Begriffe der Lichtmessung verständlich erklärt

Wenn es um die Beleuchtung geht, begegnen einem Begriffe wie Candela, Calvin, Lumen oder Lux. Sie gehören zu den sogenannten photometrischen Größen in der Licht- und Beleuchtungstechnik.

Licht

Licht bezeichnet den für Menschen sichtbaren Anteil von elektromagnetischer Strahlung.  Dabei verhält sich Licht sowohl wie eine Welle als auch wie Teilchen, die in der Physik als Photonen bezeichnet werden. Der sichtbare Bereich des Lichts liegt bei einer Wellenlänge zwischen 380 und 780 Nanometern [nm]. Licht an sich hat keine Farbe. Doch je nach Wellenlänge wird das Licht als unterschiedliche Farbe wahrgenommen. Die Farben entstehen durch den Reiz der Netzhaut und der Verarbeitung des Reizes im Gehirn. So, dass unterschiedliche Spektralanteile verschiedene Farbeindrücke erzeugen.

Der Vollständigkeit halber: Neben dem für den Menschen sichtbaren Licht existiert das nicht sichtbare ultraviolette Licht (UV-Strahlung) mit einer Wellenlänge zwischen 100 und 380 nm und das Infrarot-Licht (IR-Strahlung) zwischen 780 und 1 nm.

Farbe	Wellenlänge (nm)
Violett	380-420
Blau	420-490
Grün	490-575
Gelb	575-585
Orange	585-650
Rot	650-780

Lichtstrom (Lumen)

Jede Lichtquelle nimmt im Betrieb eine elektrische Leistung auf. Sie wird in der Watt-Zahl ausgedrückt. Gleichzeitig gibt sie aber auch eine Leistung in Form von elektromagnetischer Strahlung ab. Der sichtbare Anteil ist der Lichtstrom. Der Lichtstrom bildet eine eigene physikalische Größe, gemessen in Lumen [lm]. Sie gibt an, wie viel für das menschliche Auge sichtbares Licht eine Lichtquelle pro Zeitspanne in alle Richtungen abstrahlt.

Der Lichtstrom erlaubt einen direkten Vergleich der Helligkeit verschiedener Leuchtmittel unabhängig von ihrer Leistungsaufnahme. Eine typische Kenngröße zur Orientierung ist eine 60‑Watt-Glühlampe, die etwa 730 Lumen hat.

Richtwerte für Leistung und Lichtstrom

Leistung	Glühlampe	Halogenlampe	Energiesparlampe	LED-Leuchte
5 Watt	–	–	180 lm	500 lm
7 Watt	–	–	290 lm	700 lm
9 Watt	–	–	400 lm	850 lm
11 Watt	–	–	530 lm	1200 lm
14 Watt	–	–	730 lm	1500 lm
25 Watt	230 lm	300 lm	–	–
40 Watt	430 lm	500 lm	–	–
60 Watt	730 lm	900 lm	–	–
75 Watt	970 lm	1200 lm	–	–
100 Watt	1380 lm	1700 lm	–	–

Lichtstärke (Candela)

Eine Lichtquelle strahlt ihr Licht nicht nach allen Seiten gleichmäßig ab. Diese Eigenschaft wird in der Lichtstärke einer Lichtquelle berücksichtigt. Sie beschreibt den bereits erwähnten Lichtstrom bezogen auf einen Raumwinkel und wird in der internationalen Einheit Candela [cd] angegeben. Candela ist wie Lumen, eine Größe, die den Eindruck der Strahlung im Auge beschreibt.

Der Raumwinkel ist ein dreidimensionaler Winkel! Er ist das dreidimensionale Gegenstück zum zweidimensionalen Winkel, der für die Ebene definiert ist, und wird meist in Steradiant [sr} als Einheit angegeben. 1 sr umschließt eine Fläche von 1 m² auf einer Kugelfläche mit 1 m Radius.

