Das elektromagnetische Spektrum – Wellenlängen, Strahlungsarten und sichtbares Licht
Licht ist nur ein kleiner Ausschnitt einer wesentlich größeren physikalischen Erscheinung: des elektromagnetischen Spektrums. Dieses umfasst sämtliche elektromagnetischen Strahlungsarten – von langwelligen Radiowellen über Infrarotstrahlung und sichtbares Licht bis zu ultravioletter Strahlung, Röntgenstrahlung und Gammastrahlung.
Obwohl diese Strahlungsarten ganz unterschiedliche Eigenschaften und Anwendungen besitzen, beruhen sie auf denselben physikalischen Grundlagen. Sie unterscheiden sich insbesondere durch ihre Wellenlänge, Frequenz und Photonenenergie.
Für die Lichttechnik ist das elektromagnetische Spektrum von grundlegender Bedeutung. Es erklärt, warum das menschliche Auge nur bestimmte Wellenlängen wahrnehmen kann, wie unterschiedliche Lichtfarben entstehen und weshalb das Spektrum einer Lichtquelle entscheidenden Einfluss auf die Farbwiedergabe beleuchteter Materialien hat.
Was ist das elektromagnetische Spektrum?
Das elektromagnetische Spektrum beschreibt die Gesamtheit aller möglichen Frequenzen beziehungsweise Wellenlängen elektromagnetischer Strahlung.
Elektromagnetische Wellen bestehen aus zeitlich und räumlich veränderlichen elektrischen und magnetischen Feldern. Sie transportieren Energie und können sich auch durch das Vakuum ausbreiten. Im Vakuum besitzen sämtliche elektromagnetischen Wellen dieselbe Ausbreitungsgeschwindigkeit: die Lichtgeschwindigkeit von exakt 299.792.458 Metern pro Sekunde.
Die Unterschiede zwischen den Strahlungsarten ergeben sich vor allem aus ihrer Frequenz und Wellenlänge.
Langwellige elektromagnetische Strahlung besitzt eine niedrige Frequenz und eine geringe Energie pro Photon. Mit abnehmender Wellenlänge steigen Frequenz und Photonenenergie.
Das elektromagnetische Spektrum erstreckt sich über einen außerordentlich großen Bereich. Während manche Radiowellen mehrere Kilometer lang sein können, besitzen hochenergetische Photonen der Röntgen- oder Gammastrahlung Wellenlängen, die deutlich kleiner als die Abmessungen einzelner Atome sind.
Das sichtbare Licht nimmt innerhalb dieses Spektrums nur einen sehr schmalen Bereich ein.
Die Bereiche des elektromagnetischen Spektrums
Zur besseren Beschreibung wird das elektromagnetische Spektrum in mehrere Bereiche eingeteilt. Diese Einteilung orientiert sich an Wellenlänge, Frequenz, Entstehung und typischen Anwendungen.
| Strahlungsbereich | Typischer Wellenlängenbereich | Beispiele und Anwendungen |
|---|---|---|
| Radiowellen | Größer als etwa 1 m | Rundfunk, Funkkommunikation |
| Mikrowellen | Etwa 1 m bis 1 mm | Radar, Mobilfunk, Mikrowellentechnik |
| Infrarotstrahlung | 780 nm bis 1 mm | Wärmestrahlung, Sensorik, Wärmebildtechnik |
| Sichtbares Licht | Etwa 380 bis 780 nm | Sehen, Beleuchtung, optische Systeme |
| Ultraviolettstrahlung | 100 bis 400 nm im Bereich optischer Strahlung | Photochemie, UV-Härtung, Desinfektion |
| Röntgenstrahlung | Sehr kurze Wellenlängen im Nanometer- und Subnanometerbereich | Medizinische Bildgebung, Materialprüfung |
| Gammastrahlung | Überwiegend extrem kurze Wellenlängen | Kernphysik, medizinische und industrielle Anwendungen |
Die Bereichsgrenzen sind teilweise konventionell festgelegt und nicht überall scharf voneinander getrennt. So zählen Mikrowellen physikalisch zu den Radiowellen. Auch die Abgrenzung zwischen Röntgen- und Gammastrahlung erfolgt häufig anhand ihres Entstehungsprozesses statt ausschließlich anhand der Wellenlänge.
