Lichtverteilung durch Transmission

Gerichtet lichtdurchlässige Werkstoffe (wie Glas und Kunststoffe, siehe Abbildung a) werden z.B. bei Prismenabdeckungen zur Lichtlenkung eingesetzt, wobei die Brechung (Refraktion) und die Totalreflexion des Lichtes in den Prismen genutzt werden. Dringt ein Lichtstrahl aus einem optisch dünnen Medium (z.B. Luft) in ein optisch dichteres Medium (z.B. hochtransparenter Kunststoff, wie Polymethylmethacrylat PMMA) ein, so ändert er seine Richtung in Abhängigkeit vom Einfallswinkel und dem Brechungsindex des Kunststoffs. Damit wird eine Lichtlenkung erreicht, die die Lichtstärkeverteilung der Leuchte beeinflusst.

Transparente Materialien zeichnen sich durch hohe Transmissionsgrade aus.

Licht streuende Materialien enthalten Pigmentstoffe, an denen der Lichtstrahl beim Durchgang durch das Material gestreut und aufgeweitet wird. Dabei kommt es sowohl zur diffusen Transmission wie auch zur diffusen Reflexion (Rückstreuung) eines Teils des Lichtstromes (siehe Abbildung b). Der gestreut transmittierte Anteil des Lichtstromes erzeugt einen homogenen Helligkeitseindruck der Leuchte. Der zurück gestreute Anteil des Lichtstroms wird im Inneren der Leuchte erneut reflektiert und transmittiert wiederum teilweise. Auf Grund der Mehrfachreflexion erhöhen sich die Verluste gegenüber einer vollständigen Transmission durch transparentes Material. Opale Kunststoffe sind Beispiele für durch Pigmentzugabe streuende Materialien.

Transluzente Materialien (siehe Abbildung c) haben gegenüber (vollkommen) lichtstreuenden, wie z.B. opalen Kunststoffen, höhere Transmissionsgrade. Anzahl und Art der im Material eingelagerten kugelförmigen Additive sind hinsichtlich ausreichender Diffusität der Transmission und des gewünschten höheren Transmissionsgrades optimiert.

Leuchtenabdeckungen - egal ob als sogenannte Wannen, als Abdeckscheiben oder als optische Linsen - erlauben verlängerte Wartungsintervalle durch Staubschutz und gegebenenfalls Feuchtigkeitsschutz. Darüber hinaus bieten sie mechanischen Schutz für die Leuchtmittel und zusätzlich lichttechnische Eigenschaften: Mit optischen Linsen in Verbindung mit LED-Lichtquellen lassen sich sehr präzise Lichtverteilungen bei gleichzeitig sehr geringen Streuverlusten erzielen. Aber auch prismatische Abdeckungen (siehe Abbildung b) erzielen in Verbindung mit Spiegeloptiken hohe Wirkungsgrade bei sehr guter Blendungsbegrenzung. Opale Leuchtenabdeckungen (siehe Abbildung a). ergeben gleichmäßig ausgeleuchtete Beleuchtungskörper, die aus ästhetischen Gründen als „Klassiker“ eine gewisse Renaissance erleben. Sie weisen jedoch relativ geringe Transmissionsgrade, oft kleiner als 50%, auf. Streuend wirkende Leuchtenabdeckungen werden daher heute meistens aus transluzentem Material gefertigt (siehe Abbildung c). Dies führt auf Grund des höheren Transmissionsgrades und geringer Rückstreuung zu hohen Wirkungsgraden und damit erheblich verbesserter Wirtschaftlichkeit bei ebenfalls sehr homogenem Erscheinungsbild.

Lichttechnische Abdeckungen gewinnen mit der Ablösung der Leuchtstofflampen durch LED-Lichtquellen gegenüber Reflektoren erheblich an Bedeutung.

Als Materialien kommen überwiegend Polymethylmethacrylat (PMMA) oder Polycarbonat (PC) zur Anwendung. Durch unzulässige Beanspruchungen und Einflüsse schädigender Substanzen kann die Beständigkeit von Polymethylmethacrylat oder Polycarbonat herabgesetzt werden. Dies sind z.B. Weichmacher, die aus nicht wärmebeständiger Leitungsisolierung unter Wärmeeinwirkung austreten und zu Rissbildung oder Festigkeitsminderung führen können. In Leuchten mit Kunststoffabdeckung sollten daher nur wärmebeständige Innenverdrahtungen und Durchgangsverdrahtungen angewendet werden. Die Verträglichkeit mit anderen Chemikalien geht aus Tabelle im Kapitel „Chemische und sonstige Einflüsse” hervor.

Polymethylmethacrylat (PMMA) ist ein langjährig bewährtes lichttechnisches Ausgangsmaterial. Es ist ein sehr gut verarbeitbares Thermoplast, das sich in ganz unterschiedlichen Prozessen, wie z.B. dem Tiefziehen, der Strangextrusion oder dem Spritzguss, formen lässt. Für alle diese Verfahren ist es in transparenter, transluzenter und opaler Form verfügbar. Im gesamten sichtbaren Spektrum besitzt PMMA ein ausgezeichnetes Transmissionsverhalten. Spezielle PMMA-Ausführungen zeichnen sich zusätzlich durch eine verbesserte Schlagzähigkeit aus. In dieser Ausführung sind sie prädestiniert z.B. für Außenleuchten-Abdeckungen, bei denen eine erhöhte Stabilität gegenüber mechanischen Beanspruchungen gefordert ist. PMMA ist praktisch dauerhaft vergilbungsfrei. Daher kommt es auch bei langjährigem Betrieb unter Sonneneinstrahlung nicht zur Vergilbung und Versprödung.

