Lichttechnik und Lichtmessung
Licht lässt sich nicht nur wahrnehmen, sondern auch messen, berechnen und gezielt beeinflussen. Die Lichttechnik beschäftigt sich mit den physikalischen und technischen Eigenschaften von Lichtquellen, ihrer Lichtverteilung und ihrer Wirkung auf beleuchtete Flächen und Räume. Sie schafft damit die Grundlage für die Entwicklung, Bewertung und Planung leistungsfähiger Beleuchtungssysteme.
Dabei stellen sich grundlegende Fragen: Wie viel Licht gibt eine Lichtquelle insgesamt ab? Wie stark strahlt sie in eine bestimmte Richtung? Welche Beleuchtungsstärke erreicht eine Oberfläche? Warum erscheint eine gleichmäßig leuchtende Fläche angenehm, während eine andere trotz vergleichbarer Lichtleistung blendet?
Zur Beantwortung dieser Fragen verwendet die Lichttechnik exakt definierte Messgrößen. Die wichtigsten sind der Lichtstrom in Lumen (lm), die Lichtstärke in Candela (cd), die Beleuchtungsstärke in Lux (lx) und die Leuchtdichte in Candela pro Quadratmeter (cd/m²). Obwohl diese Größen miteinander zusammenhängen, beschreiben sie unterschiedliche Eigenschaften des Lichts.
Insbesondere bei modernen LED-Systemen ist die Unterscheidung entscheidend. LEDs ermöglichen eine gezielte Steuerung der Lichtverteilung, eine hohe elektrische Effizienz und die Konstruktion sowohl punktförmiger als auch großflächiger Lichtquellen. Um ihre tatsächlichen Eigenschaften zu bestimmen, sind geeignete Messverfahren und reproduzierbare Messbedingungen erforderlich.
Dieses Kapitel vermittelt die Grundlagen der Photometrie, erklärt die Zusammenhänge der wichtigsten lichttechnischen Größen und zeigt, wie sich Beleuchtung objektiv bewerten lässt. Darüber hinaus werden die Messverfahren vorgestellt, mit denen Lichtquellen, LED-Module, Leuchten und beleuchtete Oberflächen untersucht werden.
Was ist Lichttechnik?
Die Lichttechnik ist ein interdisziplinäres Fachgebiet, das Erkenntnisse aus Physik, Optik, Elektrotechnik, Messtechnik und Wahrnehmungsphysiologie miteinander verbindet.
Ihr Ziel besteht darin, Lichtquellen und Beleuchtungssysteme so zu beschreiben, dass ihre Eigenschaften objektiv ermittelt und ihre Wirkung für unterschiedliche Anwendungen vorhergesagt werden kann.
Während die physikalische Optik beispielsweise die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen, Reflexion oder Brechung untersucht, beschäftigt sich die Lichttechnik mit deren praktischer Anwendung. Sie betrachtet, wie Licht erzeugt, gelenkt, verteilt und genutzt wird.
Daraus ergeben sich zahlreiche technische Fragestellungen:
- Welche Lichtmenge erzeugt eine bestimmte Lichtquelle?
- Wie verteilt sich diese Lichtmenge im Raum?
- Welche Beleuchtungsstärke entsteht an einem festgelegten Ort?
- Wie hell erscheint eine beleuchtete oder selbstleuchtende Oberfläche?
- Wie lassen sich Lichtquellen unter vergleichbaren Bedingungen messen?
- Wie beeinflussen optische Systeme, Diffusoren und Oberflächen die Lichtverteilung?
Diese Fragen sind sowohl für die klassische Raumbeleuchtung als auch für die Entwicklung moderner LED-Leuchten, hinterleuchteter Bauteile und großflächiger Lichtsysteme relevant.
Der Unterschied zwischen Licht und Beleuchtung
In der Lichttechnik wird zwischen den Eigenschaften einer Lichtquelle und den Eigenschaften der von ihr erzeugten Beleuchtung unterschieden.
Eine Lichtquelle besitzt beispielsweise einen bestimmten Lichtstrom und eine bestimmte räumliche Lichtstärkeverteilung. Die Beleuchtungsstärke auf einer Arbeitsfläche hängt dagegen zusätzlich von der Anordnung der Lichtquelle, ihrem Abstand zur Fläche, ihrer Ausrichtung und der Umgebung ab.
Dies bedeutet: Zwei Lichtquellen mit identischem Lichtstrom können völlig unterschiedliche Beleuchtungsergebnisse erzeugen.
Ein breit abstrahlendes LED-Panel verteilt das Licht über einen großen Raumwinkel. Ein eng bündelnder LED-Strahler konzentriert dagegen einen erheblichen Anteil seines Lichtstroms auf eine vergleichsweise kleine Fläche. Die beleuchtete Fläche kann dadurch beim Strahler wesentlich höhere Beleuchtungsstärken erreichen, obwohl beide Systeme insgesamt gleich viel Licht abgeben.
