Wie so oft steckt der Teufel im Detail und so kann man auch bei der Erfassung von photometrischen Daten auch sehr viel verkehrt machen. Stellt man z.B. ähnliche Scheinwerfer nebeneinander, so kann das Lichtbild oftmals ebenfalls sehr ähnlich sein. Sieht man jedoch bei den photometrischen Daten nach, so sind manchmal gravierende Unterschiede von Lampe zu Lampe nachzulesen, die man beim visuellen Betrachten der Lichtbilder nicht erklären vermag. Wir wollen im Folgenden einmal beleuchten, wo ungenau bis manipulierend gemessen wird und zu völlig anderen Werten führt.
Bei den möglichen Abweichungen bei den photometrischen Daten in der Veranstaltungsbranche ist es ratsam die Scheinwerfer nach wie vor einem direkten Vergleich zu unterziehen um sich selbst ein Bild zu machen, wie sich der viel höher angegebene Lichtstrom sich auch im Lichtbild zeigt.
Doch um es vorweg zu nehmen, Lichttechnik bzw. photometrische Daten sind vom Grunde aus zuverlässige Daten mit den man rechnen und planen kann. Die Messmethoden sind in DIN-Normen festgelegt und haben sich seit Jahrzehnten bewährt und bieten eine zuverlässige Planungsgrundlage. So zu mindestens ist es in der Architektur. Denn im Architekturbereich werden Gebäudebeleuchtungen, Flughafenfoyes, Straßenzüge, Hotels …, komplett in der Beleuchtung durchgeplant und simuliert, lange bevor das erste Angebot für einen Scheinwerfer abgegeben wird. Wenn dann die Scheinwerfer geliefert und eingebaut werden, dann gibt es keine Änderung mehr. Die Kabel sind bereits im Putz verlegt, die Aktoren programmiert und das Design des Architekten wird nicht mehr verändert. Und wenn die in der Ausschreibung geforderten Werte nicht eingehalten werden, ist das immer ein willkommener Anlass zu kürzen oder es wird Regress oder Nachbesserung gefordert. Ganz anders in der Veranstaltungsbranche. Hier werden in der Regel bei Beleuchtungsproben Lichtstimmungen, mit dem aus dem Erfahrungsschatz gewählten Material, organisch entwickelt. Spontan werden zusätzliche Lichter hinzugefügt oder weggelassen. Man sieht sich die Szene an, geht seiner Inspiration nach und wenn es nicht gefällt werden andere Lösungen gesucht. Ist ein Scheinwerfer zu dunkel, nimmt man den nächst größeren oder hängt einen zweiten daneben. Diese Arbeitsweise ist natürlich auch den Herstellern und Vertrieben der Beleuchtungsgeräte für die Veranstaltungstechnik bekannt und geht dementsprechend auch sehr pragmatisch mit den photometrischen Daten um. Nachdem in der Epoche der Halogen und Entladungslampen immer weniger photometrische Daten von den üblichen Scheinwerfer zu Verfügung gestellt wurden, denn man wusste ja was man von einem 1,2KW Scheinwerfer zu erwarten hat, ist nun mit den LED-Leuchtmitteln die umgekehrte Tendenz zu beobachten. Es werden nun sehr viel photometrische Daten zur Verfügung gestellt, da die Wattangabe des Leuchtmittels nicht mit dem Erfahrungsschatz von den Halogen- und Entladungslampen zusammen passt. Mit Einzug der LED als Leuchtmittel ist die Angabe des Lichtstrom Φ in Lumen (lm) der erste Anhaltspunkt um die Helligkeit des Scheinwerfers zu beschreiben. Und da diese Beschreibung in der Veranstaltungsbrache noch relativ neu ist, werden auch hier viele Wege ausprobiert.
Da lesen wir in einem Datenblatt von einem Scheinwerfer das der Lichtstrom unter gleichen Bedingungen mit einem Goniometer gemessen 25367 lm beträgt und mit einer Ulbrichkugel 30366 lm beträgt. Das ist ein Unterschied von 4999 lm. Spätestens hier müssten alle Alarmglocken schrillen. Das ist so, wie wenn ein Auto mit dem Radarwagen mit 300 Km/h geblitzt wird und die ebenfalls aufgebaute Lichtschranke 250 Km/h angibt.
