Sichtbares Licht

Genauso wie ir und uv ist sichtbares Licht ein Teilbereich der elektromagnetischen Strahlung. Es ist der Bereich, der für den Menschen über das Auge sichtbar ist. Der Mensch sieht Strahlung ungefähr im Wellenlängenbereich 400 nm bis 800 nm. Allerdings erscheinen dem Auge nicht alle Wellenlängen gleich hell. Grünes Licht löst die stärkste Hellempfindung im menschlichen Auge aus, blaues und rotes Licht tragen nur wenig zur Hellempfindung bei ¹⁾.

Die Einheit Lumen ist dabei so definiert, dass 1 W Strahlung mit 555 nm genau 683 Lumen entsprechen. Die übrigen Wellenlängen werden mit der Hellempfindlichkeitskurve $V(\lambda)$ gewichtet.

$ 683 \frac{lm}{W} \int_{390 nm}^{830 nm}\mathrm{d}\lambda I_\lambda(\lambda) \cdot V(\lambda) $

Durch die Gewichtung mit der Hellempfindlichkeitskurve entsteht aus der physikalischen radiometrischen Einheit Watt die photometrische Einheit Lumen. Sie und weitere Größen werden im Begriffkomplex “Helligkeit” genutzt:

• Der Lichtstrom (physikalische Einheit Lumen [lm] ) gibt an wie viel Licht von einer Lichtquelle abgestrahlt wird. Er wird hauptsächlich zur Beschreibung und Vergleich der Leistung von Leuchtmittel verwendet.
• Die Beleuchtungsstärke (physikalische Einheit Lux [lx] ) gibt an, wie viel Licht auf eine Fläche auftritt. Sie dient der Bewertung des vorhandenen Helligkeitsniveaus.
• Die Leuchtdichte (physikalische Einheit lm/m²/sr oder cd/m²) ist das Verhältnis der Lichtstärke, die eine Lichtquelle in einen bestimmte Raumwinkel abstrahlt, und der senkrechten Projektion ihrer Fläche in diese Richtung. Sie stellt ein Maß für den Helligkeitseindruck dar, den das Auge empfängt.
• Die Lichtstärke (physikalische Einheit Candela [cd]) gibt an welcher Lichtstrom von einer Lichtquelle in einen bestimmten Raumwinkel abgestrahlt wird. Sie wird zur Kennzeichnung des Abstrahlverhaltens von Leuchtmitteln verwendet.Bei bekanntem Abstrahlwinkel und mittlerer Lichtstärke lässt sich dieser Wert in Lumen umrechnen:Lumen = Candela · 6,283 · [ 1 - cos (halber Abstrahlwinkel) ]
• Die Lichtmenge (physikalische Einheit lm h) gibt an wie viel Licht eine Lichtquelle in einer bestimmten Zeit insgesamt abstrahlt. Sie spielt bei biologischen Vorgängen und bei der Berechnung von Stromkosten eine große Rolle.

Der Lichtstrom gibt an wie viel Licht eine Lichtquelle abstrahlt. Dieser Wert ist daher sehr gut geeignet um verschiedene Lichtquellen mit einander zu vergleichen. So