Photometrie und Radiometrie: Zwei Arten, Licht zu beschreiben
Die objektive Lichtmessung basiert auf zwei eng miteinander verbundenen Teilgebieten: der Radiometrie und der Photometrie.
Radiometrie – die physikalische Messung optischer Strahlung
Die Radiometrie beschreibt elektromagnetische Strahlung anhand ihrer physikalischen Energie und Leistung.
Dabei wird zunächst nicht berücksichtigt, ob die Strahlung für den Menschen sichtbar ist oder wie hell sie erscheint. Die radiometrische Strahlungsleistung wird in Watt (W) angegeben.
Eine optische Strahlungsquelle kann beispielsweise Energie im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Spektralbereich abgeben. Für die radiometrische Bewertung ist zunächst die tatsächlich transportierte Strahlungsleistung entscheidend.
Die spektrale Verteilung dieser Leistung zeigt, welcher Anteil auf welche Wellenlängen entfällt.
Photometrie – Lichtmessung unter Berücksichtigung des menschlichen Sehens
Die Photometrie beschreibt optische Strahlung unter Berücksichtigung der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges.
Das Auge reagiert auf verschiedene Wellenlängen unterschiedlich empfindlich. Unter photopischen Bedingungen, also beim Tagessehen, liegt die maximale spektrale Hellempfindlichkeit im grün-gelben Bereich bei ungefähr 555 Nanometern.
Die international definierte Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) beschreibt diese unterschiedliche Gewichtung der Wellenlängen.
Daraus folgt: Zwei Lichtquellen können dieselbe optische Strahlungsleistung besitzen und dennoch unterschiedlich große Lichtströme erzeugen. Entscheidend ist, wie sich ihre Strahlungsleistung über das sichtbare Spektrum verteilt.
Die photometrische Bewertung verbindet somit messbare physikalische Strahlung mit einem standardisierten Modell der menschlichen Hellempfindlichkeit.
Warum 683 Lumen pro Watt eine besondere Bedeutung haben
Die SI-Definition der Candela basiert auf einer festgelegten photometrischen Strahlungswirksamkeit von 683 Lumen pro Watt für monochromatische Strahlung mit einer Frequenz von 540 Terahertz. Dies entspricht ungefähr einer Wellenlänge von 555 Nanometern in Luft.
Dieser Wert beschreibt eine Beziehung zwischen optischer Strahlungsleistung und photometrischem Lichtstrom. Er ist nicht mit der elektrischen Lichtausbeute einer LED-Leuchte gleichzusetzen.
Die tatsächliche Lichtausbeute einer LED-Leuchte wird in Lumen pro Watt elektrischer Leistungsaufnahme angegeben und berücksichtigt die Umwandlung elektrischer Energie in sichtbares Licht sowie gegebenenfalls weitere Verluste im Gesamtsystem.
Die vier wichtigsten lichttechnischen Größen
Um Lichtquellen und Beleuchtungssituationen fachgerecht zu beschreiben, müssen vier grundlegende photometrische Größen unterschieden werden.
| Größe | Formelzeichen | Einheit | Bedeutung |
|---|---|---|---|
| Lichtstrom | Φᵥ | Lumen (lm) | Gesamte photometrisch bewertete Lichtleistung |
| Lichtstärke | Iᵥ | Candela (cd) | Lichtstrom je Raumwinkel in einer bestimmten Richtung |
| Beleuchtungsstärke | Eᵥ | Lux (lx) | Auftreffender Lichtstrom je Flächeneinheit |
| Leuchtdichte | Lᵥ | cd/m² | Lichtstärke je projizierter Fläche in Betrachtungsrichtung |
Diese Größen beschreiben verschiedene Aspekte desselben optischen Vorgangs. Erst ihre gemeinsame Betrachtung ermöglicht eine fundierte lichttechnische Bewertung.
Lichtstrom – wie viel Licht eine Lichtquelle insgesamt abgibt
Der Lichtstrom Φᵥ wird in Lumen (lm) angegeben. Er beschreibt die gesamte photometrisch bewertete Strahlungsleistung einer Lichtquelle.
Er ist damit eine zentrale Vergleichsgröße für Lampen, LED-Module und Leuchten.
Ein LED-Modul mit einem Lichtstrom von 2.000 Lumen gibt insgesamt doppelt so viel Lichtstrom ab wie ein Modul mit 1.000 Lumen. Daraus folgt jedoch nicht automatisch, dass eine bestimmte Oberfläche doppelt so stark beleuchtet wird.
Die tatsächlich erreichte Beleuchtungsstärke hängt unter anderem davon ab, welcher Anteil des Lichtstroms die betreffende Oberfläche erreicht und auf welche Fläche er verteilt wird.