Definition der Lichtstärke

Die Lichtstärke ergibt sich aus dem Lichtstrom und dem Raumwinkel.

Lichtstärke I_V = Lichtstrom Φ_V : Raumwinkel Ω

I_V = Φ_V : Ω       [cd = lm : sr]

Der Raumwinkel [Ω] ist die beleuchtete Teilfläche [A_t] durch die Entfernung der Leuchte zur beleuchteten Fläche im Quadrat [r²].

Ω = A_t : r²

Die Lichtstärke ist eine physikalische Größe und völlig unabhängig von der Position des Betrachters beziehungsweise davon, wie viel Licht an einem bestimmten Punkt im Raum ankommt. Sie ist deshalb nicht zu verwechseln mit der Beleuchtungsstärke.

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Beleuchtungsstärke (Lux)

Jede Lichtquelle weist in einem Raum eine gewisse Beleuchtungsstärke auf. Dabei wird berücksichtigt, wie weit die Fläche von der Lichtquelle entfernt ist. Die Beleuchtungsstärke ist ein wichtiger Faktor bei der Lichtplanung, da sie angibt, wie viel Licht in einem bestimmten Bereich benötigt wird, um eine angemessene Beleuchtung zu gewährleisten. Diese Beleuchtungsstärke wird in der Einheit Lux [lx] angegeben. Als Grundlage für 1 lx dient ein Lichtstrom von 1 lm, der auf einer Fläche von einem 1 m² erzeugt wird.

Die Beleuchtungsstärke E_V [lx] errechnet sich aus dem Lichtstrom Φ_V [lm] dem Beleuchtungswirkungsgrad [ƞ_B] sowie der beleuchteten Fläche A (m²).

E_V = (Φ_V x Ƞ_B) : A        [lx = lm : m²]

Für eine punktförmige Lichtquelle ergibt sich die Beleuchtungsstärke aus dem Lichtstrom Φ_V [lm] dem Beleuchtungswirkungsgrad [ƞ_B] sowie der beleuchteten runden Fläche A (m²), wobei sich die Fläche aus dem Radius r² und dem Faktor π errechnet.

E_V = (Φ_V x Ƞ_B) : (r² x π)           [lx = lm : m²]

Der Beleuchtungswirkungsgrad Ƞ_B [lm/W] der einzelnen Leuchten errechnet sich aus dem Lichtstrom Φy [lm] und der elektrischen Leistung des Leuchtmittels P [W].

Ƞ_B = Φ_V : P      [lm/W = lm : W]

Abstrahlwinkel

Wer eine Fläche oder ein Objekt ins rechte Licht rücken will, muss den idealen Abstrahlwinkel einer Leuchte finden. Der Abstrahlwinkel ist nichts anderes, als die technische Definition, in welchem Winkel der Lichtstrom aus einer Leuchte austritt. Je nach Winkelgröße hat der Lichtkegel einer Leuchte einen unterschiedlichen Durchmesser und eine unterschiedliche Helligkeit.

Wer beispielsweise zwei LED-Strahler mit einem identischen Lichtstrom von beispielsweise 600 Lumen kauft, hat möglicherweise nur auf dem Papier die gleiche Helligkeit.  Wenn beide Strahler einen unterschiedlichen Abstrahlwinkel besitzen, wie etwa 15° und 60°, ist die wahrgenommene Helligkeit völlig unterschiedlich.

Zwischen dem Abstrahlwinkel und der Helligkeit gibt es einen direkten Zusammenhang. Der Strahler mit einem Abstrahlwinkel von 60° beleuchtet eine deutlich größere Fläche als der Strahler mit nur 15°. Deshalb erscheint die beleuchtete Fläche zwar größer, aber auch dunkler.