Ebenso existiert bei kurzen Wellenlängen unterhalb von 100 nm die zusätzliche Bezeichnung extreme ultraviolette Strahlung (EUV).
Für die Beleuchtungstechnik sind vor allem drei benachbarte Bereiche relevant: Ultraviolettstrahlung, sichtbares Licht und Infrarotstrahlung. Gemeinsam werden sie im technischen und normativen Sprachgebrauch häufig als optische Strahlung zusammengefasst.
Das sichtbare Spektrum: Welches Licht kann der Mensch wahrnehmen?
Das menschliche Auge ist darauf spezialisiert, einen begrenzten Ausschnitt des elektromagnetischen Spektrums zu erfassen.
Dieser sichtbare Bereich erstreckt sich nach einer verbreiteten technischen Festlegung ungefähr von 380 bis 780 Nanometern. Das entspricht Frequenzen von rund 385 bis 790 Terahertz.
Ein Nanometer (nm) entspricht einem milliardstel Meter.
Innerhalb des sichtbaren Bereichs werden unterschiedliche Wellenlängen bei geeigneten Beobachtungsbedingungen mit unterschiedlichen Farbeindrücken verbunden.
Die Spektralfarben und ihre Wellenlängen
| Farbe | Ungefährer Wellenlängenbereich |
|---|---|
| Violett | 380–450 nm |
| Blau | 450–495 nm |
| Grün | 495–570 nm |
| Gelb | 570–590 nm |
| Orange | 590–620 nm |
| Rot | 620–780 nm |
Die Übergänge zwischen den Farben verlaufen kontinuierlich. Es gibt keine festen physikalischen Grenzen, an denen beispielsweise Blau unmittelbar in Grün übergeht. Farbbezeichnungen und ihre Wellenlängenintervalle dienen deshalb vor allem der Orientierung.
Die tatsächliche Farbwahrnehmung ist komplexer als eine einfache Zuordnung zwischen Wellenlänge und Farbe.
Das menschliche Farbsehen beruht hauptsächlich auf drei Typen von Zapfen in der Netzhaut, deren spektrale Empfindlichkeitsbereiche sich deutlich überlappen. Das Gehirn verarbeitet die unterschiedlichen Signale dieser Rezeptoren zu einem Farbeindruck.
Eine einzelne Wellenlänge kann einen bestimmten spektralen Farbeindruck hervorrufen. Viele andere Farbeindrücke entstehen jedoch erst durch die Kombination mehrerer Wellenlängen.
So besitzt beispielsweise Magenta keine einzelne Wellenlänge innerhalb des sichtbaren Spektrums. Der entsprechende Farbeindruck kann durch eine geeignete Mischung verschiedener Spektralanteile entstehen.
Auch weißes Licht ist keine eigenständige Spektralfarbe. Es entsteht durch geeignete Kombinationen unterschiedlicher Wellenlängen, die das menschliche Sehsystem als weiß interpretiert.
Warum beginnt und endet das sichtbare Spektrum nicht exakt bei einer bestimmten Wellenlänge?
Die Grenzen des sichtbaren Spektrums hängen unter anderem von der Intensität der Strahlung, den Beobachtungsbedingungen und der individuellen Empfindlichkeit des Auges ab.
Daher findet man in der Fachliteratur unterschiedliche Angaben, beispielsweise 380–780 nm oder näherungsweise 400–700 nm.
Die Angabe 380–780 nm ist in der Lichttechnik verbreitet und wird unter anderem in europäischen Regelwerken zur optischen Strahlung verwendet.
Dass sich der konventionelle UV-Bereich von 100–400 nm und der sichtbare Bereich von 380–780 nm zwischen 380 und 400 nm überschneiden, ist deshalb kein physikalischer Widerspruch. Die entsprechenden Einteilungen beruhen auf unterschiedlichen Definitionen und Anwendungszusammenhängen.
Ultraviolette Strahlung: Jenseits des violetten Lichts
An das kurzwellige Ende des sichtbaren Spektrums schließt sich die ultraviolette Strahlung an, kurz UV-Strahlung.
Ultraviolette Strahlung besitzt kürzere Wellenlängen und entsprechend höhere Photonenenergien als das sichtbare Licht. Sie ist für den Menschen normalerweise unsichtbar, kann aber zahlreiche biologische und photochemische Wirkungen auslösen.
