licht und gesundheit leben mit optischer strahlung · prof. dr. t. jüstel, münster university of...

Prof. Dr. T. Jüstel, Münster University of Applied Sciences Folie 1

Licht und Gesundheit –

Leben mit optischer Strahlung

Thomas Jüstel Institut für Optische Technologien

Münster University of Applied Sciences

[email protected]

www.fh-muenster.de/juestel

Tag des Lichts, Essen

22. März 2018

mailto:[email protected]



http://www.fh-muenster.de/juestel




Licht Beleuchtung


Licht Bildwiedergabe (Informationen)


in Licht Umweltproblem ~ 20% der erzeugten elektrischen Energie wird zurzeit in

Beleuchtungseinrichtungen weltweit verbraucht (Quelle: NASA)

Noch mehr als 25 Jahre nach der Wiedervereinigung kann

man Ost- und West-Berlin an der Beleuchtung erkennen

1989 Fall der Berliner Mauer “The Wind of Change”

1993 Blaue LED

1996 Weiße LED

2014 Weiße LED mit > 300 lm/W & Nobelpreis Shuji Nakamura

2015 25 Jahre Deutsche Einheit “The Light of Change”

2018 LED dominiert den Lichtmarkt und die Frankfurter Messe „Light & Building“

Ost-Berlin

Na-Lampen

West-Berlin

Hg-Lampen


Inhalt

1. Licht als Teil des elektromagnetischen Spektrums

2. Natürliche und künstliche Lichtquellen

3. Wie wirkt Licht auf den menschlichen Körper?

4. Auswirkungen künstlicher Beleuchtung auf die Gesundheit

5. Lichttherapie

6. Fazit

7. Literatur


UV-C UV-B UV-A Blau Grün Gelb Rot IR

Haut Haut Haut Auge/Haut Auge Auge Auge/Gefäße Gefäße

Desinfekt. Bräunung Bräunung -------------- Visuelle Wahrnehmung ---------------- Wärme

Reinigung Vitamin D- Melatonin-

Bildung reduktion

NO-Bildung

Bilirubinabbau

1. Licht als Teil des elektromagnetischen

Spektrums


Die spektrale Augenempfindlichkeitskurve Der CIE1931 Farbraum

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Wellenlänge [nm]

Ph

oto

pis

ch

e E

mp

fin

dli

ch

keit

V(

)

UV IR VIS

1. Licht als Teil des elektromagnetischen

Spektrums

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Spektralfarben Planckkurve Mischfarben Weißpunkte

0.8

0.9

x

y



Natürliche Künstliche - Sonne - Feuer/Fackeln/Kerzen

- Andere Himmelskörper - Gasleuchten

- Lava/Glut - (Halogen)Glühlampen

- Blitze - Entladungslampen

- Biolumineszenz - LED, Laserdioden, OLED


Die Sonne – Optische Strahlung

~ 5% UV ~ 60% VIS ~ 35% IR

Das solare Spektrum ist variabel als Funktion von

Tages- & Jahreszeit, Luftdruck, Bewölkung, Staubkonz., .....

AM

0

AM

1.0

Erdoberfläche

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

Schwarzer Körper (T = 5800 K)

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8 AM0 (Extraterrestrisch)

No

rmie

rte

Sp

ek

tra

le B

es

tra

hlu

ng

ss

tärk

e500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8 AM1.5 (Zenitwinkel 48°)

Wellenlänge (nm)

O2

O3

H2O

CO2

CO2

<400 400-500 500-600 600-700 >700

37.8 W/m² 130.4 W/m² 144.6 W/m² 134.0 W/m² 269.2 W/m²

5.3% 18.2% 20.2% 18.7% 37.6%

2. Natürliche Lichtquellen

48.2°


Die Sonne - Direktstrahlung Diffuse Strahlung „Der blaue Himmel“

Farbtemperatur = 5500 - 6500 K Farbtemperatur = 10600 K

50 W/m2 UV und 0.1 W/m2 UV-B Fast kein UV!

~ 1000 W/m2 ~ 50 W/m2

2. Natürliche Lichtquellen


Ur- und Frühgeschichte Antike 18. Jhdt. 19. Jhdt.

