Geschichte der Bildverarbeitungssysteme: Beleuchtung

Von Bogenlampen zu Glühlampen

Die Menschen waren überwältigt von Kohlebogenlampen, einer frühen Form der elektrischen Lampe, die Licht “so hell wie das Tageslicht” spendeten. Dann erfand Thomas Edison die Glühlampe (Kohlelampe, die gelbes Licht abstrahlt), gefolgt von der kleineren und helleren Wolframlampe (die weißes Licht abstrahlt).

Später verwendete Edison japanischen Bambus für Kohlelampen, während Metallfäden mit hohen Schmelzpunkten für Wolframlampen verwendet wurden.

Der Wolframlampe folgten Verbesserungen durch die beiden Japaner Junichi Miura und Kitsuzi Fuwa. Miura erfand eine Wendel mit spiralförmigem Faden. Fuwa gelang die Mattierung von Glaskolben, die ein gestreutes und weiches Licht bewirkte (Innenmattierung). Die sich daraus ergebende hohe Lichtausbeute und die hohe Qualität beschleunigten den Anstieg der Nachfrage nach elektrischen Lampen.

Entwicklung der elektrischen Lampen: Bogenlicht, Kohlelampe, Wolframlampe

Die erste praxistaugliche Glühlampe mit einem Kohlefaden aus verbranntem (karbonisiertem) Material wie Bambus oder ein Baumwollfaden.

Ein als “Wolfram” bezeichnetes Metall wird für den Faden verwendet, das wesentlich höheren Temperaturen standhält und die Helligkeit weiter verbessert.

Doppelwendeln sorgten für größere Helligkeit und verlängerten die Lebensdauer der Glühlampe.

Die Innenseite des Glaskolbens wird mattiert, um das blendende Licht zu dämpfen.

Ära der Lumineszenz (Fluoreszenz)

Ihre vorherrschende Stellung auf dem Leuchtmittelmarkt büßte die Glühlampe an die Leuchtstoffröhre ein. Nach ihrer Entwicklung im Jahre 1938 durch einen amerikanischen Ingenieur namens George E. Inman nahm die Akzeptanz der Leuchtstoffröhre zu. Damals folgten die Leuchtstoffröhren dem Funktionsprinzip, dass das durch elektrische Entladung zwischen zwei Elektroden in Quecksilberdampf erzeugte (unsichtbare) ultraviolette Licht durch das fluoreszierende Material auf der Innenseite der Glasröhre in sichtbares Licht umgewandelt wurde. Später wurde das Quecksilber zwar durch Metalle mit hoher Lichtausbeute ersetzt, doch hat sich am Grundprinzip der Lichtemission nichts geändert.

“Energiesparende, weiße und helle” Leuchtstoffröhren fanden in den 1960ern rapide Verbreitung. Der Grund hierfür war der geringe Energieverlust durch Wärmeerzeugung sowie die Tatsache, dass sie bei gleicher Anschlussleistung eine drei bis fünf Mal höhere Leistung abgeben als Glühlampen. Während Öllampen, Gaslampen und Glühlampen Licht mittels Wärmeerzeugung (Strahlungswärme) abstrahlen, nutzen Leuchtstoffröhren die durch elektrische Entladung erzeugte Lumineszenz. Dies war der Anfang der Ära der Lumineszenz.

Der Wechsel von “Quantität” zu “Qualität”

Nachdem die Leuchtstoffröhren den Bedarf an “Quantität” auf dem Beleuchtungsmarkt abgedeckt hatten, wurde das Augenmerk auf die “Qualität” gerichtet. Neben geraden und runden Röhren wurden andere Lampen entwickelt, wie etwa eine, die Licht in drei Wellenlängen emittiert. Diese Lampe zeichnete sich sowohl durch hohe Lichtausbeute als auch durch hohe Farbwiedergabe aus, hatte aber eine kompakte Glühlampenform und eine geringe Leistungsaufnahme.

