LUX? LUMEN? WATT? CANDELA?
Lexikon Licht
Im Folgenden sollen einige Begriffe erläutert werden, die im Zusammenhang mit dem Thema Licht immer wieder auftauchen. Dabei werden die Begrifflichkeiten vereinfacht beschrieben, so dass auch für Menschen ohne Vorkenntnisse verständlich wird, in welchem Bereich die entsprechende Maßeinheit gebraucht wird. Wer genauere technisch-physikalische Definitionen sucht, sei auf die entsprechenden Fachseiten verwiesen.
Zunächst einmal geht es darum, wie man Licht „messen“ kann.
Früher standen auf der Schachtel der Glühlampe 25, 40, 60, 75 oder 100 Watt – und man konnte sich in etwa eine Vorstellung davon machen, wie das Licht im eigenen Wohnzimmer wirken würde. Heute braucht es deutlich mehr Parameter, um die Wirkung eine Lampe beurteilen zu können.
Grundsätzlich muss man unterscheiden zwischen strahlungsphysikalischen Größen, die sich auf die Eigenschaften der Lampe beziehen (wie die Watt-Angabe), und lichttechnischen Größen, die mehr die Wirkung auf das menschliche Auge oder die Empfindung angeben (beispielsweise Lumen). Um die Vielfalt der möglichen Beleuchtungsarten vom Gesichtspunkt der Wirksamkeit zu bewerten, wurden aus den rein physikalischen Größen die so genannten photometrischen oder lichttechnischen Größen abgeleitet.
Dabei ist aber zu bedenken, dass die Augenempfindlichkeit eine variable Größe ist, die im Tageslauf und auch nach Lebensalter oder Augenzustand sehr schwanken kann. Auch die Lichtempfindung kann sehr individuell sein, und wird darüber hinaus von der jeweils ausgeübten Tätigkeit abhängen. Die lichttechnischen Größen sowie die Bedeutung der physikalischen Werte sind also immer als relativ anzusehen.
Lichtmessung
Physikalische Größen
Watt (W) bezeichnet in der Physik grundsätzlich die Leistung, also den Energieumsatz pro Zeitspanne. In Watt kann zum Beispiel die Erwärmung von Wasser, die Leistung mechanischer Arbeit pro Sekunde oder eben auch die elektrische Leistung, die in der Glühlampe in Licht umgesetzt wird, gemessen werden.
Weitere physikalische Größen sind zum Beispiel die Strahlungsenergie, die Strahlungsleistung, Strahlungsintensität, Strahldichte und Bestrahlungsstärke.
Heute werden bei Leuchtmitteln aber vor allem die lichttechnischen Äquivalenzen (Lumen, Lux) angegeben, da z. B. bei LED die Leistung in Watt nicht genug über das tatsächliche Leuchtverhalten aussagt.
Lichttechnische Größen
Der Lichtstrom ist die Lichtmenge, die von einer Quelle (Lampe) abgestrahlt wird. Er wird in Lumen (lm) gemessen und entspricht der physikalischen Größe „Leistung“, gemessen in Watt. Dabei wird die gesamte abgegebene Lichtleistung angegeben, unabhängig von der Ausstrahlungsrichtung.
Die Beleuchtungsstärke auf einer beleuchteten Fläche gibt an, welcher Lichtstrom (siehe Lumen) auf eine Fläche fällt. Sie wird in Lux (lx) gemessen und entspricht ebenfalls der physikalischen Größe „Intensität“. Ein Lux bedeutet dabei 1 Lumen pro m2, das ist in etwa die Lichtstärke, die eine Kerze in einer Entfernung von einem Meter erzeugt.
Es wird hier also nicht das Licht gemessen, das von der Lampe ausgeht, sondern das, was auf der beleuchteten Fläche/Person ankommt. Die Beleuchtungsstärke hängt mit der Entfernung zur Lichtquelle zusammen. Das Verhältnis von Lichtstrom und Beleuchtungsstärke richtet sich dabei nach dem Verhältnis von Entfernung zu beleuchteter Fläche. Vereinfacht kann man sagen: Die Beleuchtungsstärke nimmt bei größerer Entfernung exponentiell ab – je höher die Lampe hängt, desto weniger kommt unten an.
Bestimmte Lampen, beispielsweise Reflektorlampen oder LEDs, strahlen ihr Licht nicht in alle Richtungen gleichmäßig ab. Je nachdem, von welcher Seite man auf die Lampe schaut, ergibt sich also eine unterschiedliche Stärke des ausgestrahlten Lichts. Die Lichtmenge, die in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird, wird als Lichtstärke bezeichnet und in Candela (cd) gemessen und entspricht der physikalischen Größe „Intensität“.
