Die Beleuchtungsstärke (US: Illumination) ist das Maß der Helligkeit für auf eine Fläche auftreffendes Licht. Dieses wird mit dem Luxmeter gemessen.
Lux (lx) werden mit einem Luxmeter gemessen, hier ein Luxmeter der Firma Gossen (Bild: Gossen Foto und Lichtmesstechnik)
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Lux = Lumen pro Quadratmeter
Die Helligkeit einer planen Messfläche ist proportional dem Kosinus des Einfallwinkels der Lichtquelle. Die Bewertung des Empfängers muss also auch proportional dem Kosinus des Lichteinfallswinkels sein.
Beleuchtungs-
winkel (deg.)
Kosinusfehler
(innerhalb)
10°
+/- 1%
30°
+/- 2%
50°
+/- 4%
60°
+/- 5%
80°
+/- 20%
Die Tabelle zeigt den Kosinusfehler eines typischen Messgerätes.
Ein strahlender Körper (Planckscher Strahler) ist ein Idealobjekt, das die gesamte Energie absorbiert und die Farbe von Rot über Gelb bis Weiß ändert, wenn seine Temperatur zunimmt. Die absolute Temperatur T (K) des schwarzen Körpers wird als Farbtemperatur bezeichnet.
Je heißer ein Körper wird, um so mehr strahlt er auch kürzere Wellenlängen aus. Je heißer, um so mehr sichtbares Blau wird abgestrahlt. (Bild: Herbert Bernstädt)
Würde man mit einem breitbandigen Sensor die Strahlung messen, so würde übermäßig auch die für die Beleuchtung „unbedeutende“ Infrarotstrahlung gemessen. Deshalb wird ein Filter eingesetzt, der ähnlich dem „A-Filter“ bekannt aus der Tontechnik, nur die für das Auge gewichteten Strahlungslängen zum Sensor vordringen lässt.
Idealerweise sollte die spektrale Empfindlichkeit des Messgerätes mit der Helligkeitsempfindung des menschlichen Auges übereinstimmen.
Die Abweichung der relativen spektralen Empfindlichkeit des Filters im Leuchtdichtemessgerät im Vergleich zur Hellempfindlichkeitskurve der CIE ist sehr gut übereinander passend. (Bild: Konica Minolta / LS-150 Datenblatt)
LEDs weisen einen sehr engen Spektralbereich auf. Deshalb sind fotometrische Daten von LED-Scheinwerfern oftmals ohne konkrete Angaben. Das Messen mit einem üblichen Luxmeter, um die Lichtleistung des LED-Scheinwerfers zu beurteilen, ergibt leider abweichende Werte. Denn ein Luxmeter arbeitet mit einer Fotozelle, die mit einem optischen Filter ausgestattet ist, der die spektrale Empfindlichkeit des Auges berücksichtigt (V -Lambda-Kurve), so wie in der Tontechnik z.B. die A-Bewertung. Die Fotozelle misst alle eintreffenden Spektralteile und integriert diese zu einem Ergebnis. Historisch ist der Filter für die V-Lamda-Kurve auf Plancksche Strahler mit 2.850 K, also der Normlichtart A, festgelegt. Dieser strahlt hauptsächlich im Infrarotbereich und fällt zur blauen Farbe hin extrem ab. Die Genauigkeit der Bewertungsfilter bei den Flanken ist deshalb bei Kontinuumstrahlern nicht so entscheidend, da dort die Lichtstärke sowieso gering ist und damit der Messfehler ebenfalls klein ausfällt.
Aber eine LED emittiert nur auf einem sehr schmalbandigen Spektrum mit Peakwellenlängen von nur einigen 10 Nanometern Breite. Insbesondere bei den blauen und weißen LEDs kommt es so aufgrund der schlechten Flanken der Filter zu großen Abweichungen. Die Folge ist eine Messungenauigkeit beim Blau von bis zu 100 %. Um die Lichtleistung exakt zu messen, benötigt man einen Spektrumanalyser, der jedes schmale Emissionsband aufsummiert und das Ergebnis bewertet.
Ein Chromameter, wie z.B. Minolta CL-200, arbeitet auch mit drei Messfiltern und weist damit ebenfalls Ungenauigkeiten bei der exakten Wertebestimmung auf. Die vorhin genannte Peakwellenlänge ist aber nicht zu verwechseln mit der dominanten Wellenlänge. Als dominante Wellenlänge bezeichnet man die Frequenz, die der Farbe entspricht, die wir als die resultierende erkennen. Dies muss nicht die Wellenlänge sein, die bei einem Radiospektrograph den höchsten Ausschlag erzeugt, da der Farbeindruck durch andere vorhandene Wellenlängen verschoben wird.
Der Filter für die Bewertung des sichtbaren Lichtes (Helligkeitsempfindlichkeitskurve V-Lambda) unterdrückt vor allem die Wärmeenergie der Halogenlampe. Der Messfehler durch geringe Abweichungen des Filters ist sehr gering. (Bild: Herbert Bernstädt)Im Vergleich zum vorigen Bild erkennt man deutlich, das insbesondere der Blaubereich einer LED sich nur am Rand der Helligkeitsbewertungskurve allgemeiner Luxmeter befindet. Eine Energieänderung im Blau findet nicht so starken Einfluss auf das Messergebnis. Dagegen hat die Wellenlänge des Blaus sehr großen Einfluss auf ein Messergebnis. Die Folge ist, dass LEDs, mit einem bisher üblichen Luxmeter gemessen, extrem hohe Abweichungen haben, die im Blaubereich sogar bis zu 100% betragen können. (Bild: Herbert Bernstädt)
Auch unter den Luxmetern gab es schon Applikationen, die für eine Umrechnung mit Hilfe mehrerer Messpunkte zur Erlangung des Lumenwertes eingesetzt werden konnten. Damit kann die Effektivität eines Scheinwerfers beschrieben werden. Bei gleichem Leuchtmittel ist der mit der höheren Lumenanzahl derjenige, mit dem besseren Wirkungsgrad. Die Qualität einer homogenen Ausleuchtung ist damit nicht beschrieben.
Die Summe aller Beleuchtungsstärken auf einer bestrahlten Fläche ergibt den Lichtstrom Lumen. So kann eine Annäherung mit dem Luxmeter berechnet werden wenn man keine Ulbricht-Kugel einsetzen kann und der Scheinwerfer rotationssymmetrisch abstrahlt (Bild: Niethammer, Katalog 1990)
Eine Konfiguration zur Messung von ANSI Lumen, dem gängigen Vergleichswert für Videoprojektoren. Man erkennt dabei deutlich das hier die äußersten Ränder nicht in die Messung mit einfließen. (Bild: Minolta, Anzeige)
Mit drei Fotozellen, die mit einen roten, grünen und Blauen Farbfilter bestückt sind, (Trippel Sensor) läßt sich der Farbort im Farbdreieck bestimmen. (Bild: Herbert Bernstädt)
Neben der Messung der Beleuchtungsstärke ermöglicht ein Chromameter noch die Messung der Normfarbwerte, der Farbmaßzahlen, der Farbabweichung und der ähnlichsten Farbtemperatur. Dazu verwendet das Chromameter drei Fotozellen, die je mit einem Farbfilter der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau versehen sind, und somit die Erfassung des Farbortes ermöglichen.
Den Farbort ermitteln (xy)
Die Normfarbwerte XYZ und die zugehörigen Yxy Farborte bilden die Grundlage für das vorliegende numerische Farbmess-System. Durch Definition der Farbmaßfunktionen eines Normalbeobachters, schuf die Commission Internationale de L’Eclairage (CIE), eine internationale Organisation, die sich mit der Helligkeit und der Farbe von Licht beschäftigt, 1931 die Grundlage für die Coulometrie.
Das Farbdreieck nach CIE ist eine zweidimensionale Umrechnung des dreidimensionalen Farbraum. Hiermit lassen sich Farben bzw. der Farbort mit zwei Größen darstellen, den x und y Wert. Am Randbereich des “Hufeisen oder Schuhsole” sind die Wellenlängen der spektralen Farben angegeben. Die untere Verbindungslinie sind die “Imaginären” Farben, welche in unsere Gehirn interpretiert werden, eine Mischung aus Rot und Blau. (Bild: Herbert Bernstädt)
Die zweidimensionale (x, y) Farbtafel wird vom Yxy Farbort genommen, in dem Y die Helligkeit ist (und der Farbmaßzahl Y entspricht) und x und y die Farbmaßkoordinaten sind, die aus den Farbmaßzahlen XYZ berechnet werden. Die Abbildung zeigt die x, y Normfarbtafel der CIE für diesen Farbort.
Die Farbtemperatur messen (Tcp)
Die xy Farbtafel wird manchmal verwendet, um die Farbe einer Lichtquelle anzugeben. Die ähnlichste Farbtemperatur (eng.: CCT Correlated Color Temperature) wird verwendet, um die allgemeine Vorstellung der Farbtemperatur auf die Farben anzuwenden, die nah am, aber nicht genau auf dem Planckschen Strahler liegen.
Mithilfe von PC-Anbindung ist es auch möglich für mehrere Projektoren automatisch die Farbunterschiede (hervorgerufen durch Toleranzen und Leuchtmittelalterung) z.B. für Überblendungen oder Überlappungen anzupassen.
Hochwertige Projektoren oder LED-Bildwände können in ihrem Weißlicht in der Lichtfarbe variiert werden. Zur exakten Anpassung hilft ein Rechner gestütztes System, um das Weißlicht und die Farbräume zueinander anzupassen. (Bild: Herbert Bernstädt)
Leuchtdichte messen
Ein Leuchtdichtemessgerät empfängt das Licht, welches in den Betrachtungswinkel des Messgerätes eintrifft (Bild: Gossen Foto und Lichtmesstechnik)
Die Leuchtdichte L (Candela / m²) hat für unsere Betrachtung zur Scheinwerferklassifizierung eine geringe Rolle. Die Leuchtdichte ist ein Maß für den Helligkeitseindruck, der von einer selbstleuchtenden oder beleuchteten Fläche hervorgerufen wird. Im US-Raum wird dabei von Luminance oder Brightness gesprochen.
Bildgebende Sensoren
Je nach dem aus welcher Perspektive man diese Systeme betrachtet, werden sie entweder als „bildgebend“ bezeichnet – weil sie ein Bild ausspielen, oder aber auch als „bildnehmend“ – da sie zuvor ein Bild mit dem Sensor empfangen. Einfach gesagt, handelt es sich um Kameras.
Bei bildgebenden Systemen wird die Leuchtdichte angezeigt wo sie räumlich angeordnet ist. Dadurch hat man eine exzellente Möglichkeit optische System zu betrachten und gegebenenfalls zu optimieren. Vom Prinzip ist jeder Fotoapperat oder Videokamera ein Sensor für ein Bild wiedergebendes Leuchtdichtesystem. Jetzt muss nur noch vom Sensor die Helligkeitsinformation entsprechend mit einem Faktor belegt werden. Durch Fehlfarbendarstellung, wobei die unterschiedlichen Farben entsprechend der Helligkeit zugeordnet werden, erscheint eine Grafik die schnelle Rückschlüsse zu läßt.
CCD Kamera mit Anbindung an Rechner gerichtet auf eine Projektionsfläche für eine Leuchtdichtebestimmung in bestimmungsgemäßer Entfernung (Bild: Herbert Bernstädt)
Die Lichtdichte beim Blick in einen Scheinwerfer hinein. Damit kann man erkennen, wie gut das Leuchtmittel im Reflektor sitzt bzw. wie gut das optische System das Licht des Leuchtmittel ausnutzt (Bild: Herbert Bernstädt)
Im Gegensatz das Lichtbild beim Auftreffen auf eine homogene Fläche. Der untere Graph zeigt die Lichtverteilungskurve. Der angesetzte Schnitt zur Lichtverteilungskurve ist im Leuchtdichtebild als waagerechter Strich durch die Mitte zu erkennen (Bild: Herbert Bernstädt)
Das Spektrum messen
Wie oben bereits beschrieben wurde, ist die Beleuchtungsstärke bei extremen Linienstrahlern nicht mit breitbandigen Luxmetern zu erfassen. Dazu benötigt man ein Spektroradiometer, das alle Wellenlängen detektiert und anschließend die Filterfunktion berechnet. Natürlich dient es auch zur Beurteilung von Farbzusammensetzungen usw. Mit dem Spektrum-Analyser ist es möglich, auch LED-Strahler und deren Farbwiedergabe genau zu bestimmen. Angaben wie CRI und deren Farbanteile sowie TM-30 sind damit kein Problem.
