Viel Licht – wie wird das gemessen?

In meinem letzten Post zum Thema Licht habe ich mich mit dem Unterschied zwischen der fotometrischen Einheit Lumen und (radiometrischen) Einheit Watt beschäftigt. Neben dem in Lumen (lm) gemessenen Lichtstrom gibt es aber noch eine ganze Reihe weiterer fotometrischer Größen und Einheiten, die man braucht, um Licht in verschiedenen Situationen korrekt zu beschreiben. Sie alle hängen direkt mit der Definition des Lumen zusammen. Hier eine kompakte Übersicht:

Lichtstärke (in Candela)

Die Lichtstärke gibt an, wie viel Licht pro Richtung abgegeben wird. Damit lässt sich beispielsweise auch für Lichtquellen, die nicht in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlen, für die verschiedenen Teile eines Strahles angeben, wie viel Licht in die jeweilige Richtung abgegeben wird. Die Lichtstärke entspricht physikalisch dem Lichtstrom pro Raumwinkeleinheit und wird dementsprechend in Lumen pro Steradiant angegeben (dies ist die Definition der SI-Einheit Candela kurz cd).

Leuchtdichte (in Candela pro Quadratmeter)

Als wie hell wir eine abstrahlende Fläche empfinden hängt davon ab, wie viel Licht in Richtung unserer Augen pro Fläche abgegeben wird. Das heißt wir müssen um dies zu messen die Lichtstärke durch die Fläche von der das Licht ausgeht teilen und erhalten damit die Leuchtdichte in Candela pro Quadratmeter (cd/m²).

Spezifische Lichtausstrahlung und Beleuchtungsstärke (in Lux)

Will man angeben wie viel Licht in einer bestimmten Umgebung auf Flächen bestimmter Größe einwirkt, das heißt wie hell es zum Beispiel in einem Raum insgesamt ist (dies wird als Beleuchtungsstärke bezeichnet), oder wie viel Licht entsprechend von einer Fläche in alle Richtungen abgestrahlt wird, so kann man dies in der Einheit Lux (kurz lx) tun. Ein Lux entspricht einem Lumen pro Quadratmeter (lm/m²).

Weitere Informationen

Mehr Informationen zu den einzelnen Größen und Einheiten findet sich großzügig verlinkt auf der Wikipediaseite zur Fotometrie und mit anschaulichen Grafiken und Beispielwerten auch in dieser .pdf-Datei.

Wahrnehmung von Licht: Lumen vs. Watt

Wenn man Licht quantitativ bestimmen will, könnte man natürlich im Prinzip einfach die Lichtleistung in Watt angeben. Allerdings nimmt das Auge Licht der verschiedenen Wellenlängen sehr unterschiedlich intensiv wahr. So braucht man bei blauem Licht mehr als zehn Mal mehr Leistung als bei grünem, um das gleiche Helligkeitsempfinden zu erzeugen.

Dieser Zusammenhang wird in der Hellempfindlichkeitskurve dargestellt (sie unterscheidet zwischen Tag- und Nachtsehen). Hier kann abgelesen werden, wie hell Licht der gleichen Leistung in Abhängigkeit von der Wellenlänge wahrgenommen wird, wobei der maximale Wert (bei Tagsehen 555nm grün) gleich Eins gesetzt wird. Wenn man die Leistungen der einzelnen Wellenlängen einer Lichtquelle mit den entsprechenden Werten dieser Kurve gewichtet und aufsummiert, erhält man den sogenannten Lichtstrom. Er ist damit die, an die menschliche Wahrnehmung angepasste, Entsprechung der Strahlungsleistung und wird natürlich nicht mehr in Watt sondern in der SI-Einheit Lumen (kurz lm) angegeben. Mit monochromatischem Licht von 555nm erhält man die theoretisch maximal mögliche Lichtausbeute von 683 Lumen pro Watt.

Interessant ist dieser Zusammenhang zum Beispiel bei Laserpointern: die Strahlungsleistung ist aus Sicherheitsgründen limitiert (je nach Klasse wenige Milliwatt). Der Lichtstrom ist damit direkt mit der Hellempfindlichkeitskurve verknüpft. Daraus folgt: Grüne Laser wirken deutlich heller als rote der gleichen Leistungsklasse.

Farbmischung und Schuhsohle

Licht, das wir im Alltag sehen, setzt sich meistens aus einer Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen zusammen. Im Wellenlängenbereich den unser Auge wahrnehmen kann (ca. 380 nm bis 760 nm) entspricht jede Wellenlänge einer Farbe. Licht, das aus nur einer Wellenlänge besteht (kommt praktisch fast nur bei Gasentladungslampen und Lasern vor) hat dabei sehr kräftige Farben (Spektralfarben) und wird „monochromatisches Licht“ genannt.

Licht jeder anderen Farbe ist aus verschiedenen Wellenlängen zusammengesetzt. Für die Mischung jeder dieser Farben aus Licht unterschiedlicher Wellenlängen (additive Farbmischung) gibt es im Prinzip beliebig viele Möglichkeiten. Um darzustellen wie eine Farbe zustande kommen kann gibt es eine sogenannte Normfarbtafel.

Wie so eine Farbtafel aussieht sieht man beispielsweise in der Wikipedia. Da die Form ein bisschen an einen Schuh erinnert, wird sie manchmal auch als „Schuhsohle“ bezeichnet.

Auf der Farbtafel sind die monochromatischen Farben als Kurve eingezeichnet, wobei die beiden Enden die Grenzen des sichtbaren Wellenlängenbereichs darstellen. Alle anderen Farben liegen im Inneren dieser Kurve. Wenn man nun zwei monochromatische Lichtstrahlen (entsprechen unterschiedlichen Punkten auf der Kurve) im Verhältnis eins zu eins mischt, dann erhält man genau die Farbe, die auf der Farbtafel in der Mitte zwischen den beiden Punkten liegt. Wenn mehr Licht einer Farbe verwendet wurde, liegt der Punkt auf der Farbtafel entsprechend näher an der entsprechenden Farbe. Natürlich können auf diese Weise auch mehr als zwei Lichtwellenlängen oder Farben gemischt werden.

Eine genauere Beschreibung gibt es in der Wikipedia unter den Stichworten Farbmetrik und Normvalenzsystem.

Mehr zur Beschreibung von Licht folgt demnächst hier.

Die Erleuchtung – Licht messen und beschreiben

Licht spielt nicht nur im naturwissenschaftlichen Unterricht sondern auch im Alltag für uns eine wichtige Rolle (die meisten werden diesen Text mithilfe von Licht aufnehmen). Nachdem in der Schule selten wirklich übersichtlich dargestellt wird, was Helligkeit, Lichtstärke, Lichtstrom und diverse weitere Größen eigentlich sind und je nach Fach und Lehrer diese Größen auch nicht immer ganz korrekt verwendet werden, will ich mich in der nächsten Zeit unter anderem mit der Messung und Beschreibung von Licht beschäftigen.

Hier sind wie üblich die einzelnen Beiträge verlinkt: