DE202005001540U1

DE202005001540U1 - Farblich einstellbare Tageslichtquelle

Info

Publication number: DE202005001540U1
Application number: DE200520001540
Authority: DE
Original assignee: Grantz, Helmut, Dipl.-Ing.
Current assignee: MBB INTERNATIONAL GROUP AG, CH
Priority date: 2005-02-01
Filing date: 2005-02-01
Publication date: 2005-05-19
Anticipated expiration: 2015-02-02

Abstract

Lichtquelle für Tageslicht unter Verwendung von lichtemittierenden Dioden (LED's), die als Gruppen von LED's gleicher Leistung oder Einzel- LED's unterschiedlicher angepasster Leistung bestehen, was beides in den Ansprüchen als LED bezeichnet wird, die in der Farbtemperatur einstellbar ist, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine weißes Licht einer bestimmten Farbtemperatur emittierende LED mit mindestens 2 unterschiedlich farbiges Licht emittierende LED's kombiniert werden.

Description

1 Beschreibung
Es wird eine Lichtquelle beschrieben, deren Lichtfarbe ein Spektrum aufweist, welches weitgehend dem Tageslichtspektrum entspricht, das durch aktives Zumischen von Farblicht in der Farbtönung verändert werden kann, ohne dass dabei der Charakter des Tageslichts-Spektrums verändert wird.
2 Stand der Technik
2.1 Biologisch wirksames Licht
Es sind Leuchten bekannt, die durch den Einsatz von hochwertigen Leuchtstoffröhren mit Tageslichtspektrum ein Licht abstrahlen, das weitgehend dem Tageslicht entspricht. Solche Leuchten werden vor allem für therapeutische Zwecke als sogenannte Gesundheitsleuchten oder auch Wohlfühlleuchten oder auch allgemein als biologisch wirksames Licht eingesetzt. Hierzu ist es von Bedeutung, dass ein Licht abgestrahlt wird, das weitgehend dem Sonnenlichtspektrum gleicht und auch die nahen ultraviolett Anteilen umfasst. Besonders die UV-Anteile im nahen UV- Bereich sind auch für den Menschen von Bedeutung und sind für Pflanzen, Terrarien, Reptilien, Volieren, Aquarien meist unverzichtbar. Die therapeutische Wirkung solcher Leuchten zur Steigerung des menschlichen Wohlbefindens ist wissenschaftlich erwiesen. Jeder Anteil des abgestrahlten Spektrums beeinflusst Körperfunktionen und damit das Wohlbefinden. Auch andere Lebewesen und Pflanzen bevorzugen Licht dieser Art. Ein Grund dafür ist außerdem die gegenüber heute meist verbreiteten Beleuchtungsarten vorteilhafte Steigerung des Stoffwechsels durch Assimilation. Der durchschnittliche erwachsene menschliche Körper beispielsweise erreicht durch Assimilation über Lichteinwirkung einen täglichen Stoffwechsel in Höhe von etwa 50 kg.
Leider haben solche Leuchten den Nachteil, dass ein solches Licht vom Menschen häufig als kühl und ungemütlich empfunden wird, weshalb solche Leuchten auf dem Markt nur schwach verbreitet sind. Stattdessen wird von den meisten Menschen „ungesundes Licht" mit einem vom Sonnenlichtspektrum stark abweichenden Spektrum in Kauf genommen. Dazu gehören auch die sogenannten Dreibanden- Leuchtstoffröhren, die scheinbares getöntes Weißlicht durch Farbmischung über Fluoreszenzschichten in den schmalbandigen Farben rot, grün und blau erzeugen, also sehr stark vom Tageslichtspektrum abweichen. Zwischentöne, wie violett, braun, gelb oder orange fehlen völlig. Konventionelle Leuchten verwenden meist thermische Lichtquellen, wie Glühbirnen oder Halogenstrahler. Diese Lichtquellen strahlen ein sogenanntes „warmes Licht" ab, das mangels besseren Wissens als gemütlich und daher angenehm empfunden wird, jedoch außer dem hohen Energiebedarf noch den Nachteil aufweist, dass das Farbspektrum stark nach gelb verschoben ist und ein großer Teil als infra rote Wärmestrahlung emittiert wird. Dadurch werden Gegenstände oder Bilder nicht in Ihrer natürlichen Farbe erkannt und das Lesen erschwert, was wiederum die Augen anstrengt. UV- Licht wird überhaupt nicht abgestrahlt.
Um nun den gewünschten Therapieeffekt durch Einsatz von Lichtquellen mit Tageslichtspektrum zu erzielen, und dabei auch noch eine angenehme Farbempfindung zu erreichen, werden heute neben hochwertigen Weißlichtquellen, die ein tageslichtähnliches Spektrum auch mit nahen UV- Anteilen abstrahlen, Filtertechniken beispielsweise durch eingefärbte Reflektoren eingesetzt, die einen Anteil des abgestrahlten Weißlichtes in der Filterfarbe abstrahlen. Da dieser Anteil Weißlicht in Farblicht gewandelt wird, geht natürlich Leistung und ein Teil der therapeutischen Wirkung verloren. Da nicht nur das tageslichtähnliche Spektrum für Therapiezwecke von Bedeutung ist, sondern die im Laufe des Tages sich ändernden Intensitäten und Farben des Spektrums, die wiederum die Innere Uhr" beeinflussen, werden auch Leuchten auf dem Markt angeboten, bei denen diese Filter während des Tagesablaufs mechanisch manuell oder zeitgesteuert gewechselt werden. Dies geschieht allerdings nicht unmerklich kontinuierlich, sondern in Stufen.
Ein weiterer unerwünschter Nebeneffekt der vorhandenen Lichtquellen für biologisch wirksames Licht ist das durch die verwendete Wechselspannung erzeugte Flackern. Vom Menschen wird dieses Flackern ab 50 Hz zwar bewusst kaum wahrgenommen, vor allem kleine Tiere nehmen es jedoch als starke Lichtschwankung wahr. Das durch Wechselspannung bedingte Flackern unterscheidet das Kunstlicht daher stark vom natürlichen Tageslicht. Somit bewirkt es als biologisch wirksames Licht unerwünschte Nebeneffekte bei der therapeutischen Beleuchtung von Mensch, Pflanzen und Tieren.
2.2 Medizinische Leuchten
In diesem Bereich werden sehr hohe Ansprüche an die Lichtqualität gestellt, die sogar in Normen festgelegt sind. Dies trifft insbesondere für Operationsleuchten zu, bei denen zudem noch sehr hohe Leuchtstärken gefordert werden. Um diese geforderten Qualitäten werden heute hochlichtstarke thermische Lichtquellen eingesetzt mit all den Nachteilen, die oben beschrieben sind. Hochdruck- Gasentladungs- Lampen müssen darüber hinaus wegen der Explosionsgefahr noch besonders durch Schutzmassnahmen abgeschirmt sein. Um die geforderte Lichtqualität zu erreichen sind die benötigten Reflektoren mit geeigneten Filterbeschichtungen versehen, die zusätzlich weitgehend die schädliche Infrarot- Abstrahlung durchlassen müssen, um eine Erwärmung des Operationsbereiches zu vermeiden. Dies alles kostet Energie und erfordert hohe Aufwendungen.
2.3 Fotobeleuchtung
Für fotographische Zwecke sind bis heute Fotoleuchten und Scheinwerfer im Einsatz, die meist kein Tageslichtspektrum abstrahlen. Um den gewünschten Bildeffekt zu erzielen, werden daher oft Kunstlichtfilme mit einer auf das Kunstlicht abgestimmten Sensibilisierung eingesetzt oder geeignete Filtertechniken verwendet. Vor allem im professionellen Bereich sind oft sehr aufwändige Filterungen mit den dazugehörigen Farbmessungen nötig, weil die verwendeten Lichtquellen ihre Farbe durch Alterung oder Temperaturänderungen während der Aufheizphase verändern. Es sind also Wartezeiten nötig, bis die Aufheizphase abgeschlossen ist. Ein besonderer Nachteil dieser Lichtquellen ergibt sich dadurch, dass manche farbige Gegenstände dann falsch wiedergegeben werden, wenn diese eine Farbe aufweisen, die im Spektrum der verwendeten Leuchte nicht, oder zu schwach vorhanden ist und daher vom Gegenstand nicht richtig reflektiert werden kann. Besonders unangenehm fällt dies bei der Wiedergabe von Hauttönen auf, weshalb umfangreiche Schminkprozeduren erforderlich sind, um mit dieser Art "Filtertechnik" diesen Mangel zu kompensieren. Der Einsatz von entsprechenden Lichtquellen mit Tageslichtspektrum könnte diesen Mangel beseitigen, wenn denn solch starke Lichtquellen auf dem Markt verfügbar wären.
3 Aufgabe der Erfindung
Die Erfindung soll eine Lichtquelle darstellen, die die Nachteile des technischen Standes vermeidet und in Abhängigkeit vom jeweiligen Anwendungsfall einige oder alle der folgenden Eigenschaften aufweist. Dies sind:

– Lichtquelle mit tageslichtähnlichem Spektrum, dessen Farbtemperatur aktiv durch zumischbare farbige Lichtquellen veränderbar ist und damit beste Farberkennung ermöglicht.
– Lichtquelle mit tageslichtähnlichem Spektrum, die weitgehend frei von Infrarotabstrahlung ist.
– Lichtquelle mit tageslichtähnlichem Spektrum, das sowohl in der Lichtstärke, wie auch in der Lichtfarbe während des Tagesablaufs aktiv durch kontinuierliche Veränderung der Intensität einzelner oder mehrerer farbiger Lichtquellen veränderbar ist.
– Flackerfreie Lichtquelle, die mit Gleichstrom betrieben wird.
– Lichtquelle mit physiologisch abgestimmten einstellbarem Ultraviolettanteil, um damit die für die Körperfunktion wichtige Produktion des sog. „Sonnenhormons", nämlich Vitamin D3 über die Augen zu fördern.

4 Erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe
4.1 Grundprinzip
Die Erfindung umfasst mehrere Ausführungsformen, die sich je nach Anwendungsfall und Komfortanspruch unterscheiden. Dies sind

– die Verwendung von Lichtemittierenden Dioden (LED's) mit unterschiedlichen Farben vorzugsweise in Kombination mit Weißlicht- LED's,
– eine unabhängige Einstellung und Regelung jeder einzelnen LED- Farbe,
– die Einstellbarkeit eines durchgehenden Farbspektrums,
– die Verwendung von vorzugsweise Gleichstrom oder für bestimmte Anwendungen von hochfrequenter Pulsweitenmodulation zur Stromversorgung,
– zeitabhängige Veränderung der Tageslichtfarbe entsprechend dem natürlichen Tagesablauf,
– sensorgesteuerte Zuschaltung der Lichtquelle in Abhängigkeit von der aktuellen Helligkeit,
– sensorgesteuerte Farbmischung in Abhängigkeit von der aktuellen Lichtfarbe.

Für die Lichtquelle werden für die Grundhelligkeit vorzugsweise breitbandig abstrahlende Weißlicht- LED's verwendet. Besonders vorteilhaft ist dabei die Verwendung unterschiedlicher Weißlicht- LED's mit Farbtemperaturen im Bereich von <4000°K und von >5000°K. Aktuell sind lichtstarke Weißlicht- LED- Arten mit der Farbtemperatur von 3600°K und von 5500°K verfügbar, die beispielhaft in der Beschreibung dieser Erfindung verwendet werden. Zu diesen Weißlicht- LED's werden im sichtbaren Farbbereich LED's zugeschaltet, die vorzugsweise in den Farben blau, grün und rot abstrahlen. Für besondere Farbstimmungen kann auch noch die Zumischung von LED's in den Farben cyan, gelb und orange sinnvoll sein. Vor allem für die biologisch wirksame Lichtquelle werden für viele Anwendungen noch UV- LED's eingesetzt, die im nahen UV- A- Bereich abstrahlen. Deren Lichtwellenlängen liegen vorzugsweise im Bereich von 360 – 385 nm. Aktuell sind hierfür lichtstarke UV- LED's mit den Wellenlängen von 365 nm und 380 nm verfügbar.