In der Lichttechnik wird der UV-Bereich üblicherweise in drei Teilbereiche gegliedert.
UV-A, UV-B und UV-C
| UV-Bereich | Wellenlänge | Typische Eigenschaften und Anwendungen |
|---|---|---|
| UV-A | 315–400 nm | Fluoreszenzanregung, UV-Härtung, photochemische Anwendungen |
| UV-B | 280–315 nm | Biologische Wirkungen, medizinische Spezialanwendungen |
| UV-C | 100–280 nm | Keimreduktion durch geeignete UV-C-Systeme, Spezialprozesse |
Die biologischen Wirkungen hängen stark von Wellenlänge, Bestrahlungsstärke und Expositionsdauer ab.
UV-Strahlung kann Haut und Augen schädigen. Besonders bei technischen UV-Quellen sind deshalb geeignete Schutzmaßnahmen und die geltenden Anforderungen an die photobiologische Sicherheit zu berücksichtigen.
In der LED-Technologie werden speziell entwickelte UV-LEDs unter anderem für die Aushärtung von Klebstoffen und Beschichtungen, für industrielle Prüfverfahren oder für Desinfektionsanwendungen eingesetzt.
Für normale Beleuchtungsaufgaben wird dagegen hauptsächlich sichtbare Strahlung benötigt. Bei üblichen phosphorkonvertierten weißen Beleuchtungs-LEDs ist die UV-Emission in der Regel sehr gering.
Infrarotstrahlung: Jenseits des roten Lichts
Am langwelligen Ende des sichtbaren Spektrums beginnt die Infrarotstrahlung, kurz IR-Strahlung.
Ihr Wellenlängenbereich erstreckt sich ungefähr von 780 Nanometern bis zu einem Millimeter.
Infrarotstrahlung ist für den Menschen nicht sichtbar. Sie spielt jedoch eine wichtige Rolle bei thermischen Prozessen, weil Körper aufgrund ihrer Temperatur elektromagnetische Strahlung aussenden, deren Spektrum bei alltäglichen Temperaturen überwiegend im Infrarotbereich liegt.
Die Infrarotstrahlung wird in verschiedenen Fachgebieten unterschiedlich unterteilt. Für den Arbeitsschutz und die optische Strahlung ist folgende Einteilung gebräuchlich:
| IR-Bereich | Wellenlänge |
|---|---|
| IR-A | 780–1.400 nm |
| IR-B | 1.400–3.000 nm |
| IR-C | 3.000 nm bis 1 mm |
Infrarotstrahlung wird beispielsweise in der Wärmebildtechnik, Temperaturmessung, optischen Sensorik und Datenübertragung eingesetzt.
Für die Beleuchtungstechnik ist die Unterscheidung zwischen sichtbarer und infraroter Strahlung insbesondere beim Vergleich unterschiedlicher Lichtquellen relevant.
Eine klassische Glühlampe erzeugt Licht durch die thermische Strahlung eines stark erhitzten Glühfadens. Dabei wird neben dem sichtbaren Licht ein erheblicher Anteil der abgestrahlten Energie als Infrarotstrahlung abgegeben.
Bei einer weißen LED entsteht das Licht dagegen hauptsächlich durch Elektrolumineszenz im Halbleiter und gegebenenfalls durch anschließende Lumineszenz in Konversionsmaterialien.
Deshalb ist das Spektrum einer typischen weißen Beleuchtungs-LED weitgehend auf den sichtbaren Bereich konzentriert. Das bedeutet jedoch nicht, dass eine LED keine Wärme erzeugt. Ein Teil der elektrischen Leistung wird weiterhin in Wärme umgewandelt, die über das thermische System der Leuchte abgeführt werden muss.
Der Zusammenhang zwischen Wellenlänge, Frequenz und Energie
Die verschiedenen Bereiche des elektromagnetischen Spektrums lassen sich mithilfe grundlegender physikalischer Größen beschreiben.
Die wichtigsten sind Wellenlänge, Frequenz und Photonenenergie.
Wellenlänge und Frequenz
Die Wellenlänge beschreibt den räumlichen Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Punkten gleicher Schwingungsphase einer Welle.
