Schadet blaues LED-Licht den Augen wirklich?

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Zum zweiten Mal hat die TELI die Gefahren von Licht emittierenden Dioden (LED) zum Thema ihres Januar-Jour-fixe gemacht. Hatte im Vorjahr ein staatlich geprüfter Augenoptiker auf die Gefahren des hohen Blauanteil in „Weißlicht-LEDs“ hingewiesen, stellte sich 2019 Dedo Weigert mit seiner über Jahrzehnte gesammelten Erfahrung dem Auditorium.

Der Einladung zum TELI-Jour-fixe waren fast 40 Personen gefolgt. Neben TELI- und PresseClub-Mitgliedern waren Vertreter des BVK Bundesverband Kinematographie (bvk.org), der Fernseh- und Kinotechnischen Gesellschaft (FKTG.org) und der Deutschen Theatertechnischen Gesellschaft (dthg.de) gefolgt, nicht erschienen waren die ebenfalls eingeladen Vertreter des Bundesverbandes der Fernsehkameraleute (BVFK.tv). Durch die Veranstaltung führte Prof. Dietrich Sauter, die Moderation oblag dem TELI-Vorstandsvorsitzenden Arno Kral.

Vorstellung Referent

Das Bild zeigt Dedo Weigert, wie er Hand an die kleinste der LED-Filmleuchten von Dedolight legt. Verdeckt: Eine seiner Mitarbeiterinnen. Im Hintergrund: TELI-Banner und TELI-Vorsitzender Arno Kral. Bild: Dedo Peter Knoll.
Dedo Weigert legt Hand an die kleinste der LED-Filmleuchten von Dedolight. Bild: Dedo Peter Knoll.

Dedo Weigert ist nach eigenen Worten „von Herz und Seele ein Mensch mit Kamera“. Er hat im Verlauf seines Lebens Filme der verschiedensten Genres, großenteils fürs amerikanische Fernsehen gedreht, sei es Kameramann (Director of Photography). Regisseur oder Produzent. Sein künstlerisches Schaffen sei immer von einem jugendlichen Spieltrieb begleitet gewesen. Die Entwicklung von Technik und Hilfsmitteln hat ihm im Laufe der Zeit über 30 internationale Patente eingebracht, zu seinen Erfindungen zähen der Teleprompter (1961) sowie der erste in Europa hergestellte Fluidkopf für Stative (vorgestellt zu Photokina 1966, heute Industrie-Standard) oder der erste frequenzbetriebene Zoomantrieb (1966). Seine praktische Veranlagung und sein Faible fürs Tüfteln führten zur Gründung eine Firma für Kameraverleih, Filmproduktion und später den Vertrieb von importierten Geräten für Film- und Fernsehbranche – der Dedo Weigert Film GmbH.

Was Dedo Weigert für das Jour-fixe-Thema als Referenten prädestiniert, ist seine praktische und unternehmerische Erfahrung mit Licht. Seine Firma unterhält eine mit 30 Personen besetzte Forschungs- und Entwicklungsabteilung für Optik, Elektronik und Mechanik. Von ihr stammt ein Stereosystem für die Uni Heidelberg, die Einführung von Highspeed-Video 1981, ein Highspeed-Video-Fluoroskop zur Früherkennung von Krebszellen für die Universität Ulm und Geräte zur industriellen Bewegungsanalyse. Erst relativ spät begann sie mit der Entwicklung eigener Leuchtengeräte, genauer: neuartige, patentierte Optiksysteme für professionelle Leuchten. Diese Precision Lighting Instruments waren dem OSCAR-Committee der Academy of Motion Picture Arts and Sciences schon zweifach eine Anerkennung wert (1991 und 2003) und wurden unter anderem auch mit dem Preis EMMY ausgezeichnet. Seine Produkte sind immer ein bisschen besser als die der Konkurrenz.

