Licht und Lichtschutz im Museum

• Einführung: Licht und das menschliche Auge
• Lichtschäden
• Lichtquellen

1. Glühlampen, Halogenlampen
2. Leuchtstofflampen, Kompaktleuchtstofflampen
3. Entladungslampen, LEDs, Schwefellampen, Elektrolumineszenz

• Beleuchtung im Museum
• Lichtschutz
• Lichtmessung
• Reflexion und Entspiegelung
• Lichttechnische Begriffe und Einheiten
• Bibliographie und Links

Entladungslampen

	Entladungslampen beruhen wie Leuchtstofflampen auf einer Gasentladung. Bei Leuchtstofflampen wird das sichtbare Licht im Wesentlichen erst von der Leuchtstoffschicht erzeugt.   Bei Entladungslampen dagegen entsteht das sichtbare Licht sofort bei der Gasentladung. Man unterscheidet Metalldampflampen und Gasentladungslampen. Alle Lampen benötigen eine bestimmte Anlaufzeit von einigen Minuten, bis der richtige Dampfdruck aufgebaut ist und die Lampe ihre volle Leistung entwickelt. Da die Zündspannung über der Betriebsspannung liegt, ist stets ein Zündgerät erforderlich. Entladungslampen sind mit Stiftsockeln oder Schraubsockeln erhältlich, auch in Form kleiner Reflektorlampen, die z.B. in faseroptischen Systemen eingesetzt werden können. Da die Lichtquelle sehr punktförmig ist, lässt sich das Licht von Entladungslampen sehr gut bündeln.  Die Lampen sind z.T. nur für spezielle Brennstellungen zugelassen, z.B. horizontal oder vertikal, mit bestimmten Toleranzen.
Philips HID Mastercolour CDM,
Philips MastercolourTP, aus: www.philips.de

Die Metalldampflampen enthalten im Unterschied zu Leuchtstofflampen Quecksilberdampf unter hohem Druck sowie kleine Mengen von Halogenverbindungen, um die Farbbalance zu verbessern. Zwischen den beiden dicht beieinander stehenden Elektroden entsteht ein dichter Stromfluss (Bogenentladung) durch das Gas und die Elektronen stoßen heftig auf die Gasatome. Bei den Kollisionen erhalten die Quecksilber- und anderen Atome viel Energie, die sie in Form von Licht und Wärme wieder abgeben.

Entladungslampen gehören zu den energieeffizientesten Lampen, denn sie haben wenig Möglichkeit, Energie in Form von Wärme abzugeben. Bei Leuchtstofflampen sendet das Quecksilber hauptsächlich UV-Strahlen aus, die von den Leuchtstoffen in energieärmeres Licht umgewandelt werden. Der Differenzbetrag an Energie wird in Form von Wärme frei. Beim Start von Entladungslampen, wenn der Quecksilberdruck noch gering ist, wird ebenfalls hauptsächlich UV-Strahlung erzeugt (welche vom Glaskolben absorbiert wird). Je höher Temperatur und Druck in der Lampe ansteigen, desto weißer wird das Licht. Die anfangs gebildete UV-Strahlung trifft dann sehr häufig auf bereits angeregte Quecksilberatome und befördert diese auf noch höhere Energieniveaus. Die UV-Strahlung kann somit kaum aus dem Gaswolke entkommen, denn sobald ein Atom ein 254 nm-Photon abgibt, wird diese Energie vom Nachbaratom absorbiert (radiation trapping). Diese höheren Energieniveaus bauen sich dann durch Abgabe sichtbaren Lichts ab. Durch die häufigen Kollisionen zwischen angeregten Quecksilberatomen wird außerdem Licht auch in Wellenlängen frei, die ohne Kollisionen unmöglich wären. Quecksilber allein würde bläulich-weißes Licht erzeugen, die Metall-Halide in der Lampe tragen Rottöne und andere Farbnuancen bei und machen das Licht wärmer und tageslichtähnlicher (vgl. Bloomfield).