Die Frequenz gibt an, wie viele Schwingungen pro Sekunde stattfinden.
Beide Größen sind über die Ausbreitungsgeschwindigkeit miteinander verknüpft.
Im Vakuum gilt:
c₀ = λ · f
Dabei bezeichnet:
c₀ die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum,
λ (Lambda) die Wellenlänge,
f die Frequenz.
Da die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum konstant ist, führt eine kürzere Wellenlänge zu einer höheren Frequenz.
Die Energie eines Photons
Neben den Welleneigenschaften lässt sich elektromagnetische Strahlung auch mithilfe von Photonen beschreiben.
Die Energie eines Photons ist proportional zu seiner Frequenz:
E = h · f
Dabei ist h das Plancksche Wirkungsquantum.
Ein Photon mit einer Wellenlänge von 450 nm besitzt eine Energie von ungefähr 2,76 Elektronenvolt. Bei 650 nm beträgt sie dagegen nur etwa 1,91 Elektronenvolt.
Blaues Licht besitzt somit bei gleicher Photonenzahl eine höhere Gesamtenergie als rotes Licht. Für die gesamte Strahlungsleistung einer Lichtquelle sind jedoch zusätzlich die Anzahl beziehungsweise der Fluss der abgegebenen Photonen entscheidend.
Die mathematischen Zusammenhänge und ihre Bedeutung werden im folgenden Kapitel „Wellenlänge, Frequenz und Photonenenergie“ ausführlicher behandelt.
Wie lässt sich das sichtbare Spektrum sichtbar machen?
Eine der bekanntesten Möglichkeiten zur Darstellung des sichtbaren Spektrums ist die Zerlegung von weißem Licht durch ein Prisma.
Wenn Licht von Luft in ein transparentes Material eintritt, ändert sich seine Ausbreitungsgeschwindigkeit. Dabei kann sich auch seine Ausbreitungsrichtung verändern.
Da der Brechungsindex vieler transparenter Materialien von der Wellenlänge abhängt, werden die einzelnen Spektralanteile unterschiedlich stark abgelenkt. Dieser Effekt wird als Dispersion bezeichnet.
Bei gewöhnlichen Glasarten wird kurzwelliges violettes oder blaues Licht stärker gebrochen als langwelliges rotes Licht.
Dadurch lässt sich breitbandiges weißes Licht räumlich in seine Spektralanteile zerlegen.
Ein vergleichbares Ergebnis kann mithilfe eines Beugungsgitters erzielt werden. Hier erfolgt die spektrale Trennung durch Beugung und Interferenz statt durch wellenlängenabhängige Brechung.
Das entstehende Farbspektrum macht sichtbar, dass eine scheinbar einheitliche Lichtquelle aus vielen unterschiedlichen Wellenlängen bestehen kann.
Allerdings zeigt die Zerlegung auch Unterschiede zwischen Lichtquellen: Nicht jede weiße Lichtquelle besitzt dieselbe spektrale Zusammensetzung.
Was ist eine spektrale Leistungsverteilung?
Die spektrale Leistungsverteilung beschreibt, wie sich die abgestrahlte Leistung einer Lichtquelle auf unterschiedliche Wellenlängen verteilt.
Im Englischen wird dafür häufig die Bezeichnung Spectral Power Distribution (SPD) verwendet.
Üblicherweise wird die spektrale Leistungsverteilung als Diagramm dargestellt.
Auf der horizontalen Achse befindet sich die Wellenlänge, beispielsweise von 380 bis 780 nm.
Die vertikale Achse beschreibt die spektrale Strahlungsleistung, beispielsweise in Watt pro Nanometer (W/nm), oder eine entsprechend normierte relative Größe.
Anhand des Kurvenverlaufs lässt sich erkennen, welche Wellenlängen eine Lichtquelle besonders stark oder nur schwach abstrahlt.
Kontinuierliche, linienförmige und bandförmige Spektren
Unterschiedliche Lichtquellen können sehr unterschiedliche spektrale Verteilungen besitzen.
Ein kontinuierliches Spektrum enthält Strahlung über einen zusammenhängenden Wellenlängenbereich. Beispiele hierfür sind die näherungsweise kontinuierlichen thermischen Emissionsspektren von Glühlampen.
