigneten Farbwiedergabe finden wir heraus, dass wir nie über etwa 350 lm/W für Lichtquellen hinausgehen werden, die wir als akzeptabel betrachten würden.
Das bedeutet, dass es für die vorhandene effiziente Beleuchtung (im Bereich von 60-100 lm/W) nur noch etwa das Vierfache bis zu den theoretischen Grenzen zu gehen gibt. Wie bei vielen Dingen begrenzen praktische Realitäten uns auf einen Teil des theoretischen Maximums. Wenn wir die Beleuchtungseffizienz mit einer jährlichen Steigerungsrate von 2% verbessern würden (Verdoppelung alle 35 Jahre), würden wir innerhalb des Jahrhunderts den Höchststand erreichen.
In der Zwischenzeit, während wir uns an Fortschritte bei der Beleuchtung anpassen, werden wir feststellen, dass wir die alten Kalibrierungen der Helligkeit mit Watt abschütteln werden. Das Lumen ist die richtige Einheit zur Messung der wahrgenommenen Helligkeit. Wenn Sie im Hinterkopf behalten, dass Standard-Glühlampen etwa 15 lm/W haben, können Sie die Kalibrierung selbst vornehmen. Eine 1500 lm-Glühbirne liegt am hellen Ende. Eine vernünftige Allzweckbeleuchtung könnte bei etwa 600 lm liegen. Taschenlampen können im Bereich einiger Lumen liegen. Ein kürzlicher Ausflug auf der Suche nach LED-Stirnlampen hat mir gezeigt, dass das Lumen als primäre Kennzahl an Bedeutung gewinnt, mit Zahlen, die in der Regel von 20 lm bis zu 75 lm reichen. Ich hoffe, dass etwas wie der CRI – und vielleicht sogar etwas Ähnliches wie der Planckian Offset – auch eine Rolle bei der Verpackung spielen wird, da die Verbraucher nach Lichtern suchen, die ein natürliches Gefühl vermitteln. Aber wen mache ich da etwas vor? Themen wie der Preis sind es, die die meisten Menschen interessieren.