Verfügbare Weißlicht- LED's mit 5500°K haben im für den Menschen wichtigsten Wellenlängenbereich einen sehr guten Spektralverlauf, der weitgehend dem Tageslichtspektrum entspricht, weisen jedoch im Bereich von ca. 480 nm eine sehr geringe Abstrahlung auf, um dann jedoch eine Maximalabstrahlung bei ca. 440 nm zu liefern. Verfügbare Weißlicht- LED's mit 3600°K haben ihren Spitzenwert bei etwa 640nm und haben bei etwa 480nm eine höhere Abstrahlung als die Weißlicht- LED's mit 5500°K, können die Schwäche in dem Wellenlängenbereich im Vergleich zur natürlichen Abstrahlung jedoch nicht kompensieren. Um dieses „Loch" bei 480 nm auszufüllen, bietet es sich an, verfügbare leistungsstarke blau-grüne LED's mit der Wellenlänge von 505 nm einzusetzen und sie durch blau abstrahlende LED's mit den Wellenlängen von 455 und 465 nm zu ergänzen.
Die technische Entwicklung von LED- Lichtquellen unterliegt einer sehr schnellen Evolution mit stetiger Verbesserung im Spektralbereich und in der Leistung, die bei Anwendung dieser Erfindung selbstverständlich genutzt werden sollten. Daher kann diese Erfindung hier nur beispielhaft die Lösungsmöglichkeiten der Aufgabe an Hand von einigen derzeit verfügbaren LED- Lichtquellen beschreiben, welche hierzu als besonders geeignet erscheinen.
Zur besseren Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung wird auf die folgenden Abbildungen hingewiesen. Die angesprochenen Wellenlängen werden derzeit bei verfügbaren Hochleistungs- LED's abgestrahlt.
1 zeigt einen im Raum Karlsruhe an einem 25. März gemessenen Strahlungsverlauf im für den Menschen sichtbaren Wellenlängenbereich zur Mittagszeit und früh morgens/spät abends, sowie an einem 22. März am selben Ort gemessenen Verlauf mittags bei bedecktem Himmel. Aus diesem Diagramm ist auch das Leistungsverhältnis zu den verschiedenen Tageszeiten ersichtlich.
2 zeigt den gleichen Spektralverlauf, jedoch relativ aufgetragen.
Diese Kurven in 1 und 2 werden wegen der besseren Vergleichbarkeit auch in den nachfolgenden Abbildungen verwendet.
In 3 ist die relative gemessene Tageslicht- Spektralverteilung zur Mittagszeit aufgetragen. Außerdem ist die relative Kurve der Augenempfindlichkeit im sichtbaren Bereich aufgetragen. Um diese Spektralverteilung anzunähern, wird beispielhaft eine verfügbare Weißlicht-LED mit 5500°K mit einer rel. Spitzenabstrahlung im Blaubereich von etwa 80% angesteuert, während eine verfügbare Weißlicht- LED mit 3600°K lediglich mit etwa 60% angesteuert wird. Eine verfügbare Blaulicht- LED mit 455 nm wird nur mit etwa 15%, diejenige verfügbare mit 465 nm mit 50% relativer Spitzenabstrahlung benötigt. Im UV- Bereich bei 365 und 380 nm wird mit etwa 50% – 60% relativer Spitzenabstrahlung der natürliche Spektralverlauf erreicht.
4 zeigt in einer gemeinsamen Kurve die relative Spektralverteilung des Tageslichtes früh am Morgen und spät am Abend. Es fällt eine deutliche Verschiebung in den Rot- Bereich auf. Auch die Empfindlichkeitskurve der Augen ist hier aufgetragen. Um nun diese Spektralverteilung anzunähern, bieten sich folgende relative Abstrahlwerte in den einzelnen Farben an:
Die Weißlicht- LED mit 5500°K wird mit nur etwa 30% im Blaubereich benötigt. Schwerpunkt bildet die Weißlicht- LED mit 3600°K mit einem Anteil von etwa 80% im Rot- Bereich. Zur Annäherung der Kurve werden außerdem noch je 30% bei 455 nm, bei 505 nm und bei 660 nm benötigt. Im UV- Bereich wäre eine gegenüber dem Mittagsverlauf geringere Abstrahlung einzustellen, die bei 40% bis 50 % liegen sollte.
In 5 ist ein relativer Strahlungsverlauf zu irgend einem Zeitpunkt zwischen morgens und mittags aufgetragen. Je nach Sonnenstandshöhe verschiebt sich diese Kurve. In diesem Fall liegt der spektrale Spitzenwert bei orange. Hierzu werden bei der Lichtquelle Farben benötigt, die morgens oder mittags nicht erforderlich sind. Es bieten sich folgende relative Abstrahlwerte bei den einzelnen Farben an: Der Schwerpunkt liegt wiederum bei der Weißlicht- LED mit 3600°K mit einem Anteil von 60% im Rotbereich. Die Weißlicht- LED mit 5500°K wird zu etwa 65% im Blaubereich angesteuert. Dazu kommen die Blaulicht- LED's mit 455 und 465 nm mit etwa 25%. Es kann sinnvoll sein, auch grün mit 505 nm mit etwa 40% und grün mit 540 nm mit etwa 15% zu verwenden. Zusätzlich werden gelbe LED's mit 615 nm zu etwa 20%, orangene LED's mit 640 nm und rote LED's mit 660 nm mit etwa 15% benötigt. Für den UV- Bereich bietet sich eine Einstellung bei etwa 45% bis 55% an.
Für biologisch wirksame Lichtquellen ist es wünschenswert, zusätzlich auch noch Lichtquellen im oberen Rotlicht- Bereich einzusetzen. Sie sind zwar für das Auge entsprechend der Augempfindlichkeitskurve ohne Bedeutung, für den Körper jedoch sind diese Wellenlängen wie alle Lichtwellenlängen aktiv und steuern durch ihren Anteil speziell die innere Uhr von Lebewesen.
Für fotographische Zwecke ist auf Lichtquellen im UV- Bereich und im oberen Rotlicht-Bereich zu verzichten.