Lichtstrom gemessen mit Goniometer und Ulbricht-Kugel ergeben unterschiedliche Werte???
Heute googelt man sich schnell eine Antwort anstatt Fachbücher zu wälzen. So findet man auf diversen Seiten praktische Lux zu Lumen Umrechner. Und ein Luxmeter ist eine Investition die man als Hersteller aus der Portokasse begleicht. Also ran ans Werk. Die Beleuchtungsstärke in Lux wird in einem bestimmten Abstand gemessen und dann in zusammen mit dem Abstrahlwinkel des Scheinwerfers auf der Internetseite in die Eingabemaske eingetragen und Schwups hat man die gewünschte Angaben des Lichtstromes in Lumen. Jedoch hat es einen Grund warum auf jeder dieser Seiten ein Hinweis steht das diese Werte nur eine Annäherungen sind und jede Haftung bei Benutzung derselben ausgeschlossen wird. Obwohl man bei verschiedenen Seiten die gleichen Werte angibt, sind die Ergebnisse abwechslungsreich. Je nachdem welche Website man aufruft bzw. welche Formel der Programmierer der Website zu Grunde gelegt hat, erhält man bei einer fiktiven Angabe von einem Abstrahlwinkel von 58° und einer Beleuchtungsstärke von 150 lx in 15m Entfernung auf der einen Webseite einmal ein Lichtstrom von 26587 lm und auf der anderen Website 32578 lm. Das ist eine Differenz von 5991 lm von Website zu Website. Geht man der Sache auf den Grund, so hat sich der eine Programmierer den Lichtstrom Φ mit der vereinfachten Formel I (lx) x Ω (sr) = Φ (lm) angenähert, während der anderen Website die Formel E (lx) x A (m²) = Φ (lm) benutzt hat. Der Unterschied rührt daher das die Berechnung über den Raumwinkel die beleuchtete Fläche der Kugeloberfläche des Raumwinkels nutzt, während im anderen Fall die Fläche einer ebenen Projektion einsetzt wird, wobei die ebene Fläche mit größer werdenden Abstrahlwinkeln immer größer wird als die Fläche der Kugeloberfläche. Jetzt drängt sich die Frage auf, wie wurde der Abstrahlwinkel des Scheinwerfers erfasst, als Ebene Flächenprojektion oder als Raumwinkel. Das werden wir in einem späteren Kapitel behandeln. Abgesehen von den varianten der Fläche, werden hier vereinfachte Formeln zugrunde gelegt, die eine Lichtverteilung der beleuchteten Fläche völlig außer Acht lassen. Wenn wir von einem Abstrahlwinkel sprechen ohne weitere Angabe, dann nehmen wir einen Halbwertswinkel (°) (eng. Beamangel) an. Das bedeutet, dass der Abstrahlwinkel dort definiert wird, wo die Lichtstärke nur noch 50% von der hellsten Stelle, die meist im Zentrum zu finden ist, aufweist. Die vereinfachten Formeln hingegen gehen von einer gleichbleibenden Helligkeit über die gesamte Fläche aus. Folglich dient die Nutzung der Vereinfachten aber komfortablen Umrechnungsseiten aus dem Internet eher einem Zeitvertreib. Das es auch anders geht, aus gemessenen Beleuchtungsstärken (Lx) auf den Lichtstrom zu kommen, ist die Anwendung der numerische Integration. Auch dafür gibt es Formeln, siehe unter Wirkungsgrad.
