„LED-Leuchten und UGR: CIE-Vorschlag zur Berücksichtigung ... · + klare Anforderungen an...

Dr. Carsten Funke

„LED-Leuchten und UGR: CIE-Vorschlag

zur Berücksichtigung von inhomogenen

Leuchtdichtestrukturen “

Dr.-Ing. Carsten Funke

Seite 1

14. Ilmenauer Lichttag

Ilmenau, 07. April 2018

07.04.2018

Dr. Carsten Funke

Inhalt

1. Aktuelle Situation

2. CIE JTC 7

3. Vergleich von UGR-Modifikationen

4. Effektive Fläche vs. Effektive Leuchtdichte

5. Fazit

6. Ausblick

07.04.2018 Seite 2

Exkurs ☺

Dr. Carsten Funke 07.04.2018 Seite 3


LED-Leuchten zunehmend verbreitet in Innenräumen:

➢ mehr Möglichkeiten im Lichtdesign

➢ neue Anforderungen hinsichtlich Lichtqualität

Abbildungen: Philips, Zumtobel



• Unified Glare Rating (UGR) internationaler

Standard zur Bewertung der (psychologischen)

Blendung in Innenräumen

𝑈𝐺𝑅 = 8 ∙ 𝑙𝑔0,25

𝐿𝑏∙

𝑖=1

𝑛𝐿𝑠

2 ∙ 𝛺𝑠

𝑃2

• Blendungsbewertung mit UGR

nicht geeignet für LED-Leuchten

• Bestimmung der effektiven leuchtenden

Fläche schwierigAbbildungen: Zumtobel


1. Aktuelle SituationHäufige Fragen

Abbildungen: CIE JTC 7

• Welche Teile der Leuchte können als

blendend angesehen werden?

• Ist die maximale oder mittlere Leuchtdichte

relevant für den Blendeindruck?

• Reduziert eine Aufhellung der unmittelbaren

Umgebung die psychologische Blendung?

• Hilft es, die LEDs in einer Leuchte zu

konzentrieren oder auseinanderzuziehen?

Dr. Carsten Funke

1. Aktuelle SituationTypische sichtbare Eigenschaften von inhomogenen LED-Leuchten

07.04.2018 Seite 6

Abstand zwischen

den LEDs

Größe der LEDs

Lmax

LUmgebung

Farbe der LED

Leuchtdichtegradient

zwischen LEDs und

Umgebung

Größe / Form

der Leuchte

Ko

ntr

ast

@ Position im visuellen Feld, Abstand

zur Blendquelle, Lb, Aufgabe, …

Anzahl /

Anordnung

der LEDs

Dr. Carsten Funke

1. Aktuelle SituationRelevante Parameter auf die Blendung aus aktueller Forschung

07.04.2018 Seite 7

Abstand zwischen

den LEDs

Anzahl /

Anordnung

der LEDs

Größe der LEDs

Lmax

LUmgebung

Farbe der LED

Leuchtdichtegradient

zwischen LEDs und

Umgebung

Größe / Form

der Leuchte

Ko

ntr

as

t

@ Position im visuellen Feld, Abstand

zur Blendquelle, Lb, Aufgabe, …


1. Aktuelle SituationAntworten auf häufige Fragen

Welche Teile der Leuchte können als blendend angesehen werden?

➢ generell alle Bereiche mit Leuchtdichten größer als 500 cd/m²

Ist die maximale oder mittlere Leuchtdichte relevant für den Blendeindruck?

➢ mittlere Leuchtdichte ist relevant für modifiziertes UGR

➢ hohe Leuchtdichten gehen auch in die Berechnung mit ein und

sollten vor direkten Blick abgeschirmt werden

Reduziert eine Aufhellung der unmittelbaren Umgebung die psychologische

Blendung?

➢ nein – im Gegenteil: über 500 cd/m² nimmt die Blendung sogar zu

Hilft es, die LEDs in einer Leuchte zu konzentrieren oder auseinanderzuziehen?