Ein Linienspektrum besitzt dagegen ausgeprägte, sehr schmale Emissionslinien bei bestimmten Wellenlängen. Solche Spektren entstehen beispielsweise durch elektronische Übergänge in einzelnen Atomen.
Ein bandförmiges Spektrum enthält breitere Emissionsbereiche. Solche spektralen Bänder können beispielsweise durch Lumineszenzprozesse in bestimmten Materialien entstehen.
Reale Lichtquellen können auch mehrere dieser Eigenschaften miteinander kombinieren.
Gerade moderne LED-Systeme zeigen häufig charakteristische Kombinationen aus schmalen und breitbandigen Spektralanteilen.
Warum ist das elektromagnetische Spektrum für LEDs wichtig?
Die spektralen Eigenschaften einer LED bestimmen wesentlich, welche Lichtfarben erzeugt werden können und wie beleuchtete Gegenstände erscheinen.
Eine LED emittiert durch elektronische Übergänge in einem Halbleitermaterial Licht. Die dabei entstehenden Photonen besitzen Energien, die mit den Eigenschaften des verwendeten Halbleiters zusammenhängen.
Daraus ergibt sich die charakteristische Emissionswellenlänge der LED.
Für farbiges Licht können LEDs eingesetzt werden, deren Emissionsspektren in vergleichsweise schmalen Wellenlängenbereichen liegen.
Weißes Licht lässt sich dagegen auf unterschiedliche Weise erzeugen.
Weißes LED-Licht durch Phosphorkonversion
Bei einer weitverbreiteten Bauform erzeugt ein blauer LED-Chip zunächst kurzwellige sichtbare Strahlung.
Ein Teil dieses blauen Lichts regt ein Konversionsmaterial an, das einen Teil der aufgenommenen Energie als längerwelliges Licht wieder abgibt.
Durch die Mischung des verbliebenen blauen Lichts mit der breitbandig emittierten Strahlung des Konversionsmaterials entsteht ein weißer Farbeindruck.
Die spektrale Leistungsverteilung einer solchen LED besitzt typischerweise einen ausgeprägten Emissionsbereich im Blauen sowie eine breitere Verteilung bei längeren Wellenlängen.
Durch die Auswahl und Kombination geeigneter Konversionsmaterialien lassen sich unterschiedliche Weißtöne und Farbwiedergabeeigenschaften realisieren.
Weißes Licht durch additive Farbmischung
Eine weitere Möglichkeit besteht darin, das Licht mehrerer LEDs unterschiedlicher Farben zu kombinieren.
Ein RGB-System verwendet beispielsweise rote, grüne und blaue LEDs.
Durch die geeignete Regelung der einzelnen Kanäle können zahlreiche Farbeindrücke einschließlich Weiß erzeugt werden.
Die resultierende spektrale Leistungsverteilung unterscheidet sich jedoch deutlich von der einer phosphorkonvertierten weißen LED.
Insbesondere können zwischen den einzelnen Emissionsbereichen größere spektrale Lücken bestehen.
Solche Unterschiede sind für die Farbwiedergabe von Objekten relevant, obwohl beide Lichtquellen für den Betrachter denselben weißen Farbeindruck hervorrufen können.
Warum können zwei weiße Lichtquellen unterschiedliche Farben wiedergeben?
Die Lichtfarbe einer Lichtquelle und ihre spektrale Zusammensetzung sind nicht dasselbe.
Zwei LED-Leuchten können beispielsweise dieselbe korrelierte Farbtemperatur von 3.000 Kelvin besitzen und dennoch deutlich unterschiedliche Spektren aufweisen.
Das menschliche Auge kann beide Lichtquellen als warmweiß wahrnehmen. Trotzdem können die beleuchteten Materialien unter diesen Lichtquellen unterschiedlich aussehen.
Der Grund liegt in der Wechselwirkung zwischen dem Spektrum der Lichtquelle und den spektralen Eigenschaften der beleuchteten Oberflächen.
Ein Material absorbiert, reflektiert oder transmittiert unterschiedliche Wellenlängen in unterschiedlichem Maße.
Wenn im Spektrum einer Lichtquelle bestimmte Wellenlängen nur schwach vorhanden sind, können entsprechende Farbanteile eines Materials weniger stark zur Geltung kommen.