Einmal der Weg über den Raumwinkel:
I (lx) x Ω = Φ (lm)
mit: I (lx) = E (lx) x r²
und Ω = 2π * ( 1 – cos ( α / 2) )
Einmal der Weg über die Fläche:
E (lx) x A (m²) = Φ (lm)
mit: A = (d² × π)/4
und d/2 = r x tan (α /2)
Beide mal gilt:
Beleuchtungsstärke E in Lux (lx),
Lichtstrom Φ in Lumen (lm),
Fläche A in Meter² (m²),
α ist der Abstrahlwinkel,
r = Abstand (Scheinwerfer zur beleuchteten Fläche),
d/2 = Radius des Kreises der beleuchteten Fläche
Die Kugeloberfläche (A) beim Raumwinkel (bei dem genannten Beispiel mit 150 lx bei 15m Entfernung und 58 Abstrahlwinkel) ist 177,25m². Die Fläche der Projektion an einer ebenen Wand (B) ergibt 217,188m². Setzt man jeweils den anderen Wert ein, erhält man gleiche Ergebnisse. Mit dem Anschauungsbild wird auch deutlich das mit größer werdenden Abstrahlwinkel sich beide Flächen weiter im Betrag unterscheiden werden. Spätestens bei 180 Abstrahlwinkel wird deutlich das die Kugelfläche real ist, währen die Ebenfläche gegen unendlich läuft. (Bild: Herbert Bernstädt)
Wir können von ganz eng bis ganz ganz weit, brillierte ein Hersteller bei der Angabe seiner Abstrahlwinkel in seinem Prospekt. Nachgemessen konnte man das so nicht nachvollziehen, bis die Aufklärung erfolgte. Der enge Abstrahlwinkel wurde mit dem Halbwertswinkel (eng. Beamangel) angegeben und die weite Zooeinstellung mit einem 1/10-Gradswinkel (eng. Field-Angel). Abgesehen dass hier Äpfel und Birnen auf der Waage gelegen haben, kann die Erfassung der Winkel ebenfalls unterschiedlich erfolgen und muss vom Messergebnis auch nicht unseren optischen Empfinden entsprechen. Nehmen wir z.B. eine scharf gezogenen Zoomscheinwerfer bzw. Profilscheinwerfer bzw. Spot-Moving Head. Werfen wir den Lichtkegel senkrecht auf eine Wand, dann ist man geneigt den Zollstock herauszuholen, und vom dem einem Rand zum anderen den Lichtkegel auszumessen. Mit der Entfernung zum Scheinwerfer kann man mit der Trigonometrie recht leicht den Abstrahlwinkel errechnen. Aber das wird wohl in den seltensten Fällen nicht der Abstrahlwinkel sein, den man in den photometrischen Daten findet. Denn wenn man den Begriff Abstrahlwinkel mit dem 50% Winkel bzw. Halbwerts-Winkel assoziiert, ist der Winkel anzugeben der bei 50% Helligkeit gegenüber der hellsten Helligkeit im Lichtkegel vorhanden ist. Und das ist meist nicht der Randbereich eines scharf gezogenen Profilers, sondern meist innerhalb des Lichtkreises werden die 50% schon unterschritten.
An der Lichtverteilungskurve dieses scharf gezogenen Profilscheinwerfers sieht man deutlich das der 50% bzw. Halbwertswinkel nicht dem scharfgezogenen Randbereich den unser Auge als Grenze bevorzugt, entspricht. (Bild: Herbert Bernstädt)Definition der Abstrahlwinkel: Halbwertswinkel = 50% Winkel (eng. Beamangle); 1/10 Wertswinkel = 10% Winkel (eng. Fieldangle); Randwinkel = 3% Winkel (eng. cutoffangle). (Bild: Herbert Bernstädt)
Jetzt packen wir noch einen darauf. Als wir mit dem Zollstock an der Wand entlang gegangen sind um die Entfernung zum scharfen Randbereich bzw. den Durchmesser zu messen, könnte man nun mit einem Luxmeter dieser Messlinie folgen und nachmessen wo die 100%, die folgenden 50%, und als letztes die 10% Helligkeit für den 1/10-Grads-Winkel zu messen sind. Hierbei ist zu beachten, dass man das Luxmeter immer senkrecht zur Stahlquelle auszurichten ist, da ansonsten der Winkelfehler des Messgerätes zu viel Einfluss nimmt. Dazu kommt, das mit der Entfernung aus dem Mittelpunkt der Abstand zur Leuchtquelle immer länger wird, was natürlich auch Einfluss hat, denn nach dem Entfernungsgesetz nimmt die Helligkeit zum Quadrat der Entfernung ab.