Auch bei LED-Produkten ist entscheidend, worauf sich die Lumenangabe bezieht: auf einzelne LED-Bauteile, ein vollständiges LED-Modul oder die gesamte Leuchte einschließlich ihrer optischen Komponenten.
Diffusoren, Abdeckungen, Reflektoren und andere optische Bauteile können die Lichtverteilung verändern und gleichzeitig optische Verluste verursachen.
Lichtstärke – wie viel Licht in eine bestimmte Richtung abgegeben wird
Die Lichtstärke Iᵥ wird in Candela (cd) gemessen. Sie beschreibt die Konzentration des Lichtstroms in einer bestimmten Raumrichtung.
Mathematisch ist sie als Lichtstrom je Raumwinkel definiert:
Iᵥ = dΦᵥ / dΩ
Dabei bezeichnet Ω den Raumwinkel, der in Steradiant (sr) gemessen wird.
Eine Lichtquelle, die ihr Licht stark bündelt, kann in ihrer Hauptabstrahlrichtung eine hohe Lichtstärke aufweisen. Eine breit abstrahlende Lichtquelle verteilt denselben Lichtstrom dagegen über einen größeren Raumwinkel und erreicht deshalb in vielen Richtungen eine geringere Lichtstärke.
Die Lichtstärke ist damit insbesondere für die Beurteilung gerichteter Leuchten und die Berechnung von Beleuchtungsstärken von Bedeutung.
Beleuchtungsstärke – wie viel Licht auf einer Fläche ankommt
Die Beleuchtungsstärke Eᵥ wird in Lux (lx) angegeben.
Ein Lux entspricht einem Lumen pro Quadratmeter:
1 lx = 1 lm/m²
Die Beleuchtungsstärke beschreibt den auf eine Fläche auftreffenden Lichtstrom bezogen auf deren Größe.
Trifft beispielsweise ein Lichtstrom von 2.000 Lumen vollständig und gleichmäßig auf eine Fläche von 10 Quadratmetern, beträgt die mittlere Beleuchtungsstärke unter diesen idealisierten Bedingungen 200 Lux.
In der Praxis wird diese idealisierte Situation selten erreicht. Ein Teil des Lichts gelangt auf andere Flächen, wird absorbiert oder durch optische Komponenten umgelenkt.
Für die Bewertung einer realen Beleuchtung sind daher die räumliche Lichtverteilung, die Anordnung der Leuchten sowie Reflexion und Absorption in der Umgebung zu berücksichtigen.
Die Beleuchtungsstärke gehört zu den wichtigsten Planungs- und Messgrößen für Arbeitsplätze, Innenräume und zahlreiche technische Anwendungen.
Leuchtdichte – wie hell eine Oberfläche erscheint
Die Leuchtdichte Lᵥ wird in Candela pro Quadratmeter (cd/m²) angegeben.
Sie beschreibt die Lichtstärke, die von einer realen oder gedachten Oberfläche je projizierter Flächeneinheit in eine bestimmte Richtung ausgeht.
Damit unterscheidet sie sich grundlegend von der Beleuchtungsstärke.
Während die Beleuchtungsstärke beschreibt, wie viel Licht auf eine Oberfläche trifft, beschreibt die Leuchtdichte das Licht, das von dieser Oberfläche in Richtung des Betrachters abgegeben wird.
Eine Oberfläche kann selbst Licht erzeugen, beispielsweise die Abdeckung eines LED-Panels. Sie kann jedoch auch Licht reflektieren, etwa eine beleuchtete Wand.
In beiden Fällen ist die Leuchtdichte für den visuellen Eindruck von besonderer Bedeutung. Die tatsächlich empfundene Helligkeit hängt zusätzlich von den Eigenschaften des visuellen Systems, dem Umfeld und dem Adaptationszustand des Auges ab.
Wie hängen Lumen, Candela, Lux und Leuchtdichte zusammen?
Die vier photometrischen Größen bilden keinen einfachen linearen Umrechnungsweg. Sie betrachten dieselbe Lichtausbreitung unter unterschiedlichen geometrischen Bedingungen.
Der Lichtstrom gibt die gesamte abgegebene Lichtmenge einer Quelle an. Die Lichtstärke beschreibt ihre Verteilung auf bestimmte Raumrichtungen. Aus der Lichtstärkeverteilung, der Geometrie und dem Abstand ergibt sich die Beleuchtungsstärke an einem bestimmten Ort.
Die Leuchtdichte beschreibt schließlich die Lichtabgabe einer betrachteten Oberfläche je projizierter Flächeneinheit und Raumrichtung.
Ein wichtiger Zusammenhang lautet daher: Gleicher Lichtstrom bedeutet nicht gleiche Beleuchtungsstärke – und gleiche Beleuchtungsstärke bedeutet nicht gleiche wahrgenommene Helligkeit.