Chemische Lichtquellen Elektrische Lichtquellen

Lagerfeuer Kerzen Kohlefaden-

lampen

Zugang zu geeigneten Energiequellen

Fackeln Petroleum-

lampen

Auerlicht

2. Künstliche Lichtquellen


Glüh- und

Halogenglühlampen

Gasentladungs-

lampen

Anorganische

und organische

Leuchtdioden

Hochleistungs-LED

und Laserdioden

Lebensdauer, Lichtstrom, Lichtausbeute, Lichtqualität

19. Jhdt. 20. Jhdt. 21. Jhdt.



Lichtausbeute

• Sonnenlicht

– 1000 W/m2

– ca. 100 lm/W

– 100.000 lm/m2 = 100.000 lux

• Typische Innenraumbeleuchtung

– 5 W/m2

– ca. 100 lm/W (Leuchtstoffröhren)

– 500 lm/m2 = 500 lux

• Künstliche Lichtquellen (physikalisches Limit)

– Monochrom grün (555 nm) 683 lm/W

– Kaltweiß ~350 lm/W

– Warmweiß ~300 lm/W

[ nm ] L

ich

tau

sb

eu

te [

lm

/W ]

Dreibandenlichtquellen Blau Grün Rot



Lichtfarbe

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

Spektralfarben

Planckkurve

Mischfarben

Weißpunkte

0.8

0.9

x

in Kelvin Bezeichnung

2700 extra-warm-

weiß

2900 warm-weiß

4000 neutral-weiß

5500 Tageslicht

6500 kalt-weiß

Energiesparlampen mit

unterschiedlicher

Farbtemperatur im Vergleich



Lichtqualität

(Farbwiedergabeindex)

Ra = 0 … 100

Monochrom grün

oder

Monochrom gelb

Na-Dampflampen

Ra = 0



Lichtqualität

(Farbwiedergabeindex)

Ra = 0 … 100

Kaltweiß

oder

Warmweiß

Glühlampen

Ra = 100



Weiße Lichtquellen Farbige Lichtquellen

Beleuchtung mit

weißem Licht

Beleuchtung mit

gelben Licht

z.B.

Na-Dampflampen

Sonnenlicht und

Halogenlampen


Na-Lampen werden nur in der Außen-/Straßenbeleuchtung verwendet!


500 1000 1500 2000 0

0.5

1

1.2

I ( )

V z ( )

2000. 200 z , 380 780 Wellenlänge [nm] 2000

Augenempfindlichkeitskurve

Thermische Strahler

+ Sehr gute Farbwiedergabe ~ 90 - 100

+ Kein Vorschaltgerät/Netzteil

- Lebensdauer 1000 – 2000 h

- Farbvariationen benötigen Filter

- hoher Energieverbrauch

- hauptsächlich IR-Strahlung

Wendel- Licht- Energie-

temp. ausbeute effizienz

T [K] h [lm/W] h [%]

2700 12 6

2800 16 8

3000 22 11

3200 29 15

3400 36 18




0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

350 400 450 500 550 600 650 700 750 800

Inte

nsi

tät

[W/n

m]

Wellenlänge [nm]

e-

Kathode

Leuchtstoffschicht Gasentladungen

+ Geringer Energieverbrauch

+ Lebensdauer 8000 – 50000 h

- Vorschaltgerät notwendig

- Mäßige Farbwiedergabe

- Enthalten Hg und Ba

Hg*

Lampen- Licht- Energie-

typ ausbeute effizienz

h [lm/W] h [%]

Energie- 40 – 70 15 – 20

sparlampe

Leuchtstoffröhre 70 – 80 20 - 25

„Standard“

Leuchtstoffröhre 90 – 100 27 - 30

„Dreibanden“



+ -

Lebens- Licht- Energie-

dauer L70 ausbeute effizienz

t [h] h [lm/W] h [%]

> 30000 60 - 300 40 - 80

Ni/Au p-Kathode

p-leitendes GaN

Lichtemittierende Schicht

(Rekombinationszone)

n-leitendes GaN

Transparentes

Substrat (Al2O3 oder GaN)

300 400 500 600 700 8000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

No

rmie

rte

In

ten

sitä

t

Wellenlänge [nm]

Konverterschicht

Anorganische Festkörper(-LED)


Künstliche Lichtquellen - Status Quo 2018

LED dominieren den Lichtquellenmarkt!

