Kleiner Lichtleitfaden

Lichtstrom

Der Lichtstrom beschreibt die Strahlungsleistung, die Lichtquellen in Form von sichtbarem Licht abgeben.
Der Lichtstrom wird in Lumen (lm) gemessen; in diese Größe geht die Helligkeitsempfindlichkeit des menschlichen Auges ein. Es gilt:
Φv = Φe * λ oder λ = Φv / Φe [lm / W ]
Zwischen Elektrischer Leistung [W] und dem Lichstrom [J] wird der Bezug über die Konstante λ hergestellt

Für den besonderen Fall eines monchromatischen Lichtes mit der Wellenlänge 555 nm gilt:
Φv = Φe * 683 lm/W

Dies wird auch als photometrisches Strahlungsäquivalent bezeichnet.

Über die (mittlere) Wellenlänge wird auch ein „Wirkungsgrad“ definiert. Dieser ist für Tag- und Nachtsehen wiederum unterschiedlich. Dieser kann in der Helligkeitsempfindlichkeitskurve dargestellt werden.

 

Die in das Auge treffende Lichtenergie führt zu einem größeren oder kleineren Seheindruck, je nachdem, welche Wellenlängen anteilig in der Lichtenergie enthalten sind. Der Zusammenhang kann in der Helligkeitsempflindlichkeitskurve dargestellt werden. Die relative Empfindlichkeit hat ihr Maximum bei 555 nm.
Die Stärke des Seheindrucks in Abhängigkeit von der Wellenlänge des in das Auge fallenden Lichtes ist eine Besonderheit des menschlichen Sehapparates. Die Empfindlichkeitskurve ist unterschiedlich für Tag- u. Nachtsehen. Das relative Maximum liegt beim Nachtsehen bei ca. 500 nm, beim Tagsehen bei ca. 555 nm. Bei einer Abweichung der Wellenlänge von ca. 20 nm sinkt die Empfindlichkeit auf unter 50%.

Ambientes Licht

Bei jedem modernen Fernseher verwirklicht, im OP nicht immer: Wer ein Medizinisches Licht vom Wirkungsgrad her optimieren will, sollte nicht auf eine möglichst helle, sondern eine gedimmte OP-Umgebung (ambient) abzielen.

 

Lichtstärke

Der Lichtstrom beschreibt die die Leistung einer Lichtquelle, die Lichtstärke beschreibt die Leistung bezogen auf den vom Licht durchdrungenen Raum. Es wird berücksichtigt, dass Strahler bzw. Lichtquellen nicht in alle Richtungen des Raumes gleichmäßig abstrahlen bzw. das durch die Bauform auch nicht so vorgesehen ist. Der Lichtstrom (das Äquivalent zum elektrischen Strom) hat eine Richtungsabhängigkeit. Es wird betrachtet, wieviel Licht(energie) auf eine Fläche trifft, im Verhältnis zum quadratischen Abstand von der Lichtquelle. Die entsprechend Größe wird als Raumwinkel Ω bezeichnet

I = Ø/Ω in der Einheit candela (cd) =lm/sr . Dies ist eine vergleichbare Größe!

Ω = A/d2 (A= beleuchtete Fläche, d= Abstand zur Lichtquelle)

Eine Lichtquelle, die einen Lichtstrom von 4π Lumen erzeugt und dieses Licht in alle Richtungen (d. h. in den 4π Steradiant umfassenden vollen Raumwinkel) mit gleichmäßiger Lichtstärke abstrahlt (aus allen Richtungen betrachtet also gleich hell erscheint), hat in alle Richtungen dieselbe Lichtstärke Iv = 4π Lumen / 4π Steradiant = 1 Lumen / Steradiant = 1 Candela.

Die Beleuchtungsstärke

Die Beleuchtungsstärke ist der Quotient aus aus Lichtrom [Lumen] und der beleuchteten Fläche [m2]. Die SI-Einheit ist daher Lumen durch Quadratmeter (lm/m2). Diese Einheit trägt auch den Namen Lux, ihr Einheitenzeichen ist lx. 1 lx = 1lm/m2

Beispiele für Lichtintensität-Umrechnungen

1. LED Licht

Ev=160.000 lx, Abstand 40 cm, d=12 cm

Iv= 160000*(π*(0,12)2 ) = 1.808 cd

2. LED 3 W

Ev = 38.000 lx, Abstand 40 cm, d= 9 cm

Iv = 38.000**(π*(0,09)2 ) = 966 cd

3. LED 3 W

Ev = 60.000 lx, Abstand 20 cm, d=5 cm

Iv = 60.000* (π*(0,0)2 ) = 471 cd

Vergleich von Lichtstrom und Wirkungsgrad

Der Vergleich der Leuchtmittel zeugt deutlich, dass LEDs anderen Leuchtmitteln mit Blick auf den Wirkungsgrad
deutlich überlegen sind. Die gezeigten Beispiele beziehen sich auf kommerzielle Produkte, LEDs im medizinischen Einsatz sind vom Wirkungsgrad noch deutlich weiter optimiert.