4.2 Aufbau der Lichtquelle
Für eine solche Lichtquelle bieten sich je nach Anwendung unterschiedliche Bauweisen an. In der einfachsten Version sind alle benötigten Lichtfarben in einem Lichtkörper zusammengefasst. Es bietet sich hierfür an, die LED- Treiber und die benötigte Kühlung in einem solchen Lichtquellen- Modul ebenfalls unterzubringen. Die Ansteuerung dieser Lichtquellen ist sinnvollerweise bediengerecht an einem geeigneten Platz unterzubringen. Dies hat noch den weiteren Vorteil, dass von einem Ort aus auch mehrere Lichtquellen angesteuert werden können, da die Leistungstreiber ja Bestandteil des Moduls sind.
Für großflächige Beleuchtungen kann es sinnvoll sein, einzelne LED- Farben, wie beispielsweise die UV- LED's abgesetzt von anderen Farben anzuordnen. Für solche Beleuchtungen kann es sinnvoll sein, sowohl die Leistungstreiber, wie auch die Ansteuerung in einem abgesetzten Steuergerät unterzubringen.
Da die einzelnen LED- Farben in unterschiedlicher Stärke benötigt werden, ist es sinnvoll, eine jeweils leistungsgerechte, angepasste Anzahl der einzelnen LED's zu verwenden, sofern die einzelnen LED- Farben in der selben Leistungsklasse angeboten werden. So werden beispielsweise für je eine einzelne LED- Farbe etwa je 3 Weißlicht- LED's mit 3600°K und 5500°K benötigt. Für die UV- Abstrahlung ist ebenfalls die Verwendung von je 2 – 3 UV-LED's mit 365 und 380 nm sinnvoll.
Es kann jedoch vorteilhafter und kostengünstiger sein, LED's unterschiedlicher Leistung zu verwenden, deren Leistung im etwa selben Verhältnis ausgewählt wird, wie im vorigen Absatz beschrieben.
Für eine homogene Beleuchtung ist es von Bedeutung, dass die Lichtquelle eine möglichst gleichmäßige Lichtfarbe aufweist. Für eine biologisch wirksame Allgemeinbeleuchtung ist keine enge Fokussierung der Lichtquelle erforderlich, so dass es erfahrungsgemäß aus reicht, für die Mischung der Lichtfarben eine vorgesetzte Streuscheibe zu verwenden. Dabei sind die UV- LED's entweder außerhalb der Streuscheibe unterzubringen, da sie die sichtbaren Lichtfarben nicht beeinflussen oder es ist darauf zu achten, dass diese Streuscheibe die UV- Anteile hindurchlässt. Zur Verwendung für fotographische Zwecke reicht eine solche Lösung meist ebenfalls aus. Es kann jedoch auch eine nachgeschaltete Fokussierung durch geeignet geformte Reflektoren oder Linsensysteme eingesetzt werden. Für besonders hochwertige Scheinwerfersysteme bietet sich an, ein holographisches Lichtmischsystem zu verwenden, wie es in dem angemeldeten Gebrauchsmuster mit dem Aktenzeichen 20 2004 019 348.5 beschrieben ist.
5 Beschreibung der Abbildungen
1 Die 1 zeigt das Diagramm von einem im Raum Karlsruhe gemessenen Verlauf des Tageslichtspektrums zu verschiedenen Tageszeiten und Umweltbedingungen im März 1981. Angegeben ist die Strahlungsleistung über der Lichtwellenlänge (Lichtfarbe). Dabei ist (1) der Verlauf zur Mittagszeit an einem sonnigen Märztag (25.3.). Es fällt auf, dass das Maximum im Blaubereich bei etwa 450 nm liegt. (2) zeigt den Verlauf morgens um 7:00 Uhr und abends um 18:00 Uhr am selben Tag, also relativ früh und relativ spät, was den deutlichen Leistungsabfall gegenüber Kurve (1) erklärt. Hier liegt das Maximum eindeutig im tiefroten Bereich bei über 700 nm. Zu einem etwas späteren Zeitpunkt am Morgen oder früheren Zeitpunkt am Abend wandert dieses Maximum in den roten Bereich bei etwa 630 bis 660 nm. Zum Vergleich ist eine Kurve zur Mittagszeit bei bedecktem Himmel (100) aufgetragen. Diese Messung wurde am selben Ort wie die Kurven (1) und (2) durchgeführt, jedoch an einem anderen Märzag (22.3.). Es fällt auf, dass das Verhältnis der Intensitäten bei den einzelnen Wellenlängen dem Verhältnis der Kurve (1) ähnelt, die Strahlungsleistung jedoch auf Grund der Bewölkung deutlich niedriger ist. Das Maximum ist jedoch breiter, als an einem Sonnentag und liegt zwischen blau bei etwa 450 nm bis grün bei etwa 500 nm.
2 Diese Abbildung zeigt die gleichen Kurven, wie 1, jedoch im Verhältnis aufgetragen. Das heißt, dass das Maximum der einzelnen Strahlungsverläufe bei 1 liegt. (1') zeigt also den Verlauf zur Mittagszeit an einem Sonnentag, (2') den Verlauf früh morgens und spät abends am gleichen Sonnentag und (100') den Verlauf zur Mittagszeit an einem wolkigen Tag.
3 bis 5 In diesen 3 Abbildungen wird analog zu 2 beispielhaft aufgezeigt, mit welchen verfügbaren LED- Farben und der dazugehörigen relativen Intensität der Verlauf der natürlichen Strahlungsverteilung angenähert werden kann. Außerdem ist in diesen Abbildung zum Ver gleich die Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges dargestellt. Dies zeigt die 3 für die Mittagszeit, die 4 für die Zeit früh am Morgen oder spät am Abend und die 5 zu einer Zeit vormittags, bzw. nachmittags. Dabei ist die jeweils natürliche Strahlungsverteilung mit einer strichlierten Linie dargestellt und die Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges mit einer strichpunktierten Linie. Die einzelnen LED- Farben sind mit einer punktierten Linie dargestellt. Letztendlich ist die aus der Farbmischung der einzelnen LED- Farben entstehende resultierende Strahlungsverteilung mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Die relative Strahlungsintensität ist direkt proportional einer absoluten Intensität. Der entsprechende Faktor wird durch die benötigte Stärke der vorgesehenen Anwendung bestimmt. Wenn mit I_rel die relative Intensität angegeben ist und mit C der Faktor, so ist die absolute Intensität Iabs = C * Irel
3 In dieser Abbildung ist die relative Strahlungsverteilung (1') zur Mittagszeit an einem sonnigen Tag und mit (4) die relative Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges aufgetragen. Die durchgehende Linie (5') zeigt die resultierende Strahlungsverteilung der Farbmischung aus den eingesetzten LED- Farben. Hierzu werden Wisslicht- LED's mit 3600°K (6') mit etwa 58% maximaler relativer Strahlungsintensität, Weißlicht- LED's mit 5500°K (7') mit etwa 75%, blau mit etwa 465 nm (9') mit etwa 57%, grün bei etwa 540 nm (11') und rot bei mit etwa 15% (14') maximaler relativer Intensität eingesetzt. Zusätzlich können für biowirksame Lichtquellen UV- LED's bei 365 nm (15') mit etwa 50% und bei 380 nm (16') mit etwa 55% eingesetzt werden.