➢ generell: nein


2. CIE JTC 7Kurzportrait

CIE JTC 7„Discomfort caused by glare from

luminaires with a non-uniform source

luminance“

Gemeinschafts-TC

D3 Innenbeleuchtung

D1 Sicht und Farbe

Start: Februar 2015

(vor.) Ende: Dezember 2018

letztes Treffen: Oktober 2017

Ziel:

Literaturrecherche zur Identifizierung relevanter,

zusätzlicher Parameter für UGR

UGR- Korrektur für inhomogene LED-Leuchten

nicht enthalten:

Neue Blendungsmodelle,

Einfluss des Spektrums,

Position im Blickfeld


2. CIE JTC 7Mitglieder

Chair: Naoya Hara JP

Co-Chair: Yukio Akashi JP

Secretary: Gilles Vissenberg NL

Members:

Kevin Poulton AU

Gertjan Scheir BE

Ronnier Luo, Yang Yang, CN

Christoph Schierz, Carsten Funke, Tobias Porsch DE

Martine Knoop, Günther Hasna DE

Sophie Jost, Céline Villa, Matthieu Iodice FR

Mukai Kenji, Etsuko Mochizuki, Yoshiki Nakamura, Hirokuni Higashi JP

Urszula Blaszcak PL

Nuanwan Tuaychareon TH

Yi-Chun Chen, Chien-Yue Chen, Kuei-Neng Wu, Shau-Wei Hsu TW

Naomi Miller, Yulia Tyukhova USA


3. Vergleich von UGR-ModifikationenZwei Bewertungsansätze

Effektive Fläche Effektive Leuchtdichte

Leff=Ls,mean (1+ σ /Ls,mean)0.68

Leuchtdichtebild

aufnehmen

Weichzeichnen des

Bilds anhand der

Auflösung des

Auges

Berechnen der Fläche

und der mittleren

Leuchtdichte anhand

der hellen Flächen

(L>Lthreshold)

Leuchtdichtebild

aufnehmen

- mittlere Leuchtdichte Ls,mean

- geometrisches Mittel Ls,geomean

- Standardabweichung σ

Berechnen der effektiven Leuchtdiche:

KU Leuven (Belgien)

TU Ilmenau (Deutschland)

Kansai University (Japan)

Zhejiang University (China)


3. Vergleich von UGR-ModifikationenDefinition der leuchtenden Fläche mit Leuchtdichteschwelle (TU Ilmenau)

• Idee: nur die wirklich störenden Teile der

Leuchte werden berücksichtigt

• Hypothese: durch 𝑼𝑮𝑹~𝐥𝐠(𝑳𝒔𝟐 ∗ 𝜴𝒔) resultiert

bei „geschickter“ Wahl der Fläche der

empfindungsgemäße UGR-Wert

➢ Leuchtdichteschwelle zur Ermittlung der

leuchtenden Fläche:

• feste Schwelle = 500 cd/m² (CIE 117)

• adaptive Schwelle (z. B. WOLF 2004)

Fotos: Ingo Herzog

Dr. Carsten Funke

3. Vergleich von UGR-ModifikationenDefinition der leuchtenden Fläche im JTC7 (TU Ilmenau / KU Leuven)

07.04.2018 Seite 13

Start:

Hochauflösendes

Leuchtdichtebild

(aus Probandensicht)

Filterung mit Sehschärfe

(12 mm/px an der Leuchte

– Worst Case bei

typischen Raumhöhen)

Entfernen der Pixel

unterhalb der

Leuchtdichteschwelle

(500 cd/m2)

Berechnen der gesamten

leuchtenden Fläche und der

mittleren Leuchtdichte der

Blendquelle

Gruppierung aller

Einzelblendquellen

innerhalb der

Blendquelle

Aeff

Ls,eff


Exkurs: Setup TU Ilmenau

Foto: Christoph Hupe



Eyetracker

15°

Hintergrund-

leuchtdichte

42 cd/m²

bis

190 cd/m²

Blendquelle

2

45

15°

4,20 m

2,8

0 m

1

3

Ambient-

beleuchtung

7

8

Monitor

6

9



• Blendquellengröße: 60 cm x 60 cm

• Anzahl der LEDs: 1…121

• Anzahl Strukturen: 12

• Farbtemperatur (CCT): 4000 K

• Leuchtdichte der LEDs (Lh):

8∙102…8∙103…8∙104…4∙105 cd/m²

• Leuchtdichte der Umgebung (Ld):

102…103…104 cd/m²

je 71 Leuchtdichtekonfigurationen

pro Aufgabe

Lh Ld



Fotos: Stephan Meier



Foto:

Meier, Stephan: „Entwicklung und Inbetriebsetzung einer Steuerung für eine LED-Deckenleuchte“, 2014

Messauflösung beeinflusst erfasste Leuchtdichten und

ermittelten UGR-Wert

➢ Zwei LMK: Fisheye-Objektiv (Raum), 25mm-Objektiiv (Leuchte)

(1,45 Mpx)


Exkurs: Setup TU IlmenauDefinition der leuchtenden Fläche (TU Ilmenau)