Lichtaubeute: Kalt-weiß > 200 lm/W Warm-weiß > 100 lm/W

Farbwiederg.: 70 - 99

Lebensdauer: > 10000 h Design: Retrofits für Leuchtstoffröhren und (Halogen)Glühlampen

Vergleich der LED gegenüber

Glüh- und Halogenlampen Fluoreszenzlampen

Höhere Lebensdauer Einfachere Ansteuerung & Dimmbarkeit

Höhere Effizienz Bessere Farbwiedergabe

Größere Robustheit Größere Robustheit

Keine IR-Strahlung Keine UV-Strahlung

Alles optimal?


http://www.ledsmagazine.com/news/9/4/17/panasonic_alamp


Tageslicht LED-Licht

Lichtstärke 10.000 - 100.000 lux 500 - 1.000 lux

(1000 W/m2) (5 - 10 W/m2)

Spektrale Modulation 1500 - 10500 K 2000 - 6500 K

UV 5% ~ 0%

VIS 60% > 90%

NIR 35% < 10%

Zeitliche Modulation ~ Minuten ~ Millisekunden

(Wolken) (100 Hz) (Netzfrequenz)



Sichtbares (blaues LED, ~ 480 nm) Licht beeinflusst die

• Konzentration des Schlafhormons Melatonin

• Konzentration des Stresshormons Cortisol

Aufmerksamkeit, Körpertemperatur usw.

Rezeptoren im Auge

• Stäbchen (1 Typ) S/W-Kontrast

• Zäpfchen (3 Typen) Farbwahrnehmung

• Blaulicht (pRGC) Hormonsteuerung

3. Wie wirkt Licht auf den menschlichen

Körper?

Über die Augen

Sommer 100.000 Lux

Winter 10.000 Lux

Büro 500 Lux

Aktiv. ab 250 Lux

(DIN 67600)



Körper?

Lichtquelle Lichtausbeute Lichtausbeute

photopisch zirkadian relativ

zu photopisch

Tageslicht 6500 K 100 lm/W 2,78

FL 3000 K 90 lm/W 1,00

FL 4100 K 90 lm/W 1,85

LED 5500 K 200 lm/W 2,91 (~ LCDs)

Cortisol (Stresshormon)

Melatonin (Schlafhormon)

Aufmerksamkeit

Körpertemperatur

Uhrzeit

Über die Augen -

Melatoninsuppression

430 nm

480 nm 555 nm 505 nm


Über die Haut

UV-C → Erbgutschäden

UV-B → Vitamin D Bildung

UV-A → Melaninoxidation

Blau → Bilirubinabbau, NO-Bildung

Rot → Gefäßerweiternde Wirkung


Körper?

UV-Strahlung wirkt

an der Oberfläche

Rotes Licht & IR-Strahlung

zeigt zudem Tiefenwirkung

IR-B

0.5 mm

IR-A

4 - 5 mm

Oberhaut

Lederhaut

Unterhaut-

gewebe

IR-C

0.1 mm



Körper? - Sichtbare Strahlung Bionegativ

• Bildung von freien Radikalen

Biopositiv

• Photodynamische Therapie

• Photomodulation (u.a. Hautverjüngung)

• Wundheilung und Entzündungshemmung

• Schmerztherapie

• Photoisomerisierung von Bilirubin

Sp

ektr

ale

r

Wir

ku

ng

sfa

kto

r

(Blau)



Körper? - UV-Strahlung Bionegativ

• UV-Erythem (Sonnenbrand)

• Phototoxische / -allergische Reaktionen

• Polymorphe Lichtdermatose (PLE)

• Bildung von freien Radikalen

• Vorzeitige Hautalterung (Photoaging)

• Photokarzinogenese (BCC, SCC, MM)