Alle Entladungslampen brauchen zur Strombegrenzung und Zündung spezielle Betriebsgeräte. Metalldampflampen benötigen nach der Zündung eine gewisse Anlaufzeit (typ. 2 -3 Minuten), um auf die volle Lichtleistung zu kommen. So lange brauchen nämlich die Füllsubstanzen, um vollständig zu verdampfen (Osram-Katalog). Entladungslampen starten nur in kaltem Zustand zuverlässig, eine Wiederzündung ist erst nach 2 - 15 Minuten möglich, oder aber es müssen spezielle Zündgeräte verwendet werden. 

Spektrum einer Entladungslampe (Radium HRI-...NSc mit sehr guter Lichtausbeute jedoch mäßiger Farbwiedergabe (2b))  aus: www.radium.de

Von den Entladungslampen besitzen lediglich einige Halogen-Metalldampflampen eine akzeptable Farbwiedergabe und kommen für Museen in Frage. Hierbei sind dem Quecksilber im Brennraum verschiedene Metallhalogenide seltener Erden beigemischt, welche die Farbwiedergabe positiv beeinflussen (Ris 1992). Nur wenige, wie Radium RCI-TS... NDL oder Osram Powerstar HQI tageslichtweiß, erreichen die Farbwiedergabestufe 1A (Lichtausbeute: 70 - >100 lm/W). Die Lichttemperatur der Metalldampflampen nimmt bei jeder Betriebsstunde und bei jedem Einschalten  etwas ab, sodass in der Praxis nicht unbedingt die gesamte Lebensdauer nutzbar ist. Bei neueren Typen mit Keramikbrenner (z.B. Osram Powerstar HCI, Farbwiedergabestufe 1B) sowie bei Natrium-Xenonlampen (Farbwiedergabestufe bis 1B) soll die Farbtemperatur weitgehend konstant bleiben (Osram). Alle Entladungslampen emittieren einen erheblichen Anteil UV-Licht und benötigen einen UV-Sperrfilter. Die meisten erfordern zudem eine bruchsichere Abdeckscheibe, für den Fall, dass eine Entladungslampe explodiert.  

Leuchten für Entladungslampen lassen sich nur mit Leuchtmitteln einer ganz bestimmten Wattzahl bestücken. Strahler für Entladungslampen sind daher weit weniger variabel als z.B. Strahler für Halogen-Reflektorlampen, bei denen verschiedene Wattzahlen und Abstrahlwinkel eingesetzt werden können und die sich oft zusätzlich dimmen lassen. 
Entladungslampen sind im Museum daher nur für ganz bestimmte feste Installationen und für die Glasfasertechnik von Interesse.

LEDs (Light Emitting Diodes)
 

LEDs  produzieren Licht auf ganz andere Weise: Auf einem Halbleiterchip sind eine p- und n-dotierte Zone angeordnet (Abb. rechts). Die p-Zone wird von positiven Ladungen, die n-Zone von negativen Ladungen dominiert. Die beiden Zonen sind durch eine Barriere getrennt, die erst ab einer gewissen Spannung Elektronen von der n- zur p-Zone fließen lässt. Ab dieser gewissen Spannung besitzen die Elektronen in der n-Zone genügend Energie, um die Barriere zu überwinden. In der p-Region angekommen, verbinden sich die Elektronen mit den positiven Ladungen. Hierbei wird Energie frei, die in Form von elektromagnetischer Strahlung abgegeben wird. Die Wellenlänge dieser Strahlung ist charakteristisch für das Halbleitermaterial (Gallium, Arsen, Phosphor, u.a.). Jedes Material kann nur Strahlung in einem engen Wellenlängenbereich abgeben. Verschiedenfarbige LEDs sind aus verschiedenen Materialien hergestellt (siehe: www.theledlight.com, www.elektroniktutor.de).  Lumineszenzdioden liefern schmalbandige nahezu monochromatische Strahlungen von IR- über den sichtbaren bis zum UV-Bereich. Trägt man die Wellenlängen der lichtstarken LEDs in die CIE-Normfarbtafel ein, so bleibt einzig der Gelbbereich offen. Es ist aber zu erkennen, dass durch eine geeignete RGB-Diodenkombination der Weißton erreicht werden kann (aus: www.elektroniktutor.de) Da praktisch keine Energie in Form von Wärme und UV-Strahlung abgegeben wird, sind LEDs weitaus effizienter als Glühlampen. Die Lichtausbeute ist in den letzten Jahren stark verbessert worden, bei sehr niedriger Temperatur ist sie im übrigen wesentlich höher als bei Normaltemperatur. Die Lebensdauer beträgt 100 000 h und mehr.

LED Funktionsweise einer LED aus: www.elektronik-work.de

Weiße LEDs

Weiße LEDs können auf zwei verschiedene Arten hergestellt werden:

Osram Multi-LED mit 3 Chips und 6 Kontakten zur individuellen Ansteuereung	RGB-Platine von VS-optoelectronic aus: www.led-info.de	Spektrum einer auf 2200 K eingestellten Multi-LED (rechts) im Vergleich zu einer Glühlampe derselben Lichttemperatur. Der Farbwiedergabewert liegt hier bei hervorragenden Ra 95. Von www.lumodan.dk

Einsatz von LEDs in Museen

LEDs werden inzwischen häufig zur Beleuchtung in Museen eingesetzt (z.B. im Salzburg Museum seit 2007, im Liebieghaus Frankfurt seit 2008) und es ist davon auszugehen, dass sich dieser Trend fortsetzen wird. Die Entwicklung im Bereich der LED-Technik vollzieht sich rasant, sodass die Zahl der verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten stetig steigt. Es handelt sich aber nach wie vor um eine neue Technologie, weshalb ein vorsichtiger und bedachter Umgang ratsam ist. Der Einsatz von LEDs zur Beleuchtung von Museumsobjekten sollte erst nach ausgiebiger Information erfolgen, da es bisher keinen offiziellen Standard gibt, nach dem man sich richten kann.

Der größte Vorteil von LEDs ist sicher in deren geringem Energieverbrauch zu sehen. In Bezug auf die Beleuchtung von Exponaten wurden in aktuellen Diskussionen jedoch z.T. schlechte Farbwiedergaben und ein erhöhtes Schädigungspotential für lichtempfindliche Objekte angemahnt (Kronkright 2010 und Druzik 2010). Weintraub 2010 hat daraufhin im Auftrag des American Institute for Conservation (AIC) einige Daten gesammelt und in einem informativen Beitrag veröffentlicht. Demnach gibt es durchaus weiße LEDs auf dem Markt, die sogar für die Beleuchtung lichtempfindlicher Objekte geeignet sind.
Im Rahmen eines Tests der Art Preservation Services (APS) wurden zwei Halogen-Lampen, jeweils einmal mit und einmal ohne UV-Filter sowie zwei LEDs auf ihr jeweiliges Schädigungspotential untersucht. Als Orientierung diente eine ungefilterte MR-16 Halogen-Lampe mit einem Schädigungspotential von 1. Im Ergebnis schnitten die beiden LEDs am besten ab: Die LED Ledtronics PAR 30 10w (3200 K) besitzt demnach ein Schädigungspotential von 0,86, das Produkt Cree MP-L (3500 K) weist ein Schädigungspotential von 0,93 auf.
Dieses Ergebnis überrascht nach Angaben des Autors nicht. So hat eine typische warm-weiße LED einen Peak in der Region von etwa 445-455 nm, aber nur sehr wenig Kraft im Bereich der kurzen Wellenlängen unter 440 nm. Dieser Bereich hat mehr Schädigungspotential und liefert weniger Lichtintensität als die Regionen über 440 nm. Daher würde man erwarten, dass eine warm-weiße LED gleich viel oder weniger Schädigungspotential besitzt wie eine Halogen-Lampe.
Bei der Frage nach den Farbwiedergabe-Eigenschaften von LEDs zieht Weintraub 2010 die Studien des so genannten CALiPER(Commercially Available LED Product Evaluation and Reporting)-program zu Rate. Zwischen 2007 und 2009 wurden zwanzig MR-16 LEDs getestet. Hiervon besaßen 15 eine Farbtemperatur zwischen 2600 und 3500 K. Die Farbwiedergabe-Indizes variierten zwischen 48 und 96 Ra. Die Lichtausbeute lag zwischen 16 lm/W und 50 lm/W. Zum Vergleich: Halogen-Leuchten besaßen bei einem Farbwiedergabe-Index von 99 Ra eine Lichtausbeute von 8 - 18 lm/W. Es sind demnach bereits LEDs mit guter Farbwiedergabe erhältlich, die bis zu fünf Mal effizienter sind als normale Halogen-Lampen.