Die Leuchtdichte wird gemessen in Candela pro m2. Sie beschreibt, welche Helligkeit das Auge bei dem von einer (beleuchteten oder selbstleuchtenden) Fläche ausgehenden Licht wahrnimmt. Mit der Leuchtdichte wird z. B. die Helligkeit von Displays angegeben. Für die Beschreibung der Helligkeit von punktförmigen Lichtquellen (normale Raumbeleuchtung) ist die Lichtstärke besser geeignet.
Interessant zu wissen
Die Begriffe „lux“ und „lumen“ spielen bereits im Mittelalter eine Rolle. Das von Gott am ersten Schöpfungstag geschaffene Licht ist für die frühen Kirchenväter „lux“, ein Licht, das eine geistige Wirklichkeit hatte, den Raum beseelte und noch den Widerschein des Schöpfers in sich trug. Das materielle Medium, das es uns ermöglicht, das Wesen von „lux“ wahrzunehmen, wurde als „lumen“ bezeichnet.
Lichtmessung – Energieeffizienz
Die Lichtausbeute ist ein Maß für die effektive Umwandlung elektrischer Energie in Lichtenergie. Sie gibt das Verhältnis des gesamten von einer Lichtquelle abgegeben Lichtstroms zu der ihr zugeführten elektrischen Leistung an und wird in Lumen/Watt (lm/W) angegeben. Je größer der Wert, desto größer ist der für das Auge nutzbare Lichtstrom einer Lampe. Die Lichtausbeute spielt bei der energietechnischen Bewertung einer Lichtquelle, ihrer Effizienz, eine Rolle.
Lichtrichtung – Abstrahlverhalten
In welche Richtung eine Lichtquelle ihr Licht abstrahlt, bestimmt in hohem Grade ihre Wirkung. Im Zeitalter der Glühlampe spielte dieser Faktor nur insofern eine Rolle, als dass sich das ungebündelte Licht der Glühlampe in den verschiedenen Leuchten jeweils etwas anderes im Raum verteilte.
Grundsätzlich hat jede Lichtquelle eine Richtung, auch die Sonne scheint vom Himmel auf die Erde. Der wolkenbedeckte Himmel wirkt dann wie ein Lichtfilter, der das strahlende Sonnenlicht diffus verteilt und für ein allgemeines Helligkeitsempfinden ohne spezielle Richtung sorgt.
Für Fotografen und im Theater hat die durch die Lichtrichtung erzielte Raumwirkung grundlegende Bedeutung, es werden deshalb sehr oft Spezialleuchten wie Scheinwerfer und Blitzgeräte verwendet.
Seit der Einführung der LED unterscheiden sich aber auch die Lichtquellen selbst in Bezug auf ihr Abstrahlverhalten. Denn je kleiner die Lichtquelle und je stärker die Leuchtdichte, desto größer der Einfluss auf das Abstrahlverhalten. Der kleine Chip der LED erzeugt eine sichtbar andere Lichtwirkung als die weit und eher diffus scheinende Glüh- oder Leuchtstofflampe.
Darum gibt es inzwischen zwei verschiedene Kennzeichnungsverordnungen der EU: Nr. 1194/2012/EG für gerichtetes/gebündeltes Licht (v.a. LED und andere Reflektorlampen) und Nr. 244/2009/EG für ungerichtetes/ungebündeltes Licht (alle anderen Haushaltslampen und LED mit Diffusor oder Optik). Da sich diese beide Bereichen in der Realität nicht ganz klar trennen lassen, wurde ein Grenzwert gesetzlich festgelegt: Eine „Lampe mit gebündeltem Licht“ strahlt demnach mindestens 80 % ihres Lichtstromes in einem bestimmten Winkel aus.1
Gerichtetes oder gebündeltes Licht leuchtet klar umgrenzte Bereiche aus, es verbreitet wenig bis kein Streulicht und erzeugt harte Kanten, hohe Kontraste und abgegrenzte Schatten.
Die kleinen Chips der LED-Lampen erzeugen ein fast punktförmig ausgerichtetes Licht, das sich auf einer größeren Fläche sehr ungleichmäßig verteilt: es bildet sich dann beispielsweise ein heller Lichtfleck im Zentrum der Lichtrichtung. Für den Hausgebrauch werden solche Lampen als „Spots“ verkauft.