Eine rote Oberfläche beispielsweise benötigt geeignete langwellige Spektralanteile in der Beleuchtung, um einen intensiven roten Farbeindruck hervorzurufen.
Deshalb ist die spektrale Leistungsverteilung eine wichtige Grundlage zur Bewertung der Farbwiedergabe.
Kenngrößen wie der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra oder weiterführende Farbwiedergabeverfahren versuchen, diese komplexen Eigenschaften anhand standardisierter Bewertungsverfahren zu beschreiben.
Die Farbtemperatur allein reicht hierfür nicht aus.
Bedeutung des Spektrums für Lichtflächen und architektonische Beleuchtung
Bei großflächigen Beleuchtungssystemen, hinterleuchteten Materialien und architektonischen Lichtflächen gewinnt die spektrale Zusammensetzung des Lichts zusätzliche Bedeutung.
Hier betrachtet man nicht nur die Lichtquelle selbst. Entscheidend ist das gesamte optische System, das aus LEDs, Lichtführung, reflektierenden Flächen und gegebenenfalls lichtdurchlässigen Abdeckungen oder Diffusoren besteht.
Jedes dieser Elemente kann die spektrale Zusammensetzung des austretenden Lichts beeinflussen.
Ein transluzentes Material kann beispielsweise bestimmte Wellenlängen stärker absorbieren als andere. Dadurch verändert sich die spektrale Verteilung des hindurchtretenden Lichts und damit möglicherweise auch dessen wahrgenommene Lichtfarbe.
Selbst wenn die eingesetzten LED-Module eine definierte Farbtemperatur besitzen, muss das Licht hinter einer textilen oder polymeren Abdeckung deshalb nicht exakt dieselben Farbkoordinaten aufweisen.
Bei hochwertigen Lichtflächen sind insbesondere folgende Zusammenhänge relevant:
Spektrale Eigenschaften der LEDs: Die verwendeten Lichtquellen bestimmen das Ausgangsspektrum und damit die Möglichkeiten zur Farb- und Weißlichterzeugung.
Spektrale Transmission der Abdeckung: Unterschiedliche Materialien können einzelne Spektralbereiche verschieden stark durchlassen und dadurch den Farbeindruck verändern.
Mischung mehrerer Lichtkanäle: Bei dynamischen Weißlicht- und RGB-Systemen verändert die Ansteuerung der einzelnen Kanäle das resultierende Gesamtspektrum.
Farbwiedergabe: Die spektrale Zusammensetzung beeinflusst, wie natürliche Materialien, Druckfarben, Oberflächen und Raumausstattungen unter der Lichtfläche erscheinen.
Für die technische Auslegung hochwertiger Lichtflächen ist deshalb eine rein visuelle Beurteilung der Lichtfarbe häufig nicht ausreichend. Spektrale Messungen können zusätzliche Informationen liefern, die sich aus Farbtemperatur und Lichtstrom allein nicht ableiten lassen.
Warum ist nicht jede Wellenlänge für das Auge gleich hell?
Das elektromagnetische Spektrum beschreibt zunächst physikalische Strahlung. Die menschliche Helligkeitswahrnehmung folgt jedoch einer eigenen spektralen Empfindlichkeit.
Bei Tageslichtsehen reagiert das menschliche visuelle System besonders empfindlich auf Wellenlängen im grün-gelben Spektralbereich.
Die standardisierte photopische Hellempfindlichkeitsfunktion V(λ) erreicht ihr Maximum ungefähr bei 555 nm.
Das bedeutet, dass zwei Lichtquellen mit derselben abgestrahlten Strahlungsleistung unterschiedlich hell erscheinen können, wenn sie ihre Energie bei verschiedenen Wellenlängen abgeben.
Die Photometrie berücksichtigt diese Tatsache, indem sie die physikalische Strahlungsleistung entsprechend der spektralen Hellempfindlichkeit bewertet.
Auf dieser Grundlage entstehen lichttechnische Größen wie Lichtstrom in Lumen und Beleuchtungsstärke in Lux.
Damit wird ein grundlegender Unterschied deutlich:
Die Radiometrie beschreibt die physikalische Strahlung unabhängig vom menschlichen Sehen. Die Photometrie bewertet dagegen Strahlung unter Berücksichtigung der standardisierten visuellen Empfindlichkeit.
