Licht

Lichtphysik

Messtechnik: Licht richtig messen

Den Lux-Wert messen

Die Beleuchtungsstärke (US: Illumination) ist das Maß der Helligkeit für auf eine Fläche auftreffendes Licht. Dieses wird mit dem Luxmeter gemessen.

Gezeigt wird das Gossen MavoLux
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.

Für vier Farbtemperaturen werden die Energiekurven dargestellt zusammen mit Fenster der sichtbaren optischen Strahlung.
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 Filterkurve des Leuchtdichtemessgerätes liegt sehr gut auf der Helligkeitsempfindlichkeitskurve.
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 lampta-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 lampta-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.

Das Bild zeigt die Spektrale verteilung einer Halogenlampe, einem Kontinumstrahler zusammen mit der Helligkeitsbewertungskurve.
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)
Das Bild zeigt die Spektrale Lichtverteilung einer Weisslicht LED in zusammenhang der Helligkeitsempfindlichkeitskurve.
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, 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.

 

Es wird ein Luxmeter mit mehreren Sensorpositionen gezeigt. Die Fotozellen sind entlang einer rotationssymetrischen Achse verteilt, zentrum, Rand sowie dazwischen aufgeteilt. Bei rotationssymetrischen Lichtwurf kann am aus den einzelwerten eine angenäherte Integration ableiten die dann die Lumen des Scheinwerfers berechnet.
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)

 

Es wird ein Projektorbild gezeigt, das in 9 felder aufgeteilt wird. im Zentrum eines jeden Feldes sitzt ein Luxmeter-sensor. Durch Berechnung erhält man dann die Lumen nach ANSI
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)

 

Ein Chromameter kann auf dem ersten Blick mit einem Luxmeter verwechselt werden. Durch den Trippelsensor ist es jedoch möglich nicht nur die Beleuchtungsstärke zu bestimmen, sondern auch die ähnlichste Farbtemperatur CCT, die Abweichung zum Farbdreieck und natürlich den Farbort selbst mit den x und y Werten.
Mit drei Fotozellen die je 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 ermöglicht wird.

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 Colimetrie.

Die Abbildung zeigt eine Nachbildung für die xy Normfarbtafel für die Abgabe von Farborten
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 temprature) 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.

Rechner mit Chromameter zeigt auf dem Bildschirm zwei Farbräume von zwei Lichtquellen, um sie dann mittels anpassung zueinander anzugleichen.
Hochwertige Projektoren oder LED-Bildwände können ihre Weisslicht in der Lichtfarbe variiert werden. Zur exakten Anpassung hilft ein Rechner gestütztes System um das Weisslich und die Farbräume zueinander anzupassen. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Leuchtdichte messen

 

Gezeigt wird das Leuchtdichtemessgerät von Mavo-Spot2 der Firma Gossen
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.

Bildnehmende Sensoren

Bei Bildgebenden Systemen wird die Leuchtdichte angezeigt wo sie räumlich angeordnet ist. Dadurch hat man eine exelente möglichkeit optische System zu betrachten und gegebenfalls 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.

Leuchtdichtekammera nimmt die Projektins fläche auf, welche von einem Testscheinwerfer durchleuchtet wird.
CCD Kamera mit Anbindung an Rechner gerichtet auf eine Projektionsfläche für eine Leuchtdichtebestimmung in bestimmungsgemäßen Entfernung. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Die Leuchtdichte eines ETC Source Four Profilscheinwerfer mit Blick auf den Reflektor
Die Lichtdichte betrachtet in den 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)

 

Leuchtdichtebild, nun wie das Lichtbild Projeziert wird.
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 Schnitt 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 dedektiert 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.

Spekrtometer für sichtbares Licht
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.

 

Der Lichtstrahl wird in einer Lichtkammer in seine Spektralen Anteile gebeugt und dann mit vilen Fotozellen die in einere Reihe entsprechend den Wellenlängen angeordnet sind gemessen.
Das Prinzip des Spektrometer, der Lichtstrahl wird über ein Beugungsgitter in seine Spektralelemente aufgebrochen. Die Intensität jeder Wellenlänge kann dann über ein 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.

 

 

Geöffnete Ulbricht-Kugel mit eingebrachten Leuchtmittel
Das Leuchtmittel strahlt in einen Raum, der die Lichtstrahlen diffus reflektiert. Eine direkte Strahlung auf den Messkopf wird unterbunden.
(Bild: Herbert Bernstädt)
Grafische Darstellung der Funktionsweise der Ulbricht-Kugel
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 Vergleichsmessung mit einer Lampe mit definierter Lumenabgabe durchgeführt. Damit erhält man das Verhältnis zum Testobjekt und kann die Lumen angeben. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Zeigt das Messprotokoll einer Ulbrichtkugel
Auswertung einer Messung, hier mit Farbbeurteilung (Bild: LMT, Katalog 1998)

 

Die Lichtverteilung messen

Die Lichtverteilung wird über ein Goniophotometer gemessen. Mithilfe eines Lichtstromintegrators lässt sich auch der gesamte Lichtstrom des Scheinwerfers errechnen.

Realer Goniophtometer
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)

 

Prinzip des Gohnophotometers
Durch Ausrichtung des Objektes kann kann aus allen Richtungen des Objektes das Licht auf den Photosensor reflektiert werden. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

 

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