Polycarbonate (PC) sind, ähnlich wie das PMMA, sehr gut verarbeitbare Thermoplaste. Durch Variation ihres chemischen Aufbaus lassen sich ihre optischen Eigenschaften, wie z. B. der Brechungsindex, und weitere physikalische Parameter weit variieren. Gegenüber PMMA weist es einen leicht verringerten Transmissionsgrad auf. Es wird überwiegend in transparenter aber auch in opaler Ausführung eingesetzt, steht in transluzenter Form dagegen nicht zur Verfügung. Es wird in hohem Maße im Spritzgussverfahren verarbeitet, um präzise optische Linsensysteme herzustellen. Darüber hinaus zeichnet es sich durch eine herausragende Schlagzähigkeit aus. Polycarbonat eignet sich daher auch für Lampenschutzrohre oder Leuchtenabdeckungen, die in der Innenraumbeleuchtung erhöhten mechanischen Beanspruchungen oder im Außenraum dem Risiko mutwilliger Zerstörung durch Vandalismus ausgesetzt sind. Im Langzeiteinsatz unter intensiver UV-Bestrahlung, z. B. bei direkter Sonneneinstrahlung, kann Polycarbonat vergilben. Die Vergilbung wird begleitet von einem Nachlassen der Schlagzähigkeit.

Silikatglas wird wegen des Gewichts und der geringen Schlagfestigkeit (ausgenommen gehärtete Gläser) nur in Sonderfällen verwendet. Dazu gehören z.B. dekorative Ankleidungen von Downlights, die häufig aus dem in einem besonderen Herstellungsverfahren erzeugten sog. Floatglas gefertigt sind, oder besondere optisch wirkende Abdeckungen wie Fresnel-Gläser.

Folien, z.B. aus Polycarbonat, finden in Leuchten gelegentlich Verwendung. Sie werden als lichtstreuende Materialien für großflächige Leuchten bzw. Lichtdecken eingesetzt. Folien mit mikrostrukturierter Oberfläche ermöglichen besondere Lichtstärkeverteilungen in der Beleuchtungstechnik.

Die lichttechnischen Eigenschaften von Leuchtenabdeckungen werden - neben dem Streuverhalten des Ausgangsmaterials, wie oben beschrieben - wesentlich von ihrer Form bestimmt.

• Klassische Prismen-Abdeckungen bewirken mit den innen- und außenliegenden Prismen durch Brechung und Totalreflexion eine bevorzugte Lenkung des Lichtstromes auf die Nutzebene und reduzieren die Leuchtdichte für die Blendungsbegrenzung im Blickwinkelbereich. Sie sind entweder aus einem Stück im Spritzgussverfahren, im Blasverfahren oder im Extrusionsverfahren gefertigt. Das Spritzgussverfahren zeigt dabei die höchste Präzision und damit die Möglichkeit sehr gezielter Lichtlenkung (siehe Abbildung a).

• Konische Feinprismen (CDP-Conical Declaring Prism) ermöglichen ebenfalls eine präzise Lichtlenkung. Diese werden einseitig auf eine Abdeckscheibe aufgeprägt. Auch hier gibt es weite qualitative Unterschiede. Mit hochwertigem PMMA-Material und speziellen Prägeverfahren können lichttechnische Scheiben erzielt werden, die als Abdeckungen für direkt strahlende Leuchten mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt werden und gleichzeitig die Leuchtdichte für Ausstrahlungswinkel > 60° auf bildschirmgerechte 1.500 cd/m²begrenzen (siehe Abbildung b).

• Fein strukturierte Lichtleiterplatten-Systeme (wie z. B. das „Binary Light Guide System”, BLGS) sind optische Systeme aus übereinander angeordneten, strukturiert geprägten Platten lichttechnischer Kunststoffe. Innerhalb der Platten führt Totalreflexion zur Ausbreitung des Lichtes, während die Oberflächenstruktur mittels Brechung und Streuung des Lichtes zu dessen Auskopplung führt. In den späten 1990er und den 2000er Jahren sind erste Entwicklungen in diese Richtung in Verbindung mit der querschnittsverringerten T5-Leuchtstofflampe erschienen. Das Licht moderner LED-Lichtquellen lässt sich dem gegenüber noch sehr viel effizienter einkoppeln, so dass diese Technik heute weit bessere technische und gestalterische Möglichkeiten eröffnet. Mit gezielter Strukturierung der Prägung der Oberflächen kann die Lichtauskopplung eine sehr präzise direkt-indirekte Lichtstärkeverteilung erzeugen. Z. B. kann der Indirektanteil für eine erhöhte Lichtqualität bei geringen Deckenabständen besonders breit strahlend, der Direktanteil andererseits bildschirmgerecht gemäß EN 12464-1 ausgekoppelt werden (siehe Abbildung c).

• Abdeckungen aus lichttechnischen Kunststoffen mit integrierten Linsensystemen eignen sich besonders für den Einsatz in Kombination mit LED-Lichtquellen. Die äußerst effiziente Lichtlenkung erfolgt durch Brechung und Totalreflexion. Mit dem Entwurf solcher Systeme lassen sich gezielt exakte Lichtstromverteilungen entwickeln, die anwendungsspezifisch optimiert werden können. Häufig werden solche Optiken bei mittleren und größeren Lichtpunkthöhen, wie z. B. in Supermärkten, Werkstätten, Fertigungs- oder Lagerhallen eingesetzt (siehe Abbildung d).