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Größen, Einheiten

Lichtstrom

Lichtstrom

Der Lichtstrom φ ist ein Maß für die Lichtleistung einer Lichtquelle.

φ = Lumen (lm)

Der Lichtstrom beschreibt die gesamte von einer Lichtquelle abgegebene Lichtleistung. Grundsätzlich könnte diese Strahlungsleistung als abgegebene Energie in der Einheit Watt erfasst werden. Die optische Wirkung einer Lichtquelle wird auf diese Weise jedoch nicht zutreffend beschrieben, da die abgegebene Strahlung unterschiedslos über den gesamten Frequenzbereich erfasst und die unterschiedliche spektrale Empfindlichkeit des Auges somit nicht berücksichtigt wird. Durch die Einbeziehung der spektralen Empfindlichkeit des Auges ergibt sich die Größe Lumen. Ein im Maximum der spektralen Augenempfindlichkeit (photopisch, 555 nm) abgegebener Strahlungsfluss von 1W erzeugt einen Lichtstrom von 683 lm. Dagegen erzeugt der gleiche Strahlungsfluss in Frequenzbereichen geringerer Empfindlichkeit gemäß der V (λ)-Kurve entsprechend kleinere Lichtströme.

Lichtausbeute

Lichtausbeute

η = F / P

η = lm / W

Die Lichtausbeute beschreibt den Wirkungsgrad einer Lampe. Sie wird durch das Verhältnis von abgegebenem Lichtstrom in Lumen und aufgewendeter Leistung in Watt ausgedrückt. Der theoretisch erreichbare Maximalwert bei völliger Umsetzung der Energie bei 555 nm wäre 683 lm/W. Die tatsächlich erreichbaren Lichtausbeuten variieren je nach Leuchtmittel, bleiben jedoch stets weit unter diesem Idealwert.

Lichtstärke

Definition

Eine ideale, punktförmige Lichtquelle strahlt ihren Lichtstrom gleichmäßig in alle Richtungen des Raumes ab, ihre Lichtstärke ist in allen Richtungen gleich. In der Praxis ergibt sich jedoch stets eine ungleichmäßige räumliche Verteilung des Lichtstroms, die teils durch den Aufbau der Leuchtmittel bedingt ist, teils durch gezielte Lenkung der Leuchte bewirkt wird. Die Candela als Einheit der Lichtstärke ist die Grundeinheit der Lichttechnik, von der alle weiteren lichttechnischen Größen abgeleitet werden.

Darstellung

Die räumliche Verteilung der Lichtstärke einer Lichtquelle ergibt einen dreidimensionalen Lichtstärkeverteilungskörper. Der Schnitt durch diesen Lichtstärkekörper ergibt die Lichtstärkeverteilungskurve, die die Lichtstärkeverteilung in einer Ebene beschreibt. Die Lichtstärke wird dabei meist in einem Polarkoordinatensystem als Funktion des Ausstrahlungswinkels eingetragen. Um die Lichtstärkeverteilung unterschiedlicher Lichtquellen direkt vergleichen zu können, werden die Angaben jeweils auf 1000 lm Lichtstrom bezogen. Bei rotationssymmetrischen Leuchten reicht eine einzige Lichtstärkeverteilungskurve zur Beschreibung der Leuchte aus. Achsensymmetrische Leuchten benötigen zwei Kurven, die allerdings meist in einem einzigen Diagramm dargestellt werden.

Beleuchtungsstärke

Die Beleuchtungsstärke ist ein Maß für die Lichtstromdichte auf einer Fläche. Sie ist als das Verhältnis des auf eine Fläche fallenden Lichtstroms zur Größe dieser Fläche definiert. Die Beleuchtungsstärke ist dabei nicht an eine reale Oberfläche gebunden, sie kann an jeder Stelle des Raums bestimmt werden. Die Beleuchtungsstärke kann aus der Lichtstärke abgeleitet werden. Die Beleuchtungsstärke nimmt dabei mit dem Quadrat der Entfernung von der Lichtquelle ab (photometrisches Entfernungsgesetz).

Beleuchtungsstärke

Beleuchtungsstärke Beleuchtungsstärke Beleuchtungsstärke

Die Beleuchtungsstärke ist ein Maß für die Lichtstromdichte auf einer Fläche. Sie ist als das Verhältnis des auf eine Fläche fallenden Lichtstroms zur Größe dieser Fläche definiert. Die Beleuchtungsstärke ist dabei nicht an eine reale Oberfläche gebunden, sie kann an jeder Stelle des Raums bestimmt werden. Die Beleuchtungsstärke kann aus der Lichtstärke abgeleitet werden. Die Beleuchtungsstärke nimmt dabei mit dem Quadrat der Entfernung von der Lichtquelle ab (photometrisches Entfernungsgesetz).

Belichtung

Belichtung

Als Belichtung wird das Produkt aus der Beleuchtungsstärke und der Belichtungsdauer, mit der eine Fläche beleuchtet wird, bezeichnet. Die Belichtung spielt vor allem bei der Berechnung von Lichtbelastungen auf Exponaten, z.B. in Museen, eine Rolle.