Biopositiv

• Hautbräunung (Pigmentbildung und –dunkelung)

• Hautadaptation (Aktivierung des Sonnenschutzes)

• Prävitamin D Synthese

• Therapeutische Wirkungen in der Dermatologie

• Psychisch aufhellende Wirkung

Ausschnitt aus

dem Melanin


IR-A

Verbesserung

● der Durchblutung durch Vasodilatation

● der Versorgung des Gewebes mit Sauerstoff

● der Nährstoffversorgung und des Stoffwechsels

● des Abtransports von endzündungsfördernden

und schmerzverursachenden Schadstoffen

Thermische Energie

● Wärmebildung durch Strahlungsabsorption

● Wärmeübertragung durch -leitung


Körper? - IR-Strahlung Biopositiv (überwiegend)


4. Auswirkungen künstlicher Beleuchtung

auf die Gesundheit Tageslicht

Tageslicht Glühlampe Fluoreszenz- LED LED

lampe (kalt) (warm)

Lux 100.000 500 500 500 500

UV 5% < 1% < 1% 0% 0%

VIS 60% 5% 90% 100% 90%

IR 35% 95% 10% 0% 10%

Tageslicht Glühlampe Energiesparlampe

Halogenlampe + IR Filter Kaltweiße LED Warmweiße LED


4. Auswirkungen künstlicher Beleuchtung

auf die Gesundheit Spektrum (Farb)wahrnehmung

biopositive / bionegative Einflüsse

Intensität Aktivierung / Blendung

Zeitliche Modulation (Flicker)

• Neurologische Probleme

• Epileptische Anfälle

• Ermüdung

• Kopfschmerzen

• Migräne

• Verringerte Leistungsfähigkeit

• Induktion autistischen Verhaltens, besonders bei

Kindern

• Stroboskop-Effekt

• Ablenkung


4. Auswirkungen künstlicher Beleuchtung auf

die Gesundheit - Flicker als Problem! Allgemeinbeleuchtung Krankenhäuser Schulen

Büros Fabriken „Home Office“


Steuerung der Leistung mit

dynamischer Beleuchtung

Arbeitsbeginn 08:15 Uhr

Neutrale Atmosphäre...

Prime time 11:45 Uhr

Kühle Atmosphäre...

Feierabend 17:45 Uhr

Warme Atmosphäre...

4. Auswirkungen künstlicher Beleuchtung auf

die Gesundheit - Farbtemperatur


Anwendung im Zusammenhang mit

• Jet-lag

• Schichtarbeit

• Essstörungen

• Übergewicht

• Schlafstörungen

• Lichtwecker ~ 250 lux

• Winterdepression ~ 10.000 lux

• …..

Melatoninsuppression

Tageslicht Sommer ~ 100.000 lux

Sinnvolle Beleuchtungsstärke > 5000 lux

Innenraumbeleuchtung 500 – 1000 lux

5. Lichttherapie


Melatoninsuppression und Lichtausbeute: Optimal mit kaltweißen LED

Empfehlung

• Allgemeinbeleuchtung: Variabler Blauanteil kaltweiße LED

• Ruhezonen: Kein Blauanteil warmweiße/gelbe LED

Glühlampen

Kerzen/Teelicht

0

10

20

30

40

50

60

70

400 500 600 700 800

Em

issio

nsin

ten

sit

ät

Tc = 5270 K CRI = 82

Tc = 4490 K CRI = 79

Tc = 4110 K CRI = 76

Tc = 3860 K CRI = 73

Tc = 3540 K CRI = 70

Wellenlänge [nm]

Blaue LED Gelber Leuchtstoff

400 450 500 550 600 650 700 750 800

0,0

2,0x106

4,0x106

6,0x106

8,0x106

1,0x107

1,2x107

1,4x107

1,6x107

1,8x107

2,0x107

Teelicht

Inte

nsi

tät

Wellenlänge [nm]

3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 1,8 1,6

Energie [eV]

5. Lichttherapie


Blaulichttherapie zur Behandlung von

• Akne

• Neurodermitis

Wirkungsoptimum bei 415 nm (blauviolett)