4 In dieser Abbildung ist die relative Strahlungsverteilung (2") früh morgens oder spät abends an einem sonnigen Tag aufgetragen. Die Kurve (4) zeigt wieder die relative Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges. Die Linie (5") zeigt die resultierende Strahlungsverteilung der Farbmischung aus den eingesetzten LED- Farben. Mit (6") ist die relative Strahlungsintensität von Weißlicht- LED's mit 3600°K mit etwa 85% relativer maximaler Strahlungsintensität, mit (7") derjenige von Weißlicht- LED's mit 5500°K mit etwa 35% aufgetragen.
Blaulicht- LED's mit 465 nm (9") werden zu etwa 25% benötigt. Rote LED's mit 660 nm werden ebenfalls mit einer relativen Strahlungsintensität von 25% benötigt, wie die Kurve (14") zeigt. Die Linie (15") zeigt die relative Strahlungsintensität der UV- LED's mit einem Maximum von etwa 40% bei 365 nm und die Linie (16") diejenige von anderen UV- LED's mit dem Maximum von etwa 45% bei 380 nm.
5 In dieser Abbildung ist die relative Strahlungsverteilung (3''') irgendwann am Vormittag oder irgendwann am Nachmittag an einem sonnigen Tag aufgetragen. Die Kurve (4) zeigt die relative Empfindlichkeitskurve des menschlichen Auges. Die Linie (5''') zeigt die resultierende Strahlungsverteilung der Farbmischung aus den eingesetzten LED- Farben. Mit (6''') ist die relative Strahlungsintensität von Weißlicht- LED's mit 3600° K, mit (7''') derjenige von Weißlicht- LED's mit 5500°K aufgetragen. Man sieht, dass (6''') mit etwa 82% maximaler relativer Intensität bei etwa 635 nm eingestellt ist. (7''') wird mit etwa 50% maximaler relativer Intensität bei etwa 440 nm benötigt.
Blaulicht- LED's mit 465 nm (9''') werden mit etwa 35% benötigt. Grüne LED's mit etwa 540 nm (11''') werden mit etwa 10% benötigt. Rote LED's mit 660 nm (14''') werden mit einer relativen Strahlungsintensität von etwa 15% benötigt. Die Linie (15") zeigt die relative Strahlungsintensität der UV- LED's mit einem Maximum von etwa 45% bei 365 nm und die Linie (16") diejenige von anderen UV- LED's mit dem Maximum von etwa 50% bei 380 nm.
6 und 7 In diesen beiden Abbildungen ist der Verlauf der Strahlungsenergie der einzelnen Farben über die Tageszeit aufgetragen. Diese Verläufe dienen der Abstimmung einer Konzeption einer solchen Lichtquelle und der dazugehörigen Regelung. Die Maximalabstrahlung der stärksten Lichtfarbe ist jeweils mit 100% angesetzt. Dementsprechend höher sind die Prozentwerte der anderen LED- Farben gegenüber den vorherigen Diagrammen. Dabei wird in der 6 die Gesamtabstrahlung über die Tageszeit konstant gehalten. Man sieht dabei, dass weiß mit 3600°K (6) zu maximal 100% eingestellt ist und weiß mit 5500°K (7) zu etwa 85% benötigt wird.
In der 7 dagegen wird die Strahlungsenergie von 50% am Morgen kontinuierlich auf 100% am Mittag hochgefahren um anschließend zum Abend hin wieder kontinuierlich auf 50% reduziert zu werden. Hier sind die Kurven mit dem Index a versehen. Dies kann beispielsweise über einen Summenregler realisiert werden, der alle Farben gleichzeitig im selben Verhältnis regelt. Dies hat den Vorteil, dass auf einfache Art auch unterschiedliche Gesamtintensitäten zu den Tageszeiten eingestellt oder eingeregelt werden können. Eine andere Möglichkeit bietet eine feste Regeleinstellung, wo also die Tageszeiten fest einprogrammiert sind. Man sieht, dass dann weiß mit 3600°K (6a) zu 100% benötigt wird, während weiß mit 5500°K (7a) zu knapp 100% benötigt wird. Ein geringerer Energiebedarf wird also für alle Farben morgens und abends benötigt. Auch ändert sich das Verhältnis einiger Farben. Diese Lösung bietet also wegen eines geringeren LED- Aufwandes und wegen des Wegfalls des Summenreglers eine kostenoptimierte Ausführung.
6 Diese Abbildung zeigt den relativen Verlauf der Strahlungsintensität der einzelnen Farben über die Tageszeit aufgetragen. In dieser Abbildung sind alle Kurven auf eine über die Tageszeit konstante relative Strahlungsenergie der resultierenden Gesamtstrahlung bezogen. Dabei zeigt die Kurve (6) den Verlauf der Weißlicht- LED's , mit 3600°K, die Kurve (7) denjenigen der Weißlicht- LED's mit 5500°K, die Kurve (9) denjenigen der Farbe blau mit 465 nm, die Kurve (11) denjenigen der Farbe grün mit 540 nm und schließlich die Kurve (14) denjenigen der Farbe rot mit 660 nm. Mit den Kurven (15) und (16) ist der Verlauf der Strahlungsintensität der UV- LED's mit 365 nm und 380 nm dargestellt.