Die lineare Erfassung des Abstrahlwinkels entspricht dagegen dem praktischen Projektionsverhalten, so wie der Scheinwerfer auch das Licht auf die Bühne werfen wird. Jedoch müsste der Sensor immer zur Lichtquelle ausgerichtet werden und der veränderte Abstand kompensiert werden. Für breit abstrahlende Leuchten wie einem Softlight ist diese Methode nicht praktikabel. (Bild: Herbert Bernstädt)
Aus diesem Grund, werden die Lichtverteilungskurven bzw. Abstrahlwinkel oft mit einer Drehteller ermittelt, womit a) der Abstand zum Lichtsensor immer gleich bleibt und b) der Lichtsensor immer senkrecht zur Lichtquelle positioniert ist.
Die Abstrahlwinkel-Erfassung mit dem Drehteller entspricht der Kugelfläche des Raumwinkels. Außerdem ist der Sensor richtig ausgerichtet und der Abstand zum Sensor konstant.
Jetzt kommt noch eine weite Vorbedingung hinzu. Das photometrische Entfernungsgesetz besagt im groben, dass man für eine gewisse Messgenauigkeit einen Mindestabstand von Leuchte zum Messsensor benötigt, der einmal davon abhängig ist wie groß die Lichtabgebende Fläche der Leuchte ist und zum anderen welchen Abstrahlwinkel man erwartet. Wir haben uns bis zu diesem Zeitpunkt ausschließlich mit idealisierten rotationssymmetrischen Lichtkegeln beschäftigt. Also einfachen Schnitt durch die Achse des Lichtkegels. Abgesehen von asymmetrischen Lichtwürfen wie bei den ebenso genannten Flutern hatte man schon damals bei den Entladungslampen und Halogenlampen den Einfluss des Sockels oder der Elektrodenhaltenden Glaskörper im Lichtbild gesehen. Aus diesem Grunde hatten die Amerikaner schon sehr früh zur Beurteilung der Lichtverteilung mit Ihrer ANSI E1.9 die Verwendung einer Iso-illuminance Diagram vorgeschlagen die als letzte Linie einen 3% Helligkeit anzugeben hatte und die weiteren Abstufungen in 10er Schritten erfolgte.
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)
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.
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.
Viele Beleuchter und Veranstaltungshäuser haben bereits ein Luxmeter im Einsatz mit dem man unter anderen auch den Farbort bestimmen kann. Ab und zu findet sich dann auch ein Spektrometer im Einsatz. Und wieder werden andere Messergebnisse auf dem gerade geeichten Handheld-Spektrometer angezeigt als man in den photometrischen Daten der Leuchte nachlesen kann. Hier ist kein böser Wille dabei, jedoch mit dem Handgerät misst man z.B. den Farbort (x y oder u‘ v‘) oder die nahenliegenste Farbtemperatur in Kelvin (CCT) nur an einem Punkt in einem Lichtkreis. Ungünstiger Weise müsste man für Vergleichsmessungen dann die Jeweilige Position der Messung im Lichtkegel genau bestimmen um reproduzierbare Werte zu erhalten. Hier reichen im ungünstigen Fall eine Verschiebung von wenigen cm für andere Werte. Geht man in den Radbereich der schon optisch deutlich vom Zentrum abhebt wird es noch deutlicher. Aus diesem Grund werden Farborte oder Farbtemperaturen gerne über eine Ulbricht-Kugel gemessen, so dass alle Bereiche einfließen und damit eine Vergleichbarkeit mit anderen Leuchten erreicht wird. So ist zwar im Zentrum des Lichtkegels die wunderbare Farbtemperatur von 3200K vorhanden, aber im Datenblatt nur die Rede von 3078 K weil der rötliche Randbereich in Ulbricht-Kugel ebenfalls zum Ergebnis der Mittelung beiträgt.
Je nachdem wo man sein Handheld-Messgerät im Lichtkegel positioniert (A-D), erhält man jeweils andere Messergebnisse. Deshalb ist zur Vergleichenden Messung die Messung mit der Ulbricht-Kugel besser geeignet, da Sie Positionierungsfehler egalisiert da sie alle Lichtstrahlen berücksichtigt. Dafür erhält man auch Werte, wie z.B. eine Farbtemperatur oder Farbort, der nicht mit dem übereinstimmt welches man z.B. im Zentrum des Scheinwerfers, so wie er auch in der Praxis angewendet wird, gemessen wird. (Bild: Herbert Bernstädt)
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.
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)
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)
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)
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.
Blick in eine geöffnete Ulbricht-Kugel. Im Zentrum befindet sich die Aufnahme für den Prüfling. An der hinteren Seite der Kugel kann man den Austritt für den Lichtsensor erkennen mit der Blende davor damit kein direktes Licht auf den Sensor fallen kann. Ein Grund für die hohen Kosten einer Ulbricht-Kugel ist die Spezialbeschichtung, denn es müssen alle Lichtfarben möglichst gleichstark reflektiert werden. (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 die Lumen angeben. (Bild: Herbert Bernstädt)
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. Denn eine Eigenschaft der LED ist das die Helligkeit mit zunehmender Erwärmung exponentiell abnimmt. In der Architektur ist man einen Schritt ehrlicher. Hier wird erst im eingeschwungenen Zustand gemessen, also wenn die Leuchte mit konstanter Betriebstemperatur unterwegs ist.Und das Dauer oftmals weit mehr als eine halbe Stunde bevor man den Messknopf drücken kann. Einige Scheinwerfer erreichen z.B. nie einen eingeschwungenen Zustand, sondern regeln zwischen zwei Zu ständen hin und her, was nicht für ein gutes Temperaturmanagement spricht. Siehe dazu im Artikel/Abschnitt LED/LED und Temperatur den Absatz über Einfluss der Temperatur auf die Lumenabgabe.
Der Lichtstrom bei diesem Beispiel nimmt innerhalb kurzer Zeit rapiede ab, bis die Lüftung einsetzt. Nach über 3000 sek. also ca. 50 Minuten, reicht die Lüfterkühlung nicht mehr aus und die LED-Board-Schutzbeschaltung dimmt die LED herunter. Dabei kühlt sie sich soweit ab, dass sie kurz darauf wieder voll durchgesteuert werden kann. Das wiederholt sich nun unendlich, die Leuchte findet nie zu einer konstanten Helligkeit. (Bild: Herbert Bernstädt)
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)
Die Leuchte wird auf eine drehbaren Teller gesetzt, der wiederum geschwenkt werden kann. Somit ist die Leuchte in beiden Achsen rotierbar. Über einen Umlenkspiegel (Zur Platzreduktion) und einigen streulichtblenden fällt das Licht in größerer Entfernung auf den Sensor. Wenn man bedenkt, dass jede y-Achsenposition auch bei jeden x-achsenwert Aufgenommen wird, um die räumliche Lichtverteilung zu ermitteln, kann man sich vorstellen, dass eine Messreihe sehr zeitaufwendig ist. (Bild: Herbert Bernstädt)
Leider nutzt man das Marketing der Veranstaltungsbranche die Erstellung photometrischer Werte mehr zu Werbezwecke anstatt zur Basis einer soliden Planung. Vielleicht ändert es sich wenn in Zukunft mehr Simulationssoftware verwendet wird, die genaue Beleuchtungsstärke im Set berechnen kann, auf die man sich anschließend auch verlassen kann. Die Tendenz auch in der Veranstaltungsbranche immer mehr im Vorfeld zu simulieren nimmt auch durch den Kostendruck immer weiter zu. Aber bis dahin kann man nur empfehlen die in Frage kommenden Scheinwerfer einem direkten Vergleich unterziehen. Insbesondere wenn bei der Angabe der photometrischen Daten nicht die Messmethode und die Bedingungen der Messungen genannt werden. In der Praxis zeigt sich leider ein sehr kreativer Umgang derselben, so dass einem der direkte Vergleich nicht erspart bleibt.
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