Warum ein Vergleich allein über Lumen nicht ausreicht
Betrachten wir zwei Leuchten mit jeweils 3.000 Lumen.
Leuchte A ist ein eng bündelnder Strahler. Leuchte B ist ein großflächiges LED-Panel mit breiter Lichtverteilung.
Obwohl beide Leuchten denselben Lichtstrom besitzen, verteilt Leuchte A einen größeren Anteil des Lichts in einem begrenzten Raumwinkel. Auf einer kleinen Fläche in der Hauptabstrahlrichtung kann sie daher eine hohe Beleuchtungsstärke erzielen.
Leuchte B verteilt ihr Licht über einen größeren Bereich. Die Beleuchtungsstärke an einzelnen Punkten kann niedriger ausfallen, obwohl der Gesamtlichtstrom identisch ist.
Die Unterschiede lassen sich deshalb erst mit zusätzlichen Angaben zur Lichtstärkeverteilung und zur Beleuchtungsgeometrie sachgerecht beurteilen.
Das photometrische Entfernungsgesetz
Eine grundlegende Beziehung der Lichttechnik beschreibt, wie die Beleuchtungsstärke mit dem Abstand von einer Lichtquelle abnimmt.
Bei einer punktförmigen Lichtquelle oder einer Quelle, die aus ausreichend großer Entfernung näherungsweise als punktförmig betrachtet werden kann, gilt das quadratische Entfernungsgesetz.
Für eine senkrecht zur Strahlungsrichtung ausgerichtete Fläche lautet die Beziehung:
Eᵥ = Iᵥ / r²
Dabei gilt:
Eᵥ = Beleuchtungsstärke in Lux
Iᵥ = Lichtstärke in Richtung des Messpunktes in Candela
r = Entfernung zwischen Lichtquelle und Messpunkt in Metern
Verdoppelt sich die Entfernung, sinkt die Beleuchtungsstärke unter diesen Voraussetzungen auf ein Viertel des ursprünglichen Wertes.
Rechenbeispiel: Einfluss des Abstands
Eine Lichtquelle besitzt in der betrachteten Richtung eine Lichtstärke von 600 Candela.
Bei einer Entfernung von 2 Metern ergibt sich:
Eᵥ = 600 cd / (2 m)² = 150 lx
Bei einer Entfernung von 4 Metern ergibt sich:
Eᵥ = 600 cd / (4 m)² = 37,5 lx
Die Verdoppelung des Abstands reduziert die Beleuchtungsstärke somit von 150 Lux auf 37,5 Lux.
Trifft das Licht schräg auf die Messfläche, muss zusätzlich der Einfallswinkel berücksichtigt werden. Für eine gerichtete Punktquelle wird die Beleuchtungsstärke mit dem Kosinus des Einfallswinkels gewichtet.
Warum das Entfernungsgesetz bei LED-Flächen nicht immer unmittelbar gilt
Das quadratische Entfernungsgesetz ist eine Näherung für punktförmige Lichtquellen beziehungsweise für ausreichend große Messabstände.
Bei ausgedehnten Lichtquellen, beispielsweise großen LED-Panels oder hinterleuchteten Flächen, kann diese Voraussetzung im Nahbereich nicht erfüllt sein.
Die Beleuchtungsstärke ergibt sich dann aus den Beiträgen vieler einzelner Flächenelemente. Die räumliche Ausdehnung, Abstrahlcharakteristik und Position der gesamten Lichtfläche müssen berücksichtigt werden.
Für die Entwicklung und Bewertung großflächiger LED-Systeme ist diese Unterscheidung besonders wichtig.
Lichtverteilung und Abstrahlcharakteristik
Neben dem Gesamtlichtstrom gehört die räumliche Lichtverteilung zu den entscheidenden Eigenschaften einer Leuchte.
Sie beschreibt, wie die abgegebene Lichtstärke von der jeweiligen Richtung abhängt.
Bei symmetrischen Leuchten kann die Verteilung rotationssymmetrisch sein. Bei anderen optischen Systemen entstehen asymmetrische oder gezielt gerichtete Verteilungen.
Diese Eigenschaften beeinflussen die Beleuchtungsstärkeverteilung, die Gleichmäßigkeit einer Beleuchtung und die Möglichkeit, Licht gezielt auf bestimmte Bereiche zu konzentrieren.
Lichtstärkeverteilungskurven
Die räumliche Lichtverteilung wird häufig mit sogenannten Lichtstärkeverteilungskurven, kurz LVK, dargestellt.
Dabei wird die Lichtstärke in Abhängigkeit vom Abstrahlwinkel in einem Polardiagramm aufgetragen.
Solche Diagramme zeigen beispielsweise, ob eine Leuchte breit abstrahlt, einen engen Lichtkegel erzeugt oder bestimmte Richtungen bevorzugt.
Je nach Leuchtentyp werden verschiedene Messebenen betrachtet, beispielsweise C0–C180 und C90–C270.