LED-Chips werden meist zu mehreren zusammen in einer Lampe verbaut und können mit verschiedenen Optiken in ihrem Abstrahlverhalten verändert werden.
Es bleibt aber in der Regel ein relativ scharf abgegrenzter Lichtraum mit wenig Streulicht. Deshalb können z. B. bei LED-Straßenlaternen zwischen den einzelnen Laternen und auch an den Straßenrädern Dunkelzonen entstehen, die bei vielen Menschen ein Gefühl der Unsicherheit erzeugen.
Durch Reflektoren (mit oder ohne verstärkende Parabolspiegel), lichtundurchlässige Leuchtenschirme oder Klappen können auch Glühlampen, Scheinwerfer und andere breit streuende Lichtquellen gebündelt werden. Das wird z. B. in der Fotografie oder auf der Bühne angewendet, um bestimmte Bereiche besonders hervorzuheben.
Das Licht einer Glüh-, Halogen- oder Leuchtstofflampe hat nicht nur eine Richtung, sondern strahlt nach allen Seiten gleichmäßig aus.
Dadurch entsteht ein diffuses, gestreutes, weiches Licht mit geringen Kontrasten, das helle Schatten mit verschwommenen Rändern erzeugt und weit in den Raum leuchten kann (viel Streulicht). Helle, lichtdurchlässige Leuchtenschirme oder Filterscheiben aus Milchglas o.ä. verstärken diesen Effekt.
Wenn eine Lichtquelle ihr Licht nicht direkt abstrahlt, sondern stattdessen auf eine (möglichst helle) Fläche, beispielsweise eine helle Zimmerwand, oder einen innen hell gestrichenen, lichtundurchlässigen Lampenschirm leuchtet, wird das Licht von dieser Fläche in den Raum gestrahlt. Dabei entsteht ein besonders weit streuendes, sehr weiches, indirektes Licht, das für eine stimmungsvolle Atmosphäre sorgt und bei der Raumgestaltung entsprechend eingesetzt werden kann.
Indirektes Licht wird auch gern bei Porträtfotografie verwendet, weil es durch die geringeren Kontraste wie ein Weichzeichner wirkt und Unebenheiten mildern kann.
1 Das Umweltbundesamt hat die Unterschiede auf seinen Seiten gut verständlich dargestellt: www.umweltbundesamt.de/themen/klima-energie/energiesparen/licht/haeufige-fragen-thema-licht
Licht und Farbe
Ein weiteres wesentliches Merkmal von Licht ist seine Farbigkeit. Die Entdeckung der Spektralfarben gelang zuerst Isaac Newton, der durch Experimente mit dem Prisma zeigen konnte, dass weißes Licht aus verschiedenen Farben zusammengesetzt ist und damit das Phänomen des Regenbogens erklärte. Dagegen steht die Goethesche Farbenlehre – unter Physikern bis heute umstritten, inzwischen aber auch naturwissenschaftlich bestätigt2 –, in der Farben aus dem Zusammenwirken von Hell und Dunkel, Licht und Finsternis erklärt werden.
In handelsüblichen LED ist durch die Art der Lichterzeugung (siehe hier: Lampen und Leuchten/Leuchtdioden) sehr oft ein hoher Blauanteil vorhanden.
Zuviel blau im Licht macht aber nicht nur wach, sondern kann auch schädlich wirken: Blaues Licht zur falschen Zeit stört den Schlafrhythmus, blaues Licht im Übermaß schädigt die Netzhaut des Auges (Photoretinitis erzeugt Makuladegeneration).
Zu beidem mehr unter Medizin und Gesundheit
Für die Beurteilung der Farbigkeit einer künstlichen Lichtquelle spielen neben dem Spektrum der Lampe auch die Farbtemperatur und der Farbwiedergabeindex eine Rolle.
Das Lichtspektrum ist definiert als der für den Menschen sichtbare Teil der Gesamtheit aller elektromagnetischen Wellen. Es wird in verschiedene Farbbereiche unterteilt, wobei sich die Einteilung dieser Bereiche aus historischen Gründen an der Wellenlänge orientiert. Von den sehr kurzen, energiereichen Höhen- und Gammastrahlen über die Röntgenstrahlen und die (unsichtbaren, aber im Licht wirksamen) UV-Strahlen (ultraviolett) werden die Wellen von violett über blau, gelb, grün, orange und rot bis zum unsichtbaren infrarot (IR-Strahlung) immer länger, bis sie in den Bereich der Mikro- und Radiowellen und der verschiedenen Wechselströme kommen.