Neben dem Farbwiedergabe-Index ist laut Weintraub 2010 aber vor allem die Farbtemperatur von Bedeutung. Beispielsweise besitzt eine Halogen-Lampe üblicherweise eine Farbtemperatur von 3000 K bei einem Farbwiedergabe-Index von 99-100. Die Wiedergabe von blauen Farbtönen ist hier aber ungenügend im Vergleich zu Leuchten mit höheren Farbtemperaturen. Eine Lichtquelle mit einer höheren Farbtemperatur und einem geringeren Farbwiedergabe-Index bringt im Bereich der blauen Farbtöne weit bessere Ergebnisse. Dies bedeutet, dass eine Lichtquelle mit einem hohen Farbwiedergabe-Index nicht zwingend für alle Anwendungsbereiche geeignet ist. Im Bereich der blauen Farbspektrums wird eine LED mit einer höheren Farbtemperatur von 3500-4000 demnach besser abschneiden als eine 3000 K Halogen-Lampe mit einem Index von 99 Ra. Allgemeine Farbwiedergabe-Werte müssen daher bezüglich der Beleuchtung von Museumsobjekten die Farbtemperatur der Leuchtquelle mit einbeziehen.
Weintraub 2010 schreibt den warm- oder neutral-weißen phosphorbasierten LEDs mit einem Farbwiedergabe-Index von 85-90 Ra sehr gute Anwendungsmöglichkeiten im Museum zu. Bei niedrigen bis mittleren Farbtemperaturen von 2700-4000 K sei keine erhöhte Schädigung von Objekten zu erwarten.

Weiße LEDs emittieren keine IR-Strahlung. Dennoch produzieren sie durch den Stromfluss Wärme, die größtenteils nach hinten abgeführt wird. Als eines der größten Probleme wird die schlechte Kühlung von LEDs genannt. Der Wärmeableiter ist bei LEDs daher von größter Wichtigkeit, von seiner Qualität hängt die Lebensdauer des Leuchtmittels ab. Die Wärmeproduktion von LEDs ist insgesamt vergleichsweise gering, dass ggf. sogar ein objektnaher Einsatz in Vitrinen möglich ist.

Weitere ausführliche und aktuelle Informationen zu LEDs siehe www.led-info.de, www.osram.de, www.erco.com oder die Seite der Arbeitsgruppe Green Resources des American Institute for Conservation. Eine reiche Auswahl an Produkten bieten z.B. www.ecat.lighting.philips.com und www.ledlager.de.

Verschiedene Produktformen

LEDs sind in den verschiedensten Produktformen erhältlich. Glühlampenähnlich sind die Philips Master LED (Abb. unten), die z.T. bereits gute Farbwiedergabewerte besitzen (Ra 70-90). Sie sind auch als Spotlampen erhältlich.