Spektral optimierte

Fluoreszenzlampen

mit α-Ba3Y(BO3)3:Eu

5. Lichttherapie


400 450 500 550 6000,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

Rela

tive

Wirk

ung

Wellenlänge [nm]

400 450 500 550 6000,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

Emis

sion

sint

ensi

tät

Wellenlänge [nm]

Aktionsspektrum des Bilirubinabbaus

Emissionsspektrum einer „Bilirubinlampe“

Blaulichttherapie zur Behandlung der Gelbsucht

Das gelbe Bilirubin ist ein Abbauprodukt des Hämoglobinstoffwechsels

Gesunde: Abbau in der Leber und Ausscheidung

Lebererkrankte: Einlagerung in Haut & Gehirn

Bilirubin (wasserunlöslich) → Lumirubin (wasserlöslich)

5. Lichttherapie


Blaulichttherapie zur Behandlung des Neugeborenen-Ikterus (Gelbsucht)

Direkt nach der Geburt ist die Leber noch „unreif“

Unzureichender Abbau des Bilirubins

Bestrahlung mit blauem Licht (460 nm)

Lumirubin wird über die Nieren ausgeschieden

Philips Lampen

F20T12/BB bzw. F40/BB

5. Lichttherapie


Stickstoffmonoxid (NO)-Radikale

• In hohen Konzentrationen toxisch

• In niedrigen Konzentrationen gefäßerweiternd und muskelentspannend

→ Blutdruckregulation

→ Entzündungshemmende Wirkung

→ Schmerzreduktion

Enzymatische Produktion L-Arginin (Aminosäure) L-Citrullin + NO

Bildung durch blaues Licht Nitrit NO2- + H2O OH- + OH. + NO

S-Nitroso-Serumalbumin NO

5. Lichttherapie


Flache und flexible LED Array Lichtquelle als „Schmerztherapie-Patch“

• Dimmbar

• Langlebig

• Flexibel

• Hocheffizient

39

20 mm

4 mm

1.4 mm

Blau emittierende LEDs

Phosphor Ceramic Polymer-Keramik-Verbund

Blaue InGaN LED

300 350 400 450 500 550 600 650 700

0

1x105

2x105

3x105

4x105

Measurement settings

1 nm Steps

0,04 nm Slit

Emission Spectrum

Inte

ns

ity

[c

ou

nts

]

Wavelength [nm]

4 3,5 3 2,5 2

Energy [eV]

5. Lichttherapie


Behandlung von

• Tuberkulose (Schwindsucht) seit ca. 1895

• Rachitis seit etwa 1920

Sanatorien in Davos, Braunwald usw.

Anwendung von Sonnenlicht

Effekt: Bildung von Vitamin D3

– hocheffektiv in der Haut

– via UV-B Strahlung

– Verbesserung der Immunreaktionen!

Vitamin D3-Konzentration im Blutserum

– Mangel: < 20 ng/ml

– Optimal: 30 - 100 ng/ml

– Intoxikation: > 150 ng/ml

90%

10%

5. Lichttherapie - UV


Wirksubstanzen des Vitamin D3

Haut

Vitamin D3

Leber

25(OH)D3

1,25(OH)2D3

Prostata-, Brust-, Darm-

und Immunzellen

Kalzium, Muskel-

und Knochengesundheit

Regulation des

Zellwachstums

(Krebsprävention)

Regulation der

Immunfunktionen

(Prävention von

Diabetes Typ 1

und MS)

Regulation des

Blutdrucks und der

Insulinproduktion

(Prävention von

Herzerkrankungen

und Diabetes Typ II)

Niere

Blut



1,25 (OH)2-

Vitamin D3

Kalzium-

Resorption

Muskulatur Endokrines

System

Nervensystem

Epidermis

Immunsystem

Regulation

Zellteilungen

Systemische Wirkungen der UV-Strahlung

→ Vitamin D: „Das Superhormon“



0,0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1,0

250 260 270 280 290 300 310 320 330Wellenlänge [nm]