Das Tageslicht bietet das volle Spektrum aller Farb- und Wellennuancen, es verändert sich auch im Verlauf des Tages und ist von Wetter und Jahreszeit abhängig. Künstliches Licht kann immer nur einen Teil des Lichtspektrums abbilden. Glüh- und Halogenglühbirnen haben dabei ein relativ ausgeglichenes Spektrum mit einem hohen Rotanteil, der dem Licht eine Wirkung gibt, die die meisten Menschen als angenehm oder gemütlich beschreiben. LEDs, auch weiße, haben immer einen ausgeprägten Blauanteil, der mit Gebrauchsdauer sogar noch stärker wird. Die Qualität des Spektrums von LED-Lampen kann herstellungsbedingt sehr schwanken. Leuchtstofflampen und Kompaktleuchtstofflampen (Energiesparlampen) haben immer ein unausgeglichenes Spektrum mit Lücken zwischen den einzelnen Farben. (Linien- oder Bandenspektrum, siehe Lampen und Leuchten).
Die Wellenlänge allein (siehe Lichtspektrum) kann die Farbqualität nur bei monochromatischem Licht wie der LED darstellen. Im Allgemeinen wird deshalb die Farbtemperatur angegeben, um den Farbeindruck einer Lampe zu beschreiben, bzw. um den Charakter der „Stimmung“ auszudrücken. Die Farbtemperatur wird in der Maßeinheit Kelvin (K) gemessen.
Als Referenz dient dabei die Temperatur, die ein schwarzer Körper aus glühendem Titan benötigt, um in einer bestimmten Farbe zu leuchten. Das Glühen steigert sich von rot über gelb und weiß bis zum blau. Deshalb hat – anders als man denken würde – blaues Licht eine hohe Farbtemperatur, rotes Licht aber eine niedrige Farbtemperatur.
Auch LED-Lampen werden über ihre Farbtemperatur klassifiziert. „Warmweiß“ – was im Allgemeinen als „gemütliche Stimmung“ empfunden werden kann, liegt dabei meist bei 2.800 K, auf jeden Fall unter 3.300 K. Eine „neutrale“ Farbtemperatur liegt zwischen 3.300 und 5.000 K. Farbtemperaturen ab 5.000 K werden als „Tageslichtweiß“ beschrieben. Natürliches Tageslicht liegt im Durchschnitt zwischen 6.500 bis 15.000 Kelvin – so hohe Werte erreicht keine Kunstlichtquelle.
Gerade die Farbtemperaturwerte sind aber, obwohl gut messbar, in ihrem Stimmungswert nur schwer einzuordnen. Der Annäherungswert „Tageslichtweiß“ wird beispielsweise in Innenräumen von vielen Menschen schon als unangenehm hell erlebt.
Unter Farbwiedergabe versteht man die Qualität der Wiedergabe von Farben unter einer gegebenen Beleuchtung. Denn trotz äußerlich gleicher Lichtfarbe können Lichtquellen bei ungleicher spektraler Zusammensetzung ihrer Strahlung unterschiedliche Farbwiedergabe- Eigenschaften haben.
Insbesondere geht es dabei um die Wiedergabe der menschlichen Hautfarbe mit ihrer sehr differenzierten farblichen Zusammensetzung. Aber auch Kleidung oder Lebensmittel können im Geschäft in Bezug auf die Farbigkeit ganz anders wirken als bei Tageslicht.
Im allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra werden acht Referenzfarben gemessen, die sozusagen als „Stichproben“ dienen, um die Farbwiedergabe zu bewerten. Tageslicht und Glühlampen haben durch ihr kontinuierliches Spektrum immer eine hervorragende Farbwiedergabe und werden mit dem Ra-Wert „100“ bewertet. Leuchtstoff- und andere Entladungslampen liefern in Bezug auf die Farbwiedergabe eher schlechte Werte (Ra 70-90). Bei LEDs hängt die Farbwiedergabe von der Qualität der einzelnen Lampe ab (Ra 75-95).
Das veränderliche Spektrum des Sonnenlichts im Tageslauf
Kunstlicht-Spektren
1 In: Arthur Zajonc: Lichtfänger. Die gemeinsame Geschichte von Licht und Bewusstsein, Stuttgart 2008
2 Matthias Rang: Phänomenologie komplementärer Spektren. Phänomenologie in der Naturwissenschaft, Bd. 9, Berlin 2015; sowie Matthias Rang, Oliver Passon, Johannes Grebe-Ellis: Optische Komplementarität. Experimente zur Symmetrie spektraler Phänomene. Physik Journal 16-2017 Nr. 3, S.43-49
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