Dieser Unterschied ist für das Verständnis von Lichtausbeute, Beleuchtungsqualität und Energieeffizienz unverzichtbar.
Häufige Fragen zum elektromagnetischen Spektrum
Ist Licht dasselbe wie elektromagnetische Strahlung?
Sichtbares Licht ist eine Form elektromagnetischer Strahlung. Im engeren lichttechnischen Sinne bezeichnet „Licht“ denjenigen Teil der Strahlung, der vom menschlichen Auge wahrgenommen werden kann. Physikalisch besitzt sichtbares Licht dieselben grundlegenden Welleneigenschaften wie andere elektromagnetische Strahlungsarten.
Welche Wellenlängen sind für den Menschen sichtbar?
Als sichtbarer Spektralbereich werden häufig ungefähr 380 bis 780 Nanometer angegeben. Die tatsächlichen Wahrnehmungsgrenzen hängen von den Beobachtungsbedingungen und der Empfindlichkeit des menschlichen Auges ab.
Ist weißes Licht eine eigene Wellenlänge?
Nein. Weißes Licht besitzt keine einzelne charakteristische Wellenlänge. Der weiße Farbeindruck entsteht durch geeignete Mischungen unterschiedlicher sichtbarer Spektralanteile.
Haben zwei LEDs mit gleicher Farbtemperatur dasselbe Spektrum?
Nein. Zwei LEDs können dieselbe korrelierte Farbtemperatur besitzen, obwohl ihre spektralen Leistungsverteilungen unterschiedlich sind. Deshalb können sie auch verschiedene Farbwiedergabeeigenschaften aufweisen.
Warum ist das Spektrum einer Lichtquelle wichtig?
Das Spektrum beeinflusst die wahrgenommene Lichtfarbe, die Farbwiedergabe von Materialien, die photometrische Bewertung und weitere optische sowie biologische Wirkungen des Lichts. Für hochwertige Beleuchtungssysteme liefert es daher wesentliche Informationen über die Eigenschaften einer Lichtquelle.
Zusammenfassung
Das elektromagnetische Spektrum umfasst sämtliche elektromagnetischen Strahlungsarten. Sichtbares Licht bildet darin nur einen kleinen Ausschnitt zwischen ultravioletter und infraroter Strahlung.
Die einzelnen Spektralbereiche unterscheiden sich vor allem hinsichtlich ihrer Wellenlängen, Frequenzen und Photonenenergien.
Für die Lichttechnik ist insbesondere die spektrale Leistungsverteilung von Bedeutung. Sie beschreibt, welche Wellenlängen eine Lichtquelle emittiert und in welchem Verhältnis diese zueinander stehen.
Aus dieser Verteilung ergeben sich wichtige Eigenschaften der Lichtquelle, darunter die wahrgenommene Lichtfarbe und die Möglichkeiten zur Farbwiedergabe.
Bei modernen LED-Systemen und architektonischen Lichtflächen bildet das Verständnis des elektromagnetischen Spektrums deshalb eine wesentliche Grundlage für die gezielte Gestaltung hochwertiger Beleuchtung.
Weiterführende Inhalte
Im vorhergehenden Artikel Was ist Licht? werden die grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Lichts erläutert.
Das folgende Unterkapitel „Wellenlänge, Frequenz und Photonenenergie“ vertieft die mathematischen Zusammenhänge zwischen den Eigenschaften elektromagnetischer Strahlung.
Eine Übersicht über die weiteren Themen bietet das Hauptkapitel Physik des Lichts.
Quellen und fachliche Grundlagen
CIE – International Commission on Illumination: Colorimetry, 4th Edition, CIE 015:2018. cie.co.at
CIE – International Commission on Illumination: Relative spectral power distributions of illuminants representing typical LED lamps. CIE-Datensätze
Bundesrepublik Deutschland: Arbeitsschutzverordnung zu künstlicher optischer Strahlung (OStrV), § 2 – Begriffsbestimmungen. gesetze-im-internet.de
BIPM – International Bureau of Weights and Measures: The International System of Units – Defining constants. bipm.org
U.S. Department of Energy: LED Basics – Solid-State Lighting. energy.gov