Wirkungsspektrum für die Bildung von Provitamin D3 Bildung in Haut

Provitamin D3 wirksame UV-B Strahlung

als Funktion des Breitengrades

Länder nördlich bzw. südlich des

~ 30. Breitengrades haben einen

„Vitamin D Winter“



Die Sonne - Jahreszeitlicher Verlauf hautwirksamer Strahlung (Mitteleuropa)



Behandlung von

• Rheumatismus

• Neurodermitis

• Rückenschmerzen

• Tumore (mit IR-A Strahlung)

→ Photodynamische Therapie

IR-Quellen

• IR-A and IR-B

Halogenlampen mit Farbfilter

Nd:YAG Laser

• IR-C

geheizte Keramikstäbe

IR-C 0.1 mm

IR-B 0.5 mm

IR-A 4 - 5 mm

5. Lichttherapie - IR


6. Fazit und Trends

Primäres Ziel künstlicher Beleuchtung „Verlängerung des Tages“ Lösung visueller Aufgaben Energieeffizienz und Kosten (Lebensdauer)

Damit assoziierte Probleme (bionegative Faktoren)

Falsches Lichtspektrum

Zu geringe Beleuchtungsstärke

Fehlen spektraler Anteile (UV und IR)


Weitere Anwendungsbereiche, welche die Gesundheit indirekt beeinflussen

• Wasser-, Oberflächen- und Luftaufbereitung „Sick Building Syndrome“

• Agrikultur: „Horticulture Lighting“ und „Vertical Urban Farming“

Zeit

An

wen

dern

utz

en

Beleuchtung

Ambiente

Trends im Lichtquellenmarkt

Umweltverträglichkeit

Gesundheit

Effizienz bei der

Arbeit & Ausbildung

Energieeffizienz

Lebensdauer

Recycling

Geometrische, spektrale

und zeitliche

Flexibilität „Vision“

Kosten

6. Fazit und Trends


7. Literatur und Internet-Links

Literatur • R. Heinz, Grundlagen der Lichterzeugung – von der Glühlampe bis zum LASER, Highlight-Verlag (2004) • M. Born, T. Jüstel, Elektrische Lichtquellen, Chemie in unserer Zeit 40 (2006) 294 • T. Jüstel, S. Möller, H. Winkler, W. Adam, Luminescent Materials in Ullmann’s Encyclopedia of

Industrial Chemistry, Vol. A1-28, Wiley-VCH (2012) • T. Jüstel, Anorganische Leuchtstoffe und LEDs, CHEManager 5 (2017) 9

Internet-Links • Homepage T. Jüstel http:// www.fh-muenster.de/juestel • CREE http://www.cree.com/ • Edison Opto Corp. http:// www.edison-opto.com.tw/ • GELcore http:// www.gelcore.com/ • Global Light Industries http://www.globallight.de/index.html • Insta http://www.insta.de/newsite/index.php?page=695 • LEDtronics http://www.ledtronics.com/ • Leuchtmittel online http://www.leuchtmittel-online.com/ • Lumitronix http://www.leds.de/index.php • Nichia http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.html • Osram Opto http://www.osram.de/ • Philips Lumileds http://www.luxeon.com/ • Seoul Semiconductor http://www.seoulsemicon.com/en/prCenter/ • Sylvania http://www.sli-sylvania.com/content/view/65/77/ • TridonicAtco http://www.tridonicatco.com/kms/static_nav/index.php • Vossloh-Schwabe Opto. http://www.vs-optoelectronic.com/ger/




http://www.cree.com/

http://www.globallight.de/index.html

http://www.edison-opto.com.tw/




http://www.gelcore.com/


http://www.insta.de/newsite/index.php?page=695

http://www.ledtronics.com/

http://www.leuchtmittel-online.com/



http://www.leds.de/index.php

http://www.nichia.co.jp/about_nichia/index.html

http://www.osram.de/

http://www.luxeon.com/

http://www.seoulsemicon.com/en/prCenter/

http://www.sli-sylvania.com/content/view/65/77/



http://www.tridonicatco.com/kms/static_nav/index.php

http://www.vs-optoelectronic.com/ger/




VIELEN DANK FÜR IHRE

AUFMERKSAMKEIT!

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