Philips Master	Philips Master Spotlampe	alle Bilder aus www.ledlager.de	Osram Parathom Par16	Osram Parathom classic

Weiße LEDs  werden seit wenigen Jahren zur Vitrinenbeleuchtung angeboten, wobei meist vorgefertigte LED-Paneele oder Lichtrohre zum Einsatz kommen (siehe z.B. Vitrinenbau Reier). LEDs lassen sich auch einzeln auf (unsichtbar leitend gemachte) Glasplatten aufbringen.

Schwefellampen

Schwefellampen sind ein revolutionärer Lampentyp für große Hallen. Eine Schwefelkugel wird durch einen Mikrowellengenerator angeregt und erzeugt ein sonnenlichtähnliches (6000°K) weißes Licht mit geringem IR-und UV-Anteil. Der Lichtkolben besteht aus einer hohlen, 35 mm großen Quarzkugel, die mit Schwefel- und Argongas gefüllt ist. Die Lichtausbeute ist etwa mit 80 - 135 lm/W bis zu doppelt so hoch wie bei anderen weißen Lichtquellen, die Lebensdauer der Lampe liegt bei 60 000 h, die des Mikrowellengenerators bei ca. 20 000 h.

aus: 3M

Beleuchtung einer Lagerhalle mit aus Schwefellampen gespeisten Lichtöhren

Die Lichtleistung einer einzelnen 1000 W Schwefellampe ist mit 135 000 lumen extrem hoch - sie kann bis auf 20% gedimmt werden. Um das Licht gleichmäßig auf den Raum zu verteilen, wurden spezielle bis 27 m lange Lichtröhren eingesetzt, aus denen das Licht gleichmäßig austritt. Die hohlen Lichtröhren sind mit einem speziellen Reflexionsfilm mit mikroskopischen Prismen ausgestattet. Hiermit können größte Räume diffus und schattenfrei ausgeleuchtet werden. Im National Air and Space Museum Washington wurde dieses System erstmals in einem Museum zum Einsatz gebracht. Seit dem Jahr 2000 werden angeblich keine Schwefellampen mehr produziert. Gründe hierfür sind u.a. der leichte Grünton und die gezwungenermaßen hohen Wattzahlen. Lichtröhren, mit Entladungslampen betrieben, werden heute dagegen sehr vielseitig eingesetzt.

Elektrolumineszenz

Seit 1936 ist bekannt, dass gewisse Leuchtstoffe im Dielektrikum eines Kondensators im elektrischen Wechselfeld zum Leuchten angeregt werden. Mit Kupfer aktiviertes Zinksulfid ergibt ein grünes Leuchten. Sehr robuste Elektrolumineszenzplatten werden auch in Keramiktechnik auf Metall hergestellt; ebenso kann auch Kunststoff verwendet werden (aus Hentschel 1994 S. 126f).

Die Elektrolumineszenz liefert nur eine geringe Lichtausbeute und Leuchtdichte bei einem theoretischen Maximum von  6 lm/W. Sie kann daher nur in schwach beleuchteten Bereichen für Lichtakzente oder als Sicherheitslicht eingesetzt werden, wo es nicht auf Farbqualität ankommt. Die Leuchten sind dimmbar mittels Induktivlastdimmer. Mittlere Lebensdauer: 5000 h, in gedimmtem Zustand bis 50 000 h. Anwendungen sind hauchdünne flexible Leuchtplatten. Sie sind auch in Plakatgröße und in verschiedenen Lichtfarben erhältlch (z.B. Finish Technology). Außerdem 3 mm dicke Elektroleuchtschnüre, die in beliebigen Längen abzuschneiden und zu verlängern sind. Treppendekoraton mit Leuchtschnur, aus: Stiers		Luminis-Leuchtfolie, zum Betrachten von Wasserzeichen u.ä. (Stiers)

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