Die Daten können als absolute Lichtstärke in Candela oder als auf einen Bezugslichtstrom normierte Lichtstärke, beispielsweise in cd/klm, dargestellt werden.
Lichtstärkeverteilungskurven sind eine wichtige Grundlage für lichttechnische Berechnungen und computergestützte Beleuchtungsplanung.
Optische Systeme verändern die Lichtverteilung
Die Lichtverteilung eines LED-Systems wird nicht ausschließlich durch den LED-Chip bestimmt.
Linsen, Reflektoren, Diffusoren, Lichtleiter und Abdeckungen können die Abstrahlung gezielt verändern.
Ein Diffusor kann beispielsweise die sichtbare Struktur einzelner LEDs abschwächen und die Lichtabgabe über eine größere Fläche verteilen. Ein Reflektor oder eine Linse kann Licht dagegen in bevorzugte Richtungen bündeln.
Entscheidend ist dabei die Unterscheidung zwischen Lichtumverteilung und Lichtverlust.
Eine optische Komponente kann die räumliche Lichtverteilung verändern, ohne dass der Gesamtlichtstrom im gleichen Verhältnis verändert wird. Reale optische Bauteile verursachen allerdings meist zusätzliche Verluste durch Absorption, Reflexion oder Streuung in unerwünschte Richtungen.
Lichttechnik bei großflächigen LED-Systemen
Die Entwicklung großflächiger LED-Beleuchtung stellt besondere Anforderungen an die lichttechnische Bewertung.
Bei einer herkömmlichen gerichteten Leuchte stehen häufig der Gesamtlichtstrom, die Lichtstärkeverteilung und die resultierende Beleuchtungsstärke im Vordergrund.
Bei einer selbstleuchtenden Fläche, beispielsweise einer hinterleuchteten Acrylplatte oder einem LED-Lichtpanel, treten weitere Größen hinzu.
Hier ist nicht nur entscheidend, wie viel Licht abgegeben wird. Ebenso wichtig ist, wie sich die Leuchtdichte über die gesamte sichtbare Fläche verteilt.
Gleichmäßige Leuchtdichte
Eine gleichmäßig leuchtende Fläche zeichnet sich dadurch aus, dass über ihre Oberfläche keine störenden Helligkeitsunterschiede erkennbar sind.
In der Praxis können jedoch lokale Maxima und Minima auftreten. Typische Ursachen sind die Anordnung der LEDs, unterschiedliche Abstände zum Diffusor, die Geometrie des Gehäuses oder lokale Veränderungen der optischen Eigenschaften.
Die Gleichmäßigkeit kann durch Leuchtdichtemessungen an definierten Messpunkten oder mit einem bildgebenden Leuchtdichtemesssystem untersucht werden.
Eine mögliche Kennzahl ist das Verhältnis der minimalen zur mittleren Leuchtdichte:
U = Lmin / Lmittel
Der konkrete Aussagewert dieser Kennzahl hängt vom verwendeten Messraster, der Messgeometrie und der festgelegten Bewertungsmethode ab. Für belastbare Vergleiche müssen diese Bedingungen identisch sein.
Zusammenhang zwischen Diffusion, Effizienz und Leuchtdichte
Diffusoren werden eingesetzt, um Licht räumlich umzuverteilen und die Sichtbarkeit einzelner LEDs zu reduzieren.
Eine stärkere Streuung kann die Homogenität einer Lichtfläche verbessern. Gleichzeitig kann ein Diffusor den nutzbaren Lichtstrom vermindern, beispielsweise durch zusätzliche Absorption.
Die optimale Auslegung erfordert daher einen Ausgleich zwischen Lichtdurchlässigkeit, Streuwirkung, konstruktivem Aufbau und gewünschter Leuchtdichteverteilung.
Auch der Abstand zwischen LED-Ebene und sichtbarer Oberfläche beeinflusst das Ergebnis.
Die Beurteilung einer solchen Konstruktion ist deshalb nicht allein anhand des Lichtstroms der eingesetzten LEDs möglich. Ausschlaggebend ist die optische Leistung des vollständigen Systems.
Lichtmessung: Wie werden lichttechnische Größen ermittelt?
Damit lichttechnische Eigenschaften objektiv verglichen werden können, müssen sie mit geeigneten Messgeräten erfasst werden.
Je nach Fragestellung kommen unterschiedliche Messprinzipien zum Einsatz.
Ein Luxmeter misst die Beleuchtungsstärke an einem bestimmten Ort. Ein Leuchtdichtemessgerät erfasst die Leuchtdichte einer betrachteten Oberfläche. Ein spektrales Messgerät bestimmt die Verteilung der Strahlung über die Wellenlänge.
Für die Bestimmung des Gesamtlichtstroms und der räumlichen Lichtverteilung werden häufig besondere photometrische Messsysteme eingesetzt.