Gefahren durch Licht

Mit der Entwicklung von LED-basierten Scheinwerfern und Beleuchtungsanlagen musste sich auch der Referent der Frage stellen, ob sich LED-Leuchten guten Gewissens überhaupt im Umfeld der Film- und Fernseh-Szene einsetzen lassen – aus mehreren Gründen: Zum einen brauchen Film- und Fernsehschaffende zuverlässige Lichtquellen, die das Spektrum des Sonnenlichts farbgetreu nachbilden können. Zum anderen galt es die Frage zu beantworten, ob, und wenn ja, der sogenannte, für Weißlicht-LED-Leuchten charakteristische Blau-Peak für das Auge und dessen Farbempfinden schädlich ist. Und Drittens galt es die Frage zu klären, ob LED-Lichtquellen, was Lebensdauer und Betriebskosten anbelangt, herkömmlichen Studioleuchten wirklich überlegen sind.

So erläuterte Weigert zunächst die grundlegenden Eigenschaften des menschlichen Auges beim Tag- und Nachtsehen, die für verschiedene Farben unterschiedliche Empfindlichkeit des Sehsystems, die sich in der wellenlängenabhängigen Wichtungsfunktion niederschlägt, und die Abhängigkeit des Schlaflosigkeit erzeugenden Melatonins vom Blauanteil im Licht.

Es ging die Frage zu klären, ob LED-Lampen wegen ihres im Vergleich zu herkömmlichen Leuchten wie Glüh- oder Halogen-Lampen recht hohen Blau-Anteils im Farbspektrum einen ungesunden Einfluss auf das Auge des Betrachters haben und ob LEDs tatsächlich sparsamer mit elektrischer Energie umgehen als herkömmliche Leuchtmittel. In der Tat entsteht der Farbeindruck „weiß“ durch eine Kombination aller Farben im sichtbaren Spektralbereich. Das gilt zumindest für Sonnenlicht. Bei Glühlampen überwiegen indes die längerwelligen Farbanteile, der Blauanteil lässt sich nur durch höhere Glühfadentemperatur etwas vergrößern. Andererseits ist das menschliche Auge kein Universaldetektor für alle Wellenlängen des sichtbaren Lichtes. Seine Sehzapfen detektieren nur gewisse Rot-, Grün- und Blauanteile, am empfindlichsten im grünen Bereich, und erst die Kombination dieser Sinnesreize führen zum Farbeindruck „weiß“.

Lichtquellen im Vergleich

Künstliche Lichtquellen können das Spektrum des Sonnenlichtes also nur eingeschränkt nachbilden. Während normales Glühlampenlicht nur geringe Blauanteile erzeugen und so gut wie gar keine ultraviolette Strahlung, liegt der Anteil der UV-Strahlung bei Metall-Halogen-Lichtquellen (HMI-Leuchten) um einem Vielfaches über dem von Sonnenlicht. Das gefährdet laut Weigert nicht nur das menschliche Auge, sondern auch Kunstwerke in Museen, insbesondere auf Basis von Wasserfarben, Gouache, Papier und Pergament sowie anderen organischen Materialien.

Bei LED-Lichtquellen könne für Tages- und Kunstlicht-Varianten der Anteil an Ultraviolett (UV) indes vernachlässigt werden, beziehungsweise existiere nicht, ausgenommen natürlich in speziellen UV-LED-Leuchten, wie sie Dedo-Licht etwa für forensische Untersuchungen herstellt.

Der Anteil an Infrarot (IR) der Strahlung oder verschiedener Lichtquellen am anderen Ende des sichtbaren Spektrums kann sowohl die Haut als auch die Augen gefährden und schädigen, ist jedoch bei den meisten LED-Leuchten bzw. LED-Lichtquellen ebenfalls so gering, dass er nicht berücksichtigt werden muss.

Bei LED-basierenden Leuchten beinhaltet das nach vorne abgestrahlte Nutzlicht nur geringe Infrarotanteile, wohingegen an der LED-Lichtquelle enorme Hitze entsteht, durch welche die LED-Lichtquelle sich relativ schnell vernichten würde, wenn nicht ganz besondere Kühltechniken eingesetzt werden. Weißlicht–LED-Leuchten könnten große ökonomische Effizienz bieten, Schädigungen von Haut oder Augen durch Infrarotstrahlung sind von ihnen indes nicht zu erwarten.