Erforderliche Auflösung abhängig von Physiologie des Auges

➢ Reduzierung des Bildauflösung ( Visus)

➢ Berücksichtigung max. wahrgenommener Leuchtdichten

➢ Glättung des Bildes gemäß perzeptiver Felder

Berechnung der Leuchtdichteschwelle und UGR:

▪ Schwelle, Pi und Lb Raumbild +

geglättetes Leuchtenbild

▪ Ls,i und Ωs,i geglättetes Leuchtenbild


Exkurs: Setup TU IlmenauAdaptives Verfahren nach WOLF


Exkurs: Setup TU IlmenauDefinition der leuchtenden Fläche (TU Ilmenau) nach Konsolidierung

Erforderliche Auflösung abhängig von Physiologie des Auges

➢ Reduzierung des Bildauflösung ( Visus)

➢ Berücksichtigung max. wahrgenommener Leuchtdichten

➢ Glättung des Bildes gemäß perzeptiver Felder

Berechnung der Leuchtdichteschwelle und UGR:

▪ Schwelle, Pi und Lb Raumbild +

geglättetes Leuchtenbild

▪ Ls,i und Ωs,i geglättetes Leuchtenbild

Dr. Carsten Funke

3. Vergleich von UGR-ModifikationenDefinition der leuchtenden Fläche im JTC7 (TU Ilmenau / KU Leuven)

07.04.2018 Seite 22

Start:

Hochauflösendes

Leuchtdichtebild

(aus Probandensicht)

Entfernen der Pixel

unterhalb der


(500 cd/m2)

Berechnen der gesamten

leuchtenden Fläche und der

mittleren Leuchtdichte der

Blendquelle

Gruppierung aller

Einzelblendquellen

innerhalb der

Blendquelle

Aeff

Ls,eff

Filterung mit Sehschärfe

(12 mm/px an der Leuchte

– Worst Case bei

typischen Raumhöhen)


3. Vergleich von UGR-ModifikationenEffektive Leuchtdichte (Kansai University und Zhejiang University)

• Idee: Korrektur der mittleren Leuchtdichte mit empirischem Modell

• Hypothese: k = f(Gleichmäßigkeit innerhalb Leuchte)

• Ls,eq = k ∙ Ls,mean

𝑈𝐺𝑅 = 8 ∙ 𝑙𝑔0,25

𝐿𝑏∙

𝑖=1

𝑛(𝒌 ∗ 𝐿𝑠 )² ∙ 𝛺𝑠

𝑃2

Kansai University: 𝑘 = −4.537 − 6.26 ∙ 𝑙𝑔𝐿𝑠,𝑔𝑒𝑜𝑚𝑒𝑎𝑛

𝐿𝑠,𝑚𝑒𝑎𝑛

Zhejiang Univeristy: 𝒌 = 𝟏 +𝝈

𝑳𝒔,𝒎𝒆𝒂𝒏

𝟎,𝟔𝟖


3. Vergleich von UGR-ModifikationenVergleich der Modelle mit verschiedenen Probandendaten

Problem beim Quervergleich von Studien:

• verschiedene Ratingskalen

• versch. Probandenkollektive“DUGR” = 0

“DUGR” > 0

Lösung:

• Bestimmung der Differenz zu UGR

innerhalb der Studie

(= DUGR)

• Vergleich von homogenen und

inhomogenen Blendquellen

• Vergleich von DUGRModell und

DUGRsubjektiv



0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

1 10 100 1000 10000 100000

Sub

jekt

ives

Urt

eil

(bel

ieb

ige

Skal

a)

mittlere Leuchtdichte luminance (cd/m2)

homogene Blendquelle

inhomogene Blendquelle

“Leuchtdichteshift”k = Lhomogen / Linhomogen

𝑈𝐺𝑅𝑘𝑜𝑟𝑟 = 8 ∙ 𝑙𝑔0,25

𝐿𝑏∙

𝑖=1

𝑛(𝒌 ∗ 𝐿𝑠 )² ∙ 𝛺𝑠

𝑃2 DUGR = 8 ∙ lg k2

DUGR = UGRkorr – UGR1995



Vorteile von DUGR als Vergleichskriterium:

+ leichte Vergleichbarkeit verschiedener Studien zueinander

+ DUGR ist quasi unabhängig von der verwendeten Rating Skala

+ der Vergleich DUGRsubjektiv vs. DUGRModell ist sensibler als der

Vergleich UGRsubjektiv vs. UGRModell

+ DUGR kann man sich „relativ leicht“ vorstellen – es ist die Differenz

zum „normalen, gemessenen UGR-Wert“

DUGR = UGRkorr – UGR1995 UGRkorr = UGR1995 + DUGR


4. Effektive Fläche vs. Effektive LeuchtdichteDaten der Technischen Universität Ilmenau, Deutschland


4. Effektive Fläche vs. Effektive LeuchtdichteDaten der Kansai University and Utsonomiya University, Japan

T. Tashiro, S. Kawanobe, T. Kimura-Minoda, S.

Kohko, T. Ishikawa and M. Ayama, Lighting Res.