7 In dieser Abbildung ist der relative Verlauf der Strahlungsintensität der einzelnen Farben über die Tageszeit aufgetragen, wenn der Verlauf der Gesamtabstrahlung wie in der Natur auch am Morgen und Abend gegenüber der Mittagszeit reduziert ist. In diesem Fall beträgt die Reduzierung 50% und wird gegen Mittag kontinuierlich gesteigert, bzw. vom Mittag zum Abend hin kontinuierlich abgesenkt. Die Bezeichnungen der einzelnen Kurven entsprechen derjenigen der 6 mit der Indexerweiterung „a".
8 Diese Abbildung zeigt analog zu 3 mögliche Einstellungen zur Mittagszeit, wenn zur Optimierung der resultierenden Spektralverteilung weitere LED- Farben verwendet werden. Die Bezeichnungen der Lichtfarben sind gegenüber 3 um +100 erweitert, die Kurve (105') zeigt dementsprechend die resultierende Kurve. Als zusätzliche Farben werden mit (108') blau mit 455 nm, und blaugrün mit 505 nm (110') eingesetzt. Auf grün und rot wurde verzichtet. Diese Abbildung zeigt gegenüber der 3 ein deutlich verringertes „Loch" bei 480 nm.
9 Diese Abbildung zeigt analog zu 4 mögliche Einstellungen am Morgen und am Abend, wenn zur Optimierung der resultierenden Spektralverteilung weitere LED- Farben verwendet werden. Die Bezeichnungen der Lichtfarben sind gegenüber 4 um +100 erweitert, die Kurve (105") zeigt dementsprechend die resultierende Kurve. Als zusätzliche Farben werden mit (108") blau mit 455 nm, und blaugrün mit 505 nm (110") eingesetzt. Auf blau mit 465 nm und grün wurde verzichtet. Diese Abbildung zeigt gegenüber der 4 eine deutlich verbesserte Angleichung der resultierenden Kurve (105") an den natürlichen Strahlungsverlauf vor allem bei 480 nm.
10 Diese Abbildung zeigt analog zu 5 mögliche Einstellungen am vormittags und nachmittags, wenn zur Optimierung der resultierenden Spektralverteilung weitere LED- Far ben verwendet werden. Die Bezeichnungen der Lichtfarben sind gegenüber 5 um +100 erweitert, die Kurve (105''') zeigt dementsprechend die resultierende Kurve. Als zusätzliche Farben werden mit (108''') blau mit 455 nm, und blaugrün mit 505 nm (110'''), gelb mit 615 nm (112''') und orange mit 650 nm (113''') eingesetzt. Diese Abbildung zeigt gegenüber der 5 ebenfalls eine verbesserte Angleichung der resultierenden Kurve (105''') an den natürlichen Strahlungsverlauf vor allem bei 480 nm.
11 Diese Abbildung zeigt analog zu 6 den relativen Verlauf der Strahlungsintensität der einzelnen Farben über die Tageszeit bei Verwendung von mehr LED- Farben aufgetragen, wie in den 8 bis 10 gezeigt. Die Bezeichnungen sind wie in der 6 um +100 erweitert. In dieser Abbildung sind alle Kurven auf eine über die Tageszeit konstante relative Strahlungsenergie der resultierenden Gesamtstrahlung bezogen. Dabei zeigt die Kurve (106) den Verlauf der Weißlicht- LED's , mit 3600°K, die Kurve (107) denjenigen der Weißlicht- LED's mit 5500°K, die Kurve (108) die zusätzlich gegenüber 6 eingesetzte Farbe blau mit 455 nm, die Kurve (109) denjenigen der Farbe blau mit 465 nm, die Kurve (111) denjenigen der Farbe grün mit 540 nm, die Kurve (112) die zusätzlich eingesetzte Farbe gelb mit 615 nm, die Kurve (113) die zusätzlich eingesetzte Farbe orange mit 640 nm und schließlich die Kurve (114) denjenigen der Farbe rot mit 660 nm. Mit den Kurven (115) und (116) ist der Verlauf der Strahlungsintensität der UV- LED's mit 365 nm und 380 nm dargestellt.
12 In dieser Abbildung ist analog zu 7 der relative Verlauf der Strahlungsintensität der einzelnen Farben über die Tageszeit bei Verwendung von mehr LED- Farben aufgetragen, wie in den 8 bis 10 gezeigt, wenn der Verlauf der Gesamtabstrahlung wie in der Natur auch am Morgen und Abend gegenüber der Mittagszeit reduziert ist. In diesem Fall beträgt die Reduzierung 50% und wird gegen Mittag kontinuierlich gesteigert, bzw. vom Mittag zum Abend hin kontinuierlich abgesenkt. Die Bezeichnungen der einzelnen Kurven entsprechen derjenigen der 11 mit der Indexerweiterung „a".
13 In Ergänzung zur 6 zeigt diese Abbildung eine mögliche Anordnung der LED- Farben entsprechend dem dazugehörigen Leistungsbedarf. Die einzelnen LED's sind als Kreise dargestellt. Die darauf befindliche Nummer gibt analog Abb 6 die jeweilige LED- Farbe an. Unter der Voraussetzung, dass die einzelnen farbigen LED's in etwa die gleiche Strahlungsleistung aufweisen, wird die benötigte Leistung bis auf eine aus Symmetriegründen leicht angepasste jeweilige Anzahl von LED's pro Farbe bestimmt. So werden hier 7 weiße LED's mit 3600°K (6) verwendet, 5 weiße LED's mit 5500°K (7), 3 blaue LED's (9), 1 grüne LED (11), 2 rote LED's (14), 4 UV- LED's (5) und 5 UV- LED's (6), also insgesamt 27 LED's.
Erfahrungsgemäß wird eine sehr gute Farbmischung erzielt, wenn die farbigen LED's, die ja in kleinerer Stückzahl als die weißen LED's benötigt werden, mittig angeordnet sind und von den beiden Gruppen von Weißlicht- LED's umgeben werden. Da die UV- LED's das sichtbare Farbbild nicht beeinträchtigen, können diese ebenfalls außen angebracht sein.