Betrachtet man den Abstrahlwinkel genau, wird er in den sogenannten Halbwertswinkel und den Feldwinkel unterteilt. Der Feldwinkel definiert den kompletten Lichtkreis. Der Halbwertswinkel definiert den Bereich im Lichtkreis, in dem die Lampe 50 Prozent ihrer maximalen Lichtstärke abstrahlt. Die volle Lichtstärke erreicht die Leuchte genau im Zentrum des Lichtkreises.

Die mathematische Beziehung zwischen Abstrahlwinkel ϴ und dem beleuchteten Radius r bei einem Abstand d lautet wie folgt:

Die Flächenbeleuchtungsstärke E lässt sich mathematisch nur annähernd für eine punktförmige Quelle mit homogener Verteilung im Kegel bestimmen, wobei die Lichtstärke I in Beziehung zum Abstand d² steht:

Natürlich lässt sich der ideale Abstrahlwinkel einer Leuchte mit Winkelfunktionen und zahlreichen Parametern genau berechnen. Doch der Blick auf eine Tabelle ist wesentlich einfacher.

Abstrahlwinkel	Durchmesser Lichtkegel
4°	0,17 m
15°	0,66 m
30°	1,30 m
60°	2,89 m
90°	5,00 m
120°	8,66 m
160°	27,00 m

In der Beleuchtungstechnik haben sich für bestimmte Beleuchtungszwecke bestimmte Abstrahlwinkel durchgesetzt. Ein schmaler Abstrahlwinkel von 4° bis 19° ist ideal für die Beleuchtung bestimmter Objekte. Ein mittlerer Abstrahlwinkel von 24° bis 40° eignet sich als Akzentbeleuchtung für bestimmte Bereiche eines Raumes. Ein breiter Abstrahlwinkel von 60° bis 150° dient als Grundbeleuchtung für schmale Räume, Flure und andere Wegbereiche. Bleibt noch der extra breite Abstrahlwinkel von 160° bis 360° für die Grundbeleuchtung eines Raumes.

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Farbtemperatur (Kelvin)

Jede Lichtquelle besitzt eine ganz eigene und spezifische Eigenfarbe, die sogenannte Lichtfarbe. Die Lichtfarbe wird durch die Farbtemperatur des Leuchtmittels beschrieben. Gemessen wird die Farbtemperatur in Kelvin [K]. Die richtige Wahl der Farbtemperatur sollte man nicht unterschätzen, weil sie den „Wohlfühlfaktor“ bestimmt.

Die Farbtemperatur ist somit ein Maß zur Beschreibung des Farbeindrucks von Lichtquellen. Dieser Farbeindruck wird durch Zahlen dargestellt, die man als Farbtemperatur bezeichnet.

Die technische Definition der Farbtemperatur basiert dabei auf dem Farbspektrum eines thermischen Strahlers („Schwarzer Strahler“), dessen Heizstab in kaltem Zustand Schwarz ist. Mit steigender Temperatur wechselt dessen Farbeindruck von Rot über Weiß bis ins Hellblaue. Da rötliche Farben als „warm“ und bläuliche als „kühl“ empfunden werden, entspricht eine höhere Farbtemperatur einer „kühlen“ und eine niedrige Farbtemperatur einer „warmen“ Lichtfarbe.

Man darf dabei jedoch nicht vergessen, dass der Farbeindruck einer Lichtquelle ein subjektives Empfinden ist, das sich bei jedem individuell anders darstellt. Die Farbtemperatur ist lediglich ein Maß zur quantitativen Beschreibung des Farbeindrucks von Lichtquellen.  