Luxmeter – Messung der Beleuchtungsstärke
Das Luxmeter gehört zu den gebräuchlichsten lichttechnischen Messgeräten.
Es besitzt einen lichtempfindlichen Sensor, dessen spektrale Empfindlichkeit möglichst gut an die standardisierte photopische Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) angepasst ist.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Winkelabhängigkeit des Sensors. Für die Messung der Beleuchtungsstärke auf einer ebenen Fläche soll seine Richtungsbewertung dem Kosinusgesetz entsprechen.
Ein geeignetes Luxmeter kann daher die Beleuchtungsstärke an festgelegten Positionen bestimmen.
Die Messwerte werden in Lux ausgegeben.
Leuchtdichtemessgerät – Helligkeitsverteilung von Oberflächen
Leuchtdichtemessgeräte erfassen die Leuchtdichte einer Oberfläche innerhalb eines definierten Messfeldes und aus einer festgelegten Betrachtungsrichtung.
Sie werden beispielsweise zur Untersuchung von Displays, Lichtflächen, Leuchten und beleuchteten Materialien verwendet.
Für großflächige Lichtquellen können bildgebende Messsysteme eingesetzt werden. Diese ermöglichen die Aufnahme einer räumlichen Leuchtdichteverteilung und erleichtern die Erkennung lokaler Helligkeitsunterschiede.
Spektrometer und Spektroradiometer – Untersuchung des Lichtspektrums
Ein Spektrometer zerlegt optische Strahlung nach ihrer Wellenlänge.
Die resultierende spektrale Verteilung zeigt, welche Wellenlängen in welcher relativen Intensität vertreten sind.
Ein geeignet kalibriertes Spektroradiometer ermöglicht darüber hinaus quantitative radiometrische Messungen.
Auf Grundlage spektraler Messdaten können unter anderem Farbort, ähnlichste Farbtemperatur und Farbwiedergabekennwerte berechnet werden.
Damit besteht eine unmittelbare Verbindung zwischen der Lichtmessung und den Verfahren der Farbmetrik.
Ulbricht-Kugel – Messung des gesamten Lichtstroms
Die Ulbricht-Kugel, auch Integrationskugel genannt, besitzt eine diffus reflektierende Innenbeschichtung.
Ihre Aufgabe besteht darin, Licht aus unterschiedlichen Richtungen räumlich zu integrieren.
Mit einem geeigneten und kalibrierten Messaufbau kann der Gesamtlichtstrom einer Lichtquelle bestimmt werden.
In Kombination mit einem Spektroradiometer lassen sich zusätzlich spektrale und daraus abgeleitete farbmetrische Eigenschaften erfassen.
Die Ulbricht-Kugel ist damit ein wichtiges Instrument für die Untersuchung von LED-Lichtquellen und LED-Modulen.
Goniophotometer – Messung der räumlichen Lichtverteilung
Ein Goniophotometer bestimmt die räumliche Lichtstärkeverteilung einer Lichtquelle.
Dazu wird die Lichtabgabe unter unterschiedlichen Winkeln gemessen. Aus den Messwerten entsteht eine Beschreibung der Abstrahlcharakteristik.
Bei geeigneter Messanordnung kann aus der vollständigen räumlichen Lichtverteilung auch der Gesamtlichtstrom berechnet werden.
Goniophotometrische Daten sind eine wesentliche Grundlage für Lichtstärkeverteilungskurven und photometrische Datensätze, die in Lichtplanungsprogrammen verwendet werden.
Vergleichbarkeit und Genauigkeit lichttechnischer Messungen
Eine lichttechnische Messung ist nur dann aussagekräftig, wenn die Messbedingungen bekannt und ausreichend kontrolliert sind.
Bei LED-Systemen ist dieser Punkt besonders wichtig, weil ihre Eigenschaften durch Temperatur, elektrische Betriebsbedingungen und optische Komponenten beeinflusst werden können.
Temperatur und Betriebszustand
Die Lichtabgabe einer LED hängt unter anderem von ihrer Temperatur ab.
Während des Betriebs erwärmt sich das System. Dadurch können sich Lichtstrom und spektrale Eigenschaften verändern.
Für reproduzierbare Messungen muss deshalb ein definierter Betriebszustand erreicht werden. Auch die elektrische Versorgung, die Betriebsleistung und gegebenenfalls die Dimmstellung müssen berücksichtigt werden.
Eine Messung unmittelbar nach dem Einschalten kann unter Umständen andere Werte ergeben als eine Messung nach ausreichender thermischer Stabilisierung.
Messgeometrie
Abstand, Ausrichtung und Position des Messgerätes beeinflussen das Ergebnis.
Bei einer Beleuchtungsstärkemessung muss beispielsweise festgelegt werden, auf welcher Ebene gemessen wird und wie der Sensor ausgerichtet ist.