14 In Ergänzung zur 7 zeigt diese Abbildung eine mögliche Anordnung der LED- Farben entsprechend dem dazugehörigen Leistungsbedarf, wenn die Leistung gegen Morgen und gegen Abend reduziert wird. Die einzelnen LED's sind als Kreise dargestellt. Die darauf befindliche Nummer mit der Erweiterung „a" gibt analog 7 die jeweilige LED- Farbe an. Unter der Voraussetzung, dass die einzelnen farbigen LED's in etwa die gleiche Strahlungsleistung aufweisen, wird die benötigte Leistung bis auf eine aus Symmetriegründen leicht angepasste jeweilige Anzahl von LED's pro Farbe bestimmt. Man sieht, dass gegenüber 13 die Anzahl der LED's leicht differieren. Es werden also hier ebenfalls 6 weiße LED's (6a) verwendet, jedoch 6 weiße LED's (7a), 4 blaue LED's (9a), je 1 grüne LED (11a), rote LED (14a) und die gleiche Anzahl UV- LED's, wie in 13.
15 und 16 Diese Abbildungen zeigen analog zu den 13 und 14 mögliche Anordnungen von LED's bei Verwendung von mehr LED- Farben entsprechend der 8 bis 10. Es gelten also die gleichen Bemerkungen wie in den 13 und 14. Gegenüber diesen Abbildungen wird deutlich, dass eine solche Lichtquelle aufwändiger wird, weil logischerweise deutlich mehr LED's benötigt werden. Nicht in einer Zeichnung dargestellt ist eine mögliche verteilte Anordnung der LED's um zum Beispiel einen Raum diffus zu beleuchten. Dabei können die unterschiedlichen Farben an unterschiedlichen Orten unter-gebracht sein und trotzdem wird für einen Beobachter bei gut gelungener Aufteilung der einzelnen Farben der Eindruck einer homogenen Tageslichtbeleuchtung vermittelt. Erhalten bleibt bei dieser Ausführung lediglich das Verhältnis der Leistung der einzelnen Farben untereinander. Diese Anordnung bietet vor allem für große Räume die vorteilhafte Möglichkeit durch eine zentrale Anordnung der Steuerung und Stromversorgung Kosten zu sparen.
15 In Ergänzung zur 11 zeigt diese Abbildung eine mögliche Anordnung der LED-Farben entsprechend dem dazugehörigen Leistungsbedarf bei Verwendung von mehr LED-Farben entsprechend der 8 bis 10. Hier werden also 10 weiße LED's (106) und 11 weiße LED's (107), sowie je 3 blaue LED's (108) und (109), 2 grünblaue LED's (110) und je 1 grüne (111), gelbe (112), orangene (113) und rote LED (114). Außerdem werden 7 UV-LED's (115) und 8 UV- LED's (116) also insgesamt 48 LED's eingesetzt.
16 In Ergänzung zur 12 zeigt diese Abbildung eine mögliche Anordnung der LED-Farben entsprechend dem dazugehörigen Leistungsbedarf, wenn die Leistung gegen Morgen und gegen Abend reduziert wird. Die einzelnen LED's sind als Kreise dargestellt. Die darauf befindliche Nummer mit der Erweiterung „a" gibt analog 11 die jeweilige LED-Farbe an. Man sieht, dass gegenüber 15 die Anzahl der LED's leicht differieren. Es werden also 9 weiße LED's (106a), 12 weiße LED's (107a), 2 blaue LED's (108a), je 3 blaue LED's (109a) und blaugrüne LED's (110a), je 1 grüne (111a), gelbe (112a), orangene (113a) und rote LED (114a) benötigt. Dazu kommen die gleiche Anzahl UV- LED's, wie in 15.
17 Diese Abbildung zeigt eine 1. mögliche Ausbildung der erfindungsgemäßen Lichtquelle. Hier werden LED's entsprechend einer der 13 – 15 eingesetzt, die einen begrenzten Abstrahlwinkel haben. Sie sind auf einem LED- Träger (23) untergebracht, der gut wärmeleitend in einem Gehäuse (20) untergebracht ist. Je nach Leistung kann es nötig sein dieses Gehäuse zur Erhöhung der Wärmeabstrahlung mit nicht dargestellten Kühlrippen zu versehen oder den LED- Träger über einen nicht dargestellten Kühlkörper mit dem Gehäuse (20) zu verbinden. Die Wandlung (21) des Gehäuses sind so geformt, dass der Strahlengang (24) der LED's sicher eingeschlossen ist. Das Gehäuse (20) ist am Austritt des Strahlenganges mit einer Diffusorscheibe (22) versehen, die einen erfahrungsgemäß gut in den Farben gemischten diffusen Strahlengang (25) erzeugt.
18 Diese Abbildung zeigt eine 2. mögliche Ausbildung der erfindungsgemäßen Lichtquelle. Allerdings werden hier LED's verwendet, die als Lambertsche Strahler ausgebildet sind. Die Anordnung des LED'- Trägers (23') mit der Kühlung ist analog 17. Bei dieser Art LED's ist eine Anordnung nach einer der 13 – 16 für eine gute Farbmischung nicht zwingend erforderlich aber auf jeden Fall empfehlenswert. Hier sind die Wandungen (21') des Gehäuses (20') innen verspiegelt, so dass der breit abgestrahlte Strahlengang (24') der LED's in Richtung Gehäuseöffnung abgelenkt wird. Vorzugsweise sind in diesem Fall die Wandungen (21') parabolisch geformt. Die Gehäuseöffnung ist durch eine transparente Platte (22') abgedeckt. Bis auf geringe Brechungseffekte entspricht der abgestrahlte Strahlengang (25') dem Winkel, der durch die Direktabstrahlung der entgegengesetzt äußeren LED zum Gehäuserand festgesetzt wird. Wenn die Platte (22') jedoch als linse oder Fresnellinse oder in einer besonders vorteilhaften Ausführung als holographische Linse ausgebildet ist, ist eine weitere Fokussierung auf ein kleineres Leuchtfeld des Strahlengangs (25') möglich.
19 und 20 Diese beiden Abbildungen sind ergänzend eingefügt, obwohl sie an sich bekannte mögliche elektronische Schaltungen zur Ansteuerung und Regelung der einzelnen LED's zeigen. Die in beiden Abbildungen aufgeführten Mikrokontroller dienen der Umsetzung von Befehlen. Diese können als Programm im Mikrokontroller selbst vorhanden sein, es können jedoch auch von außen Befehle eingegeben werden, entweder über Programme, manuell über Schalter und/oder Regler oder durch Sensoren, deren Ergebnisse der Mikrokontroller auswertet und in Steuersignale für die jeweils zu regelnde LED oder LED- Gruppe gleicher Farbe umsetzt. Wegen der Vielfalt der Möglichkeiten wurde auf die Darstellung der Eingabegeräte in diesen Abbildungen verzichtet.
19 Diese Abbildung zeigt eine an sich bekannte analoge Ansteuerung. Mit (50) ist der Netzanschluss bezeichnet, (51) zeigt ein Netzteil, das eine oder mehrere in der Spannung unterschiedliche Gleichspannungen zur Ansteuerung unterschiedlicher LED's erzeugt. In diesem Fall wird nur eine LED angesteuert. Die positive Spannung ist mit (52) gekennzeichnet, die negative mit (53). (54) zeigt einen Mikrokontroller, der digital verarbeitete nicht dargestellte Eingabesignale über einen Digital- Analog- Konverter (55) in ein analoges Steuersignal (56) umwandelt, das wiederum einen Operationsverstärker (57) ansteuert, welcher die Helligkeit der LED (58) durch eine Strombegrenzung regelt. (59) zeigt einen geeignet dimensionierten Shunt- Widerstand.
20 Diese Abbildung zeigt eine an sich bekannte digitale Ansteuerung. Netzanschluss, Netzteil und positive und negative Gleichspannung sind wie in 19 gekennzeichnet. Mit (54') ist wieder ein Mikrokontroller bezeichnet, der über einen Digitalport (55') ein der nicht dargestellten Eingabe entsprechendes hochfrequentes digitales Steuersignal liefert und damit einen Stromregler (60') ansteuert, der im wesentlichen aus einem Vorwiderstand (61') einem Transistor (62'), der als Schalter dient und einem Transistor (63'), der als Stromregler dient, besteht. Mit (58) ist wieder die LED bezeichnet und mit (59') der Shunt- Widerstand.

Claims

Lichtquelle für Tageslicht unter Verwendung von lichtemittierenden Dioden (LED's), die als Gruppen von LED's gleicher Leistung oder Einzel- LED's unterschiedlicher angepasster Leistung bestehen, was beides in den Ansprüchen als LED bezeichnet wird, die in der Farbtemperatur einstellbar ist, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens eine weißes Licht einer bestimmten Farbtemperatur emittierende LED mit mindestens 2 unterschiedlich farbiges Licht emittierende LED's kombiniert werden.
Lichtquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass mehrere weißes Licht unterschiedlicher Farbtemperatur emittierende LED's mit unterschiedlich farbiges Licht emittierende LED's verwendet werden.
Lichtquelle nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass zusätzlich zu den Lichtfarben im sichtbaren Wellenlängenbereich auch LED's im ultravioletten Bereich mit Wellenlängen von 360 – 385 nm verwendet werden.
Lichtquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass für die unterschiedlich farbiges Licht emittierende LED's vorzugsweise die Grundfarben rot, grün und blau verwendet werden.
Lichtquelle nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, dass außer den Farben rot, grün und blau auch weitere Farben im sichtbaren Wellenlängenbereich verwendet werden.
Lichtquelle nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass jede einzelne LED- Farbe unabhängig von den anderen Farben einzeln eingestellt und/oder geregelt werden kann.
Lichtquelle nach den vorhergehenden Ansprüchen, gekennzeichnet dadurch, dass die LED's mit einer gleichförmigen geregelten Gleichspannung betrieben werden
Lichtquelle nach Anspruch 1–5, gekennzeichnet dadurch, dass die Gruppen der einzelnen Farben oder die daraus resultierende Leistung der einzelnen Farben und die Auswahl der Farben so abgestimmt ist, dass der natürliche Spektralverlauf des Tageslichtes bestmöglich angenähert werden kann.
Lichtquelle nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, dass die Gruppen der einzelnen Farben oder die daraus resultierende Leistung der einzelnen Farben und die Auswahl der Farben so abgestimmt ist, dass der ent-sprechend der Tageszeit veränderliche Spektralverlauf des Tageslichtes bestmöglich angenähert werden kann.
Lichtquelle nach Anspruch 8–9, gekennzeichnet dadurch, dass es die Regelung der erfindungsgemäßen Lichtquelle ermöglicht, dem Spektralverlauf des natürlichen Tageslichtes in Echtzeit oder für bestimmte Anwendungen in verkürzter Zeit oder auch manuell durch Schalter oder Regler zu folgen.
Lichtquelle nach Anspruch 1, 2 ,4 und 5, gekennzeichnet dadurch, dass durch Veränderung der Leistung einzelner LED- Farben eine bestimmte Farbtemperatur oder eine bestimmte Normlichtqualität eingestellt werden kann.
Lichtquelle nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass durch den Einsatz geeigneter Sensoren Logik und Software, die den aktuellen Spektralverlauf der Lichtquelle erfassen können, über eine geeignete Logik und Software eine vorgegebene Farbtemperatur oder eine vorgegebene Normlichtqualität automatisch eingeregelt oder nachgeregelt werden kann.
Lichtquelle nach einem oder mehreren Ansprüchen 1–5, gekennzeichnet dadurch, dass entsprechend einiger vorhergehenden Abbildungen die einzelnen farbigen LED's gemeinsam in einem Gehäuse so angeordnet sind, dass hinsichtlich der Lichtfarbe eine sehr gute homogene Lichtverteilung erreicht wird.
Lichtquelle nach Anspruch 11, gekennzeichnet dadurch, dass die einzelnen farbigen LED's in einem größeren Raum an unterschiedlichen Stellen hinsichtlich Auswahl des jeweiligen Abstrahlwinkels, Verteilung und Leistungsverhältnis so angeordnet sind, dass am Ort eines oder mehrerer Beobachter ein homogenes tageslichtähnliches Spektrum erzielt wird.