Spektrum sichtbaren Lichts mit Weisslicht-LED-typischem Blau-Peak.
In Weißlicht-LEDs emittiert eine Leuchtdiode kurzwelliges blaues Licht, von dem ein Teil eine Phosphor-Schicht durchdringt, die es in längerwellige Farbanteile wandelt. Durch additive Mischung entsteht so der Eindruck „weiß“. Grafik: Dedo Weigert Film GmbH

Wie aber funktionieren Weißlicht-LED-Leuchten, woher rührt die Befürchtung, sie können mit einem zu hohen Blauanteil im Lichtspektrum gefährlich für die Augen sein? Laut Leuchtenhersteller Weigert ist die Lichtquelle in einer Weißlicht-LED eine Indium-Gallium-Nitrid-Leuchtdiode, die kurzwelliges, blau-violettes Licht  mit 470 Nanometer Wellenlänge ausstrahlt. Ein Teil davon durchdringt eine Phosphorschicht, die er in längerwellige Lichtspektren wandelt. In der Mischung mit dem Original-Blau entsteht der Eindruck weißen Lichts.

Nachstehende Grafik zeigt den Bluelight-Hazard, dessen maximales Schädigungspotenzial bei ca. 445 Nanometer liegt. Die mintgrüne Kurve zeigt die Spektralverteilung einer typischen Tageslicht-LED mit ca. 6437 K. Die gestrichelte Linie bildet die visuelle Effizienz des menschlichen Auges nach, deren Maximum bei ca. 550 Nanometer (grün) liegt. Die Grafik zeigt ferner das Tageslichtspektrum, das Spektrum einer warmweißen LED mit 2771 K und das einer Halogen-Lichtquelle bei 2778 K.

Die Grafik zeigt die Farbspektren einer Reihe gängiger Filmleuchten, die sich zumeist deutlich vom Tageslichtspektrum der Sonne unterscheiden. Grafik: Dedo Weigert Film GmbH
Die Farbspektren künstlicher Lichtquellen unterscheiden sich zumeist deutlich vom Tageslichtspektrum der Sonne. Grafik: Dedo Weigert Film GmbH

Allerdings beziehen sich diese Vergleiche nur auf die Spektralverteilung. Die Intensität der verschiedenen Lichtquellen muss getrennt von der reinen Spektralverteilung gesehen werden, denn das Gefährdungspotenzial zeigt andere Maxima.

Die Strahlungsgefährdung hängt nicht nur von der Farbe (Spektrum) ab, sondern auch von der Intensität, dem Abstand von der Lichtquelle und der Einwirkungsdauer. Laut Weigert dient zur Bewertung der photobiologischen Sicherheit von LED nach der Lampensicherheitsnorm die DIN EN62471. Um die Sicherheit des Produktes zu bestätigen, hat der Hersteller eines Produktes für den europäischen Binnenmarkt eine Konformitätsbewertung durchzuführen, die vier Risikogruppen bewertet. Jede Risikogruppe sich bezieht darauf, wie lange man der optischen Strahlung einer Lampe in einem bestimmten Abstand ausgesetzt sein kann, ohne dass es zu Überschreitungen der Emissionsgrenzwerte der jeweiligen Risikogruppe kommt.

Die Tabelle zeigt die Risikogruppen für Lampen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass Augenbewegungen das Risiko für die Netzhautbeschädigungen verringern, weil das Abbild der Lichtquelle über die Netzhaut verteilt wird. Die Messung soll mit 500 Lux erfolgen und mindestens zehn Sekunden dauern. Der Messabstand muss wenigstens 20 Zentimeter betragen. Grafik: Dedo Weigert Film GmbH

Machen LED-Lichtquellen wirklich alles besser?

LED-Lichtquellen versprechen, glaubt man Werbungslogans, bezüglich der zugeführten elektrischen Energie einen höheren Wirkungsgrad und eine höhere Lichtausbeute sowie eine längere Standzeit. Im Gegensatz zu Glüh- oder Halogenlampen erzeugt in der LED ein Halbleiter die Photonen. Kann ein Wolframdraht 1500 bis 3000 Grad Celsius heiß werden, verringern Temperaturen jenseits von 85 Grad Celsius die Lebensdauer von Halbleitern beträchtlich. „Die für Profileuchten angegebene Lebensdauer von 50.000 Stunden ist in der Praxis nicht oder nur durch erhebliche Einbußen erreichbar –  trotz völlig anders lautender Darstellungen in Internet-Präsentationen“, wusste Weigert zu berichten.