Spektrometer für sichtbares Licht (Bild: Acal BFi Germany GmbH)
Messprinzip
Das in den Lichtwellenleiter im Innern eintretende Licht wird kontinuierlich reflektiert, so dass es gemischt und praktisch gleichmäßig wird. Es gelangt dann durch die Kollimatorlinse zum Beugungsgitter. Nachdem es vom Gitter aufgesplittet worden ist, wird das Licht entsprechend der Wellenlänge fokussiert. Am Brennpunkt befindet sich der Polychromator. Die spektrale Strahlungsstärke sowie die Farbmaßzahlen werden vom integrierten Rechner berechnet.
Das Prinzip des Spektrometers: Der Lichtstrahl wird über ein Beugungsgitter in seine Spektralelemente aufgebrochen. Die Intensität jeder Wellenlänge kann dann über einen Zeilensensor detektiert werden. (Bild: Acal BFi Germany GmbH)
Den Lumen-Wert messen
Der Lichtstrom „Lumen“ (US: Luminous flux) ist die von einer Lichtquelle in alle Richtungen insgesamt ausgestrahlte Lichtleistung. Ein einzelner Teil des Lichtstroms ist ausgehend mit einer Richtung vom emittierenden Körper der definierten Punktquelle. Damit kann die Effektivität eines Beleuchtungskörpers beschrieben werden. Je mehr Lumen pro Watt Leistungszufuhr zur Verfügung stehen, umso mehr Licht steht zur Verfügung. Die Qualität einer homogenen Ausleuchtung ist damit nicht beschrieben.
Das Leuchtmittel strahlt in einen Raum, der die Lichtstrahlen diffus reflektiert. Eine direkte Strahlung auf den Messkopf wird unterbunden. (Bild: Herbert Bernstädt)Das Lichtgebende Produkt wird in die Ulbricht-Kugel eingebracht. Alles Licht das der Scheinwerfer aussendet, wird in der Kugel diffus in alle Richtungen gestreut und erreicht so auch einmal die Fotozelle eines Sensors. Ein Proportionalitätsfaktor wird über eine Vergleichmessung mit einer Lampe mit definierter Lumenabgabe durchgeführt. Damit erhält man das Verhältnis zum Testobjekt und kann ide Lumen angeben.
Auswertung einer Messung, hier mit Farbbeurteilung (Bild: LMT, Katalog 1998)
An dieser Stelle weisen wir darauf hin, dass die Parameter zu einer Messung auch definiert werden müssen.
Denn gerade bei den Lumen-Werten von LEDs gibt es großen Gestaltungsspielraum wie im Folgenden beschrieben:
100 lm/W | Laborwert = „Werbewert“ (LED-Hersteller): kaltweiße Lichtfarbe, gemessen bei Teillast (350 mA), 25° Chiptemperatur, ohne externe Stromversorgung
40 lm/W | Inkl. Reflektor (Einfluss Leuchtenhersteller): Wie 4, zusätzliche Vorrichtung zur Blendbegrenzung und Lichtlenkung
(Quelle: Schweizerische Eidgenössisches Departement für Umwelt, Verkehr, Energie und Kommunikation UVEK)
Deshalb ist es gut zu wissen, unter welchen Bedingungen die Messung erfolgte.
Bei den Scheinwerfern in der Veranstaltungstechnik wird die Messung meist direkt nach dem Einschalten der Leuchte durchgeführt, um so hohe Werte auf dem Papier zu erhalten. In der Architektur ist man einen Schritt ehrlicher. Hier wird erst im eingeschwungenen Zustand gemessen, also wenn die Leuchte mit konstanter Betriebstemperatur unterwegs ist. Siehe dazu im Artikel/Abschnitt LED/LED und Temperatur den Absatz über Einfluss der Temperatur auf die Lumenabgabe.
Die Lichtverteilung messen
Die Lichtverteilung wird über ein Goniophotometer gemessen. Mithilfe eines Lichtstromintegrators lässt sich auch der gesamte Lichtstrom des Scheinwerfers errechnen.
Ein großes Goniophotometer der Firma Ilumetrix. Oben erkennt man eine Lichtstab montiert auf dem Roboterarm. Im Vordergrund der Spiegel, der das Licht in den Lichttunnel wirft, an dessen Ende der Sensor die Lichtstärke aufnimmt. (Bild: Herbert Bernstädt)
Durch Ausrichtung des Objektes kann aus allen Richtungen des Objektes das Licht auf den Photosensor reflektiert werden. (Bild: Herbert Bernstädt)