Hochwertige Leuchtmittel sind auch in anderen Bereichen, die nicht mit Leuchtstofflampen befasst sind, ein Entwicklungsziel. HID-Lampen (Hochdruckentladungslampen) können Dutzende Male helleres Licht abgeben als Leuchtstofflampen und werden häufig zur Außenbeleuchtung verwendet, wie etwa zur Beleuchtung von Straßen, Gebäuden und Stadien. Außerdem wurden im Bereich der Glühlampen langlebige Halogen- und Kryptonlampen mit hohem Wirkungsgrad entwickelt. Von Glühlampen heißt es, ihr künstliches Licht habe die größte Ähnlichkeit mit Sonnenlicht. Ihr warmes Licht regt den Appetit an und schafft eine entspannende Atmosphäre.

Lichtquellen in unterschiedlichen Formen

Das Aufkommen von LEDs

LEDs (lichtemittierende Dioden) sind das Beleuchtungssystem der nächsten Generation mit besserem Energiespareffekt als Glühlampen und Leuchtstofflampen. LEDs bestehen aus zwei Arten von Halbleitern, P (positiv) und N (negativ), und sind so konstruiert, dass sie Licht abgeben, wenn Strom durch sie fließt. Rote und grüne LEDs sind seit den 1960ern in Gebrauch, besonders lichtstarke blaue LEDs erschienen 1993 auf dem Markt. Die Entwicklung der weißen LED folgte im Jahr 1996, woraus sich vielfältige Einsatzzwecke ergaben.

LEDs werden im Wesentlichen in die Schalen- und die Chipausführung unterteilt. Die Schalenausführung strahlt das Licht geradlinig ab (hell bei Betrachtung von vorn), während die Chipausführung das Licht horizontal streut. Erstere wird häufig für Verkehrsampeln verwendet, die andere für die Hintergrundbeleuchtung von Mobiltelefon-LCDs. Darüber hinaus gibt es noch eine flache Ausführung mit gut abgestimmter geradliniger und gestreuter Abstrahlung. LEDs haben verschiedene Vorteile, wie etwa die geringe Leistungsaufnahme, die lange Lebensdauer (ca. 40.000 Stunden), die niedrige CO2-Emission sowie lichtemittierende Elemente in der Größe von Reiskörnern. Aufgrund dieser Vorteile eignen sich LEDs zudem zur Verringerung der Abmessungen und des Gewichts von Produkten. Darüber hinaus sind LEDs wegen ihrer geringen Abgabe von ultraviolettem und von Infrarotlicht umweltfreundlich. LEDs werden wegen ihrer hohen Stoßfestigkeit und Haltbarkeit für die Innenbeleuchtung von H-2 Transfer Vehicles (Versorgungsschiffe für die Raumstation) eingesetzt.

Künftige Form der Beleuchtung: LED, Elektrolumineszenz und natürliches Licht

Bei der künftigen Entwicklung der Beleuchtung werden nicht nur LEDs, sondern auch organische EL (Elektrolumineszenz) eine Rolle spielen. Bei EL handelt es sich um eine Lichtquelle in Folienform, die im Gegensatz zu den punktförmigen LEDs eine flächenförmige Beleuchtung bietet.

Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihres Biegeverhaltens wurde ihr Einsatz auf Bereiche wie elektronisches Papier und Displays ausgeweitet. Für die Zukunft wird auch mit der Entwicklung von lichtemittierenden Wänden und Decken gerechnet.

Fortschritte sind auch bei den Sonnenlichtsystemen zu verzeichnen, für die der Ursprung der Beleuchtung, das natürliche Licht, effektiv genutzt wird. Natürliche Beleuchtung gilt als die ultimative saubere Energie zur Schaffung eines gemütlichen beleuchteten Raums. Zunehmendes Augenmerk wird auch auf die Synergie zwischen hoch entwickelten "Photonik-Technologien" wie LEDs, organische EL und Laserstrahlen gerichtet.