Technol. 2015; 47, p. 316-337

HARA, N., HASEGAWA, S. (2012) Journal of

Illuminating Engineering Institute Japan 96 (2), p.

81–88.


4. Effektive Fläche vs. Effektive LeuchtdichteDaten der Zhejiang University, China

Y Yang, M Ronnier Luo, S-N Ma and X-Y Liu, Lighting Res. Technol. 2015; 49: 195-210

Y Yang, M Ronnier Luo and SN Ma, Lighting Res. Technol. 2016; 49: 727-742


4. Effektive Fläche vs. Effektive LeuchtdichteZusammenfassung aus den Quervergleichen

Daten

Kansai

Daten

Utsonomiya

Daten

Zhejiang

Daten

TU Ilmenau

Effektive Fläche

Effektive Leuchtdichte

(Kansai)

Effektive Leuchtdichte

(Zhejiang)

➢ Die Modelle mit effektiver Leuchtdichte versagen bei anderen Datensätzen.

➢ Das Modell mit effektiver leuchtender Fläche funktioniert bei allen

Datensätzen ohne weitere Anpassung recht gut.


5. ZusammenfassungVorschlag zur Verbesserung von UGR seitens CIE JTC 7

4 hochauflösende

Leuchtdichtebilder

(50° und 65°zur

Normalen, jeweils

längs und quer)

Gaußfilterung

mit 12mm/px

Halbwertsbreite

Entfernen der Pixel

unterhalb der


(aktuell: 500 cd/m2)

Gruppierung aller

Einzelblendquellen

innerhalb der Blendquelle

und Berechnung As,eff / Ls,eff

Aeff

Ls,eff

𝐴𝑝 =𝐼2

𝐿𝑒𝑓𝑓2 𝐴𝑒𝑓𝑓

Definition der

leuchtenden Fläche:

Achtung: Ap is nicht zwingend gleich Aeff! (nur wenn die dunklen Bereiche

<500cd/m2 einen vernachlässigbaren Anteil an der Lichtstärke haben, ist Aeff = Ap)

Der kleinste der 4 resultierenden

Flächen wird als Ergebnis gewählt.

(Worst Case Ansatz)


5. ZusammenfassungVorteile des CIE JTC 7 Vorschlags

Vorteile:

+ UGR kann wie bisher weiter verwendet werden

+ stabile Leuchtdichteschwelle bei 500 cd/m²

+ klare Anforderungen an Messmittelfähigkeit (<12mm/px Auflösung)

+ neues UGR hat keinen Einfluss auf DIALux, etc.

+ Tabellenverfahren kann ebenfalls bestehen bleiben

+ sehr gut geeignet zur Messung von Rauminstallationen

(geeignete Kamera-Auflösung vorausgesetzt)

DUGR > 0 DUGR = 0


6. Ausblick

➢ Abschluss des Technischen Reports bis Ende 2018

➢ Bis dahin ggf. weitere Anpassung von Verfahrensparametern, z.B.

➢ Anzahl und Position Messwinkel

➢ Gewichtung der Messwinkel (Worst-Case / Mittelung, etc.)

➢ Anschließend Nachfolge-TC(s) mit

weiterführenden Inhalten:

➢ Neue, Physiologie-basierte

Blendungsmodelle

➢ Einfluss des Spektrums /

der Farbe

➢ Position im Blickfeld

(peripher vs. foveal)


Vielen Dank!

Naoya Hara

Yukio Akashi

Yang Yang

Ronnier Luo

Gilles Vissenberg

Gertjan Scheir

Leonie Geerdinck

Christoph Schierz

Tobias Porsch

Peter Dehoff

Martine Knoop


BackupHerleitung 12mm/px Raster anhand Auflösung

α Winkel aus Beobachtersicht

β erkennbare Objektgröße

r Abstand zur Leuchte

H Raumhöhe über Beobachter

d minimal erkennbares Objekt

𝛽 ≈ 0,01 ∙ (1 + 𝛼) 𝑑 = 𝑟 ∙ tan 𝛽 =𝐻 ∙ tan 𝛽

sin 𝛼

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