Ferner zeigt nachstehende Tabelle, dass die Effizienz von LED-Scheinwerfern keinesfalls sonderlich höher ist als die herkömmlicher Film- und Fernsehleuchten. Die Lichtausbeute, gemessen in Lumen pro Watt, korrespondiert mit der Hitze-Entwicklung an der Leuchte. Und damit es der LED nicht zu warm um den Chip wird, muss sie mithin aktiv gekühlt werden – mit einem Lüfter also, der seinerseits wieder Strom braucht.

Lichtausbeute Hitzeentwicklung Betriebstemperaturen Erwartete Betriebszeiten
Halogen 20 lm/W ~90% 2927 °C 150-300h
dedolight Niedervolt 40 lm/W ~75% 3100 °C 600-1000h
Metal Halide (HMI) Tageslicht 80 lm/W 75% 500 °C 300-800h
Hoch CRI Fluoreszenz Lampe 80 lm/W 30% 65 °C 5000h
Weiss Phosphor LED ~60 lm/W ~80 – 85% 85 °C max. 20000-50000h
Weiss Phosphor LED CRI > 90 ~30 lm/W ~85% 85 °C max. 20000-50000h

Farbqualität schwer zu garantieren

Wegen des keineswegs kontinuierlichen LED-Spektrums ist die Farbqualität von Aufnahmen nur schwer vorher zu sagen. Im Gegensatz zu CCD-Sensoren, wie sie früher in Studiokameras zum Einsatz kamen, arbeitet heute die Mehrzahl der Aufnahmegeräte mit CMOS-Sensoren, die ihrerseits das Lichtspektrum keineswegs kontinuierlich erfassen. Hinzu kommen die farbverfälschenden Effekte der verwendeten Objektive und deren Vergütungen. Ein weiteres Verfälschungspotenzial haben die verwendeten Bildschirme. Selbst CMOS-Sensoren des gleichen Kameraherstellers, die sogar aus der gleichen Produktions-Charge stammen konnten, zeigten bei der Farbaufnahme gravierende Unterschiede.

Als Beispiel nannte Weigert: „Eine Canon 5D Mark II zeigt einen völlig anderen Hauttonwert für LED im Vergleich zu einer Canon 5D Mark III, wohingegen eine Sony-Kamera in die völlig entgegengesetzte Richtung wandert, aber auch innerhalb der Reihe der Sony-Kameras eklatante Unterschiede.“

Neun Jahre habe der Albtraum gewährt, bis sein Haus das Problem in den Griff bekommen habe, dass LED-Lichtquellen selbst bei verschiedenen Hauttypen identische Resultate zeigen wie die vom  Referenzlicht beleuchteten Hauttöne. Dazu habe man skandinavische, mexikanische, äthiopische und angolanische Hauttöne verwendet, da jeder praktizierende Profi wisse, welche Unterschiede in der Farbgebung bei unterschiedlichen Haupttypen und Hautstrukturen aufscheinen können. Deshalb sei die Beleuchtung fast noch wichtiger, als der Bildsensor. Weigert: „Wenn eine Farbe in der Beleuchtung nicht vorhanden ist, dann finden Sie die im Bild nie wieder, egal, wie viel Postproduction Sie danach betreiben“.

Publikumsdiskussion:

Frage: Bringen Blaufilter beschichtete Kontaktlinsen oder Schutzbrillen etwas?
Weigert: Ja.

Frage: Gehen von LED-Scheinwerfern Gefahren für Einleucht-Statisten aus?
Weigert: Aus der Sicht des Kameramanns hat eine normale HMI-Leuchte eine 20 Mal höhere UV-Gefährdung als eine dedo-HMI wegen deren eingebauten UV-Filter.

Frage: Wie lange kann man dedo-Licht einem Zehnjährigen zumuten?
Weigert: Wie lange darf ein Kind in der Sonne auf einem Spielplatz sein? Es kommt auf die Austrittsfläche der Leuchte an. Je kleiner, desto schlechter. Desto höher aber auch die Blendung, die einen Schutzreflex hervorruft, denn der Zerfall des Sehpurpurs durch Beleuchtung ist schmerzhaft.

Frage: Warum nicht ganz viele kleine LEDs mit verschiedenen Spektralfarben in eine Leuchte montieren?
Weigert: Mischen von RGB geht in die Hose. Der Versuch, als vierte Farbe Amber dazu zu nehmen, scheitert an deren zu geringen Lichtausbeute. Und nebeneinander montierte LEDs verschiedener Farbigkeit stehen im Widerspruch zu einer fokussierenden Lampenoptik.

Frage: Wie hoch ist die Lebensdauer einer LED?
Weigert: Unter Volllast erreichen sie maximal 15.000 Betriebsstunden, bei 80 Prozent etwa 30.000 Stunden. Für eine hohe Standzeit muss ein LED-Leuchthersteller das Ziel verfolgen, die Betriebstemperatur von 85 auf 70 Grad Celsius zu senken, sei es durch passive Kühlung mit Wärmeleitblechen oder Heatpipes oder aktiv durch einen Ventilator.

Schließlich wollte Professor Plischke, der an der Hochschule für angewandte Wissenschaften München am Thema LED-Licht forscht, wissen, wie Dedo-Leuchten gedimmt würden.
Weigert: Pulsbreitensteuerung funktioniert ganz gut, aber nur bis etwa fünf Prozent. Das bekommen Sie mit einer 8-Bit-Dimmung hin. Disneyland Paris will aber bis auf Null Prozent abregeln. Da braucht es schon eine 16-Bit-Steuerung für gut 64000 Helligkeitsstufen. Eine solche Regelung gibt es nicht für alle Leuchten und bedeutet daher einen hohen Entwicklungsaufwand. Eine Dimmung  ändert wiederum den Farbort der Leuchte. Doch es gibt programmierbare Dimmkurven.

Die letzte Frage stellte der Moderator: Mit welcher Frequenz arbeitet die Pulsweitenmodulation in LED-Scheinwerfern und wie hoch muss sie sein, dass es nicht zu stroboskopischen Effekten kommt, unter denen etwa Epileptiker leiden könnten.
Weigert: Unsere Leuchte werden einer EMV-Prüfung unterzogen und genügen dem FCC-Standard der USA.

Fazit

Das Bild zeigt einen Teil des Auditoriums des TELI-Jour-fixe im Internationalen PresseClub München. Bild: Peter Knoll.im Internationalen PresseClub
Voll bei der Sache: Das Auditorium des TELI-Jour-fixe im Dialog mit dem Referenten. Bild: Peter Knoll.

Im Großen und Ganzen gab Dedo Weigert, was die Blaulicht-Problematik anbelangt, Entwarnung und schloss mit ein paar einfachen und praktischen Hinweisen:

  • Man solle den direkten Blick in High-Brightness-LEDs vermeiden, obgleich natürlich gealterte Augenlinsen die Gefahr für das Auge etwas verringern.
  • Kinder und Personen mit künstlichen Linsen unterlägen indes einer höheren Gefährdung, und zwar nicht nur durch den Blue-Peak von LEDs, sondern auch durch UV-Anteile. Die größere Gefahr gehe von Sonnenlicht aus, das im Blaubereich noch wesentlich intensiver sei.
  • Was Computer- und Fernseh-Bildschirme und Handy-Displays betreffe, lägen noch keine gesicherten wissenschaftlichen Erkenntnisse vor. Man solle die Gefahren aber nicht unterschätzen und Schutzmaßnahmen anstreben, denn die verbauten Hintergrundbeleuchtungen, seien es Kaltlicht-Kathodenlampen (Leuchtstoffröhren) oder Weißlicht-LED strahlten, wie die so genannten Energiesparlampen, ebenfalls Licht mit einem hohen Blauanteil aus.

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