Leuchtdichte

Während die Beleuchtungsstärke die auf eine Fläche treffende Lichtleistung erfasst, beschreibt die Leuchtdichte das von dieser Fläche ausgehende Licht. Dies Licht kann dabei von der Fläche selbst ausgehen (z.B. bei der Leuchtdichte von Lampen und Leuchten). Die Leuchtdichte ist hierbei definiert als das Verhältnis der Lichtstärke und der auf die Ebene senkrecht zur Ausstrahlungsrichtung projizierten Fläche. Das Licht kann aber auch von der Fläche reflektiert oder transmittiert werden. Für gestreut reflektierende (matte) und für gestreut transmittierende (trübe) Materialien kann die Leuchtdichte hierbei aus der Beleuchtungsstärke und dem Reflexions- bzw. Transmissionsgrad berechnet werden. Die Helligkeit korreliert mit der Leuchtdichte; der tatsächliche Helligkeitseindruck wird allerdings noch von dem Adaptationszustand des Auges, den umgebenden Kontrastverhältnissen und dem Informationsgehalt der gesehenen Fläche beeinflusst.

Lichtfarbe

CIE-System

Lichtfarbe ist die Farbe des von einer Lampe abgegebenen Lichts. Die Lichtfarbe kann durch x,y-Koordinaten als Farbort im Normvalenzsystem, bei weißen Lichtfarben auch als Farbtemperatur TF angegeben werden. Beim Normvalenzsystem der CIE wird die Lichtfarbe aus der spektralen Zusammensetzung berechnet und in einem kontinuierlichen, zweidimensionalen Diagramm dargestellt. Der Farbton wird über den Farbort der Spektralfarbe und über die Sättigung definiert. Durch den Aufbau des Diagramms ergibt sich eine Farbfläche, die alle reellen Farben umfasst. Die Farbfläche wird von einem Kurvenzug umschlossen, auf dem die Farborte der vollständig gesättigten Spektralfarben liegen. Im Inneren der Fläche befindet sich der Punkt geringster Sättigung, der als Weiß- oder Unbuntpunkt bezeichnet wird. Alle Sättigungsstufen einer Farbe können nun auf der Geraden zwischen dem Unbuntpunkt und dem jeweiligen Farbort aufgefunden werden; alle Mischungen zweier Farben liegen ebenfalls auf einer Geraden zwischen den jeweiligen Farborten.

Ähnlichste Farbtemperatur

Die Plancksche Kurve enthält die Farborte der Planckschen Strahlung aller Temperaturen. Da der Farbort einer Lichtquelle häufig in der Nähe der Kurve liegt, wird ausgehend von der Kurve des Planckschen Strahlers eine Geradenschar ähnlichster Farbtemperaturen eingetragen. Mit deren Hilfe können auch Lichtfarben, die nicht auf dieser Kurve liegen, durch eine ähnlichste Farbtemperatur gekennzeichnet werden. Bei Temperaturstrahlern entspricht die ähnlichste Farbtemperatur angenähert der tatsächlichen Temperatur der Lampenwendel. Bei Entladungslampen wird die ähnlichste Farbtemperatur angegeben.

Hauptgruppen Farbtemperaturen

Für weiße Lichtfarben existiert zusätzlich eine Einteilung in drei Hauptgruppen: den warmweißen Bereich (ww) mit ähnlichsten Farbtemperaturen unter 4000 K, den neutralweißen Bereich (nw) zwischen 4000 und 5000 K und den tageslichtweißen Bereich (tw) mit ähnlichsten Farbtemperaturen über 5000 K. Gleiche Lichtfarben können unterschiedliche spektrale Verteilungen und eine entsprechend unterschiedliche Farbwiedergabe haben.

Farbwiedergabe

Farbwiedergabe

Farbwiedergabe

Mit Farbwiedergabe wird die Qualität der Wiedergabe von Farben unter einer gegebenen Beleuchtung bezeichnet. Der Grad der Farbverfälschung wird durch den Farbwiedergabeindex Ra beziehungsweise die Farbwiedergabestufe angegeben. Als Referenzlichtquelle dient eine vergleichbare Lichtquelle mit kontinuierlichem Spektrum, sei es ein Temperaturstrahler vergleichbarer Farbtemperatur oder das Tageslicht.

Farbwiedergabe

Bereiche des Farbwiedergabeindex Ra bei unterschiedlichen Lampentypen

Um die Farbwiedergabe einer Lichtquelle zu bestimmen, werden die Farbwirkungen einer Skala von acht Körperfarben unter der zu beurteilenden Beleuchtungsart sowie unter der Referenzbeleuchtung berechnet und zueinander in Beziehung gesetzt. Die so ermittelte Qualität der Farbwiedergabe wird in Farbwiedergabeindizes ausgedrückt, die sich sowohl auf die allgemeine Farbwiedergabe (Ra) als Mittelwert oder auch auf die Wiedergabe einzelner Farben beziehen können. Der maximale Index von 100 bedeutet hierbei ideale Farbwiedergabe, wie sie unter Glühlampenlicht oder Tageslicht vorhanden ist. Geringere Werte bezeichnen eine entsprechend schlechtere Farbwiedergabe. Lineare Lichtspektren führen zu einer guten Farbwiedergabe, Linienspektren allgemein zu einer schlechteren. Mehrlinienspektren setzen sich aus verschiedenen Linienspektren zusammen und verbessern die Farbwiedergabe.