Farbtemperatur	Lichtquelle
1500 K	Kerze
2000 K	Natriumdampflampe (SON-T)
2600 K	Glühlampe (40 W)
2700 K	Glühlampe (60 W)
2800 K	Glühlampe (100 W)
2700–2800 K	Halogenlampe (230 V, Eco-Halogen, 30–60 W)
3000 K	Glühlampe (200 W)
3000–3200 K	Halogenlampe (12 V)
3200 K	Fotolampe Typ B, Halogenglühlampe
3400 K	Fotolampe Typ A bzw. S, Spätabendsonne kurz vor Dämmerungsbeginn
3600 K	Operationssaalbeleuchtung
4000 K	Leuchtstofflampe (Neutralweiß)
4120 K	Mondlicht
4500–5000 K	Xenonlampe, Lichtbogen
5000 K	Morgen-/Abendsonne, D50-Lampe (Druckerei)
5500 K	Vormittags-/Nachmittagssonne
5500–5600 K	Elektronenblitzgerät
5500–5800 K	Mittagssonne, Bewölkung
6500–7500 K	Bedeckter Himmel
7500–8500 K	Nebel, starker Dunst
9000–12.000 K	Blauer (wolkenloser) Himmel auf der beschatteten Nordseite
15.000–27.000 K	Klares blaues, nördliches Himmelslicht

Farbwiedergabeindex (Ra)

Der Farbwiedergabeindex, der mit Ra angegeben wird (oder mit CRI für die englische Bezeichnung Color Rendering Index), bezeichnet in der Praxis die Einschätzung, wie natürlich oder unverfälscht Farben unter einer Lichtquelle im Vergleich zu Tageslicht erscheinen. Das heißt, der Farbwiedergabeindex gibt an, wie stark Farben durch eine Lichtquelle verändert werden.

Da Leuchten mit der gleichen Farbtemperatur durchaus ein unterschiedliches Spektrum haben und daher auch verschieden leuchten können, vergleicht man die Farbwiedergabe mit einer idealen Vorlage und ordnet die Leuchte dann nach der Abweichung ein.

Der Ra ist eine dimensionslose Kennzahl von 0 bis 100, die sich an einer Referenzlichtquelle, wie zum Beispiel am Sonnenlicht, orientiert. Die Kennzahl 100 steht dabei für eine nahezu perfekte Farbwiedergabe. Niedrige Werte zeigen starke Farbverfälschungen an.

Da der Ra ein Mittelwert ist und die mittlere Farbwiedergabe über die Standardtestfarben ausdrückt, kann er einzelne Farbbereiche nicht abdecken. Deshalb gibt es einen Re als „Erweiterter Farbwiedergabeindex“. Da insbesondere ein guter Ra‑Wert nicht automatisch eine gute Wiedergabe von gesättigtem Rot garantiert, wird die Rotwiedergabe mit der Bezeichnung R9 separat betrachtet.

Für die Allgemeinbeleuchtung gelten Farbindexwerte ab 80 und höher üblicherweise als ausreichend für Wohn‑ und Bürobereiche. Für farbkritische Bereiche, wie im Einzelhandel, in Museen oder in medizinischen Untersuchungsbereichen, fordert man Werte ab 90 und höher, unter Berücksichtigung spezieller Teilwerte der Rotwiedergabe R9.

In der Praxis steht beispielsweise auf Leuchtstofflampen häufig der Ra-Wert verschlüsselt auf der Verpackung. So bedeutet der aufgedruckte Wert 740 einen Farbwiedergabeindex von mindestens 70 (erste Zahl) mit einer Farbtemperatur von 4000 Kelvin. 850 bedeutet ein Ra-Wert von mindestens 80 mit einer Farbtemperatur von 5000 Kelvin.

Lichtquelle	Farbwiedergabeindex
Tageslicht / Glühbirne / Halogenlampe	bis 100 Ra
LED-Lampen	80 bis 95 Ra
Energiesparlampen	80 bis 89 Ra
Leuchtstofflampen	70 bis 85 Ra

Farbtemperaturen von Lichtquellen

Das Licht jeder Lichtquelle besitzt eine ganz eigene und spezifische Eigenfarbe, die sogenannte Lichtfarbe. Die Lichtfarbe wird durch die Farbtemperatur… weiterlesen

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