Bei Leuchtdichtemessungen sind zusätzlich die Betrachtungsrichtung und die Größe des erfassten Messfeldes relevant.
Insbesondere bei ausgedehnten oder strukturierten Lichtquellen kann eine veränderte Messgeometrie zu deutlich unterschiedlichen Ergebnissen führen.
Kalibrierung und Messunsicherheit
Jedes reale Messgerät besitzt eine begrenzte Genauigkeit.
Fehler können unter anderem durch eine unzureichende spektrale Anpassung, Winkelabweichungen, Streulicht, Temperaturveränderungen oder eine nicht mehr gültige Kalibrierung entstehen.
Messwerte sollten daher stets im Zusammenhang mit der verwendeten Messmethode und ihrer Messunsicherheit betrachtet werden.
Für die professionelle Charakterisierung von LED-Produkten bilden standardisierte Verfahren eine wichtige Grundlage.
Die internationale Norm CIE S 025/E:2015 beschreibt beispielsweise Anforderungen an reproduzierbare photometrische und farbmetrische Messungen von LED-Lampen, LED-Modulen und LED-Leuchten.
Lichttechnische Messwerte richtig interpretieren
Technische Datenblätter enthalten häufig zahlreiche Kenngrößen, die für sich genommen nur einen Teil der Eigenschaften eines Beleuchtungssystems beschreiben.
Ein hoher Lichtstrom bedeutet beispielsweise nicht zwangsläufig, dass eine Beleuchtungsaufgabe besonders gut erfüllt wird.
Entscheidend ist auch, wie das Licht verteilt wird und welche Beleuchtungsstärken tatsächlich auf den relevanten Flächen entstehen.
Ebenso reicht eine hohe elektrische Lichtausbeute nicht aus, um die visuelle Qualität einer Lichtquelle vollständig zu beurteilen.
Farbwiedergabe, spektrale Zusammensetzung, räumliche Homogenität, Blendung und zeitliche Schwankungen des Lichts können für eine Anwendung von erheblicher Bedeutung sein.
Eine umfassende lichttechnische Bewertung kombiniert deshalb mehrere Messgrößen.
| Fragestellung | Relevante Größe oder Messung |
|---|---|
| Wie viel Licht gibt die Leuchte insgesamt ab? | Lichtstrom in lm |
| Wie stark wird das Licht in eine Richtung gebündelt? | Lichtstärke in cd, Lichtstärkeverteilung |
| Wie viel Licht erreicht die Arbeitsfläche? | Beleuchtungsstärke in lx |
| Wie hell erscheint eine Lichtfläche? | Leuchtdichte in cd/m² |
| Wie gleichmäßig leuchtet eine LED-Fläche? | Räumliche Leuchtdichteverteilung |
| Welche spektrale Zusammensetzung besitzt das Licht? | Spektrale Messung |
| Wie effizient arbeitet das vollständige System? | Lichtausbeute in lm/W |
| Wie verändert sich das Licht während des Betriebs? | Messung unter definierten Betriebs- und Zeitbedingungen |
Praxisbeispiel: Bewertung einer hinterleuchteten LED-Fläche
Betrachten wir eine rechteckige Lichtfläche, die mithilfe mehrerer LED-Module und eines Diffusors hinterleuchtet wird.
Zunächst ist der Lichtstrom der verwendeten LED-Module bekannt. Diese Angabe liefert eine erste Orientierung über die verfügbare Lichtmenge.
Für die tatsächliche Bewertung der Lichtfläche reicht sie jedoch nicht aus.
Ein Teil des erzeugten Lichts kann im Gehäuse absorbiert werden oder durch optische Komponenten verloren gehen. Der Diffusor verteilt das verbleibende Licht über die sichtbare Fläche.
Entscheidend für das Erscheinungsbild ist daher die resultierende Leuchtdichteverteilung.
Mit einem Leuchtdichtemessgerät oder einer geeigneten Leuchtdichtekamera kann untersucht werden, ob die Fläche gleichmäßig leuchtet oder örtliche Abweichungen aufweist.
Zusätzlich lässt sich die Beleuchtungsstärke messen, die das System in einem bestimmten Abstand auf einer anderen Oberfläche erzeugt.
Auf diese Weise entstehen unterschiedliche, sich ergänzende Informationen:
Die Leuchtdichte beschreibt das Erscheinungsbild der sichtbaren Lichtfläche. Die Beleuchtungsstärke charakterisiert einen Teil ihrer Wirkung auf die Umgebung. Der Lichtstrom dient zur Beurteilung der insgesamt abgegebenen Lichtmenge.
Erst die gemeinsame Auswertung ermöglicht eine technisch fundierte Bewertung des Gesamtsystems.
Häufig gestellte Fragen zur Lichttechnik und Lichtmessung
Was ist der Unterschied zwischen Lumen und Lux?
Lumen beschreibt den gesamten Lichtstrom einer Lichtquelle. Lux beschreibt die Beleuchtungsstärke auf einer Fläche.
Ein Lux entspricht einem Lumen pro Quadratmeter. Die Beleuchtungsstärke hängt jedoch nicht nur vom Lichtstrom, sondern auch von seiner räumlichen Verteilung und den geometrischen Bedingungen ab.
Was ist der Unterschied zwischen Lux und Candela?
Candela beschreibt die Lichtstärke einer Lichtquelle in einer bestimmten Richtung. Lux beschreibt die Beleuchtungsstärke, die auf einer Fläche entsteht.
Zwischen beiden Größen besteht über die Entfernung und die Einfallsgeometrie ein mathematischer Zusammenhang. Sie können deshalb nicht ohne zusätzliche Angaben unmittelbar ineinander umgerechnet werden.
Was bedeutet cd/m² bei einer LED-Leuchte?
Die Einheit Candela pro Quadratmeter beschreibt die Leuchtdichte.
Sie gibt an, welche Lichtstärke eine Oberfläche bezogen auf ihre projizierte Fläche in eine bestimmte Betrachtungsrichtung abgibt.
Die Leuchtdichte wird insbesondere zur Bewertung selbstleuchtender Flächen, Displays und sichtbarer Leuchtenoberflächen eingesetzt.
Kann man die Helligkeit einer Lichtquelle in Watt angeben?
Watt beschreibt eine Leistung, nicht unmittelbar die wahrgenommene Helligkeit.
Die elektrische Leistungsaufnahme einer Leuchte erlaubt ohne Kenntnis ihrer Lichtausbeute und Lichtverteilung keine zuverlässige Aussage über den erzeugten Lichtstrom oder die Beleuchtungsstärke.
Für eine fachgerechte Bewertung sind photometrische Kenngrößen erforderlich.
Kann ein Luxmeter die Lichtqualität messen?
Ein Luxmeter misst die Beleuchtungsstärke. Es kann damit eine wichtige lichttechnische Größe erfassen, aber nicht die gesamte Lichtqualität bestimmen.
Für die Untersuchung von Spektrum, Farbtemperatur und Farbwiedergabe werden zusätzliche Messverfahren benötigt. Auch räumliche Leuchtdichteunterschiede oder zeitliche Lichtschwankungen erfordern geeignete Messsysteme.
Warum sind Labormessungen von LED-Leuchten wichtig?
Labormessungen ermöglichen die Bestimmung lichttechnischer Kennwerte unter definierten Bedingungen.
Dadurch lassen sich Produkte objektiver vergleichen, technische Daten überprüfen und Planungsgrundlagen erstellen.
Insbesondere bei LED-Systemen sind die kontrollierte Temperatur, die elektrische Versorgung, die Messgeometrie und die Kalibrierung der Messgeräte entscheidend.
Von den Grundlagen zur professionellen Lichtbewertung
Lichttechnik und Lichtmessung bilden die Grundlage für eine systematische Entwicklung und Bewertung moderner Beleuchtungssysteme.
Die zentralen Größen Lichtstrom, Lichtstärke, Beleuchtungsstärke und Leuchtdichte ergänzen einander, beschreiben jedoch unterschiedliche Eigenschaften. Ihre korrekte Anwendung setzt voraus, dass sowohl die physikalischen Zusammenhänge als auch die jeweilige Messgeometrie berücksichtigt werden.
Bei LED-Systemen kommt hinzu, dass optische Komponenten, elektrische Betriebsbedingungen, Temperatur und konstruktiver Aufbau das Ergebnis beeinflussen.
Für die Entwicklung hochwertiger Beleuchtungslösungen ist daher nicht allein die erzeugte Lichtmenge entscheidend, sondern ebenso ihre räumliche Verteilung, ihre spektralen Eigenschaften und die Qualität der messtechnischen Bewertung.
Die folgenden Fachartikel vertiefen die einzelnen photometrischen Größen, ihre Berechnung und die dafür eingesetzten Messverfahren.
Weiterführende Grundlagen
Die Lichttechnik baut auf mehreren grundlegenden Wissensgebieten auf.
Im Kapitel Physik des Lichts werden Entstehung, Ausbreitung und Wechselwirkung elektromagnetischer Strahlung mit Materie erläutert.
Das Kapitel Das menschliche Sehen beschreibt den Aufbau und die Funktionsweise des visuellen Systems. Die Farbwahrnehmung erklärt, wie Lichtreize zu Farbeindrücken verarbeitet werden.
Das Kapitel Farbenlehre und Farbmetrik behandelt die mathematische und messtechnische Beschreibung von Farben sowie die Bewertung spektraler Eigenschaften von Lichtquellen.
Zusammen bilden diese Grundlagen die wissenschaftliche Basis für die praktische Anwendung moderner LED-Lichttechnik.