Farbtemperatur

Die Helligkeit einer Lichtquelle kann mit der Helligkeit eines normierten Körperstrahlers verglichen werden. Im Test wird ein normierter schwarzer Hohlkörper auf eine definierbare und messbare Temperatur aufgeheizt, bei Farbgleichheit mit dem zu testenden Leuchtmittel kann die Farbtemperatur angegeben werden.

Abstandsgesetz der Lichtausbreitung

Bei pysikalischen Größen wir mit dem Abstandsgesetz die Abnahme der Größe mit der Entfenung beschrieben. Für Lichtwellen (elektromagnetische Wellen) gilt:

E ~ 1/ r2

Bei Vielfachen des Abstandes r durchdringt das Licht eine Fläche, die in Bezug auf r mit (x*r)2 berchnet wird; die „Energiedichte“ nimmt mit dem Quadrat der Entfernung ab.
Wichtig ist somit, dass bei gewünschten bzw. geeigneten Arbeitsabständen (Ergonomie) die Lichtintensität noch
ausreichend ist.

 

Farbechtheit/ Color Rendering Index (CRI)

Bei der Bestimmung des CRI handelt es sich um ein subjektives Verfahren. Nach DIN 6169 werden 14 Testfarben eingesetzt. Die Höhe des CRI ist nicht direkt mit der Farbtemperatur der Lichtquelle korreliert.

Bei Farbtemparaturen bis 5.000K wird ein „schwarzer Strahler“ als Referenzlicht gewählt, bei höheren Farbtemperaturen Tageslicht.

Für den medizinischen Einsatz sind nicht alle Testfarben gleich relevant.

 

Belastung des Auges durch ungeeignete Strahlung

Je nach Wellenlänge erreicht das Licht verschiedene Eindringtiefen im menschlichen Auge

UV Licht: Absorption durch Iris, Cornea und Glaskörper

Sichtbares Licht: Absorption auf der Retina

IR-Licht: Tiefes Eindringen in die Retina

Somit belastet UV Licht und IR Licht nicht gleichermaßen das Auge

 

Öffnung der Iris und Auflösung

Die Sehfähigkeit des Auges wird durch die Öffnung der Iris beeinflusst. Die max. Öffnung der Iris bei relativer Dunkelheit beträgt bis zu 9 mm, die max. Engstellung bis zu 1 mm. Bei max. geöffneter Iris können am besten Details abgebildet werden. Bei zusätzlicher Beleuchtung lässt sich bei gleicher Iriseinstellung eine größere Tiefenschärfe erreichen. Den Zusammenhang vedeutlicht die folgende Abbildung für drei Irisweiten.

 

Chemie des Sehvorganges

Die Umsetzung eines Lichtreizes in einen chemischen Reiz findet an den für das Tagsehen relevanten Zapfen statt. Als Rhodopsin bezeichnet wird ein Protein der Zapfen, also der Rezeptoren, die in der Retina des Menschen bei Lichteinfall eine Aktivierung (Isomerisierung) erfahren. Das Absorptionsmaximum von Rhodopsin im sichtbaren Lichtwellenlängen-bereich liegt bei λ = 500 nm. Die Wiederherstellung der aktivieren Form findet durch enzymatische Vorgänge im Retinalen Pigmentepithel (RPE) statt. Durch ein Überangebot an Lichtenergie kann das „Recycling“ vom Rhodopsin limitiert werden.

Rel. Absorption des Rhodopsin.

Farbtemperatur vs. Wirkungsgrad

Soweit die Farbechkeit der Strukturen nicht beeinträchtigt wird, ist eine höhere Farbtemperatur vorteihaft. LED-Stahler
mit höherer Farbtemperatur haben einen höheren Wirkungsgrad, wie die folgende Abb. schematisch zeigt.

CRI vs. Wirkungsgrad

Zur Erzielung eines möglichst hohen Wirkungsgrades, d. h. Erzeugung hoher Lichtströme und
(bei akkugestützten LED Lichtern) hoher Akku-Standzeiten sind Kompromisse beim CRI notwendig (s. Abb.)

 

LED vs. Xenon

Im folgenden werden die Emissionsspektren eines Xenon Strahlers und eines LED Strahlers miteinander verglichen.
Der relative Lichtstrom ist gegen die Wellenlänge (nm) aufgetragen.

Beim Xenon-Strahler ist der Lichtstrom im sichtbaren Wellenlängenbereich gleichmäßig verteilt, hat aber im ultravioletten Bereich deutliche Anteile wie auch sehr hohe Peaks im Infrarotbereich.

Der LED Strahler bildet eine Energieverteilung analog zur Empfindlichkeitskurve des Auges (s. o. ) ab, hat aber im blauen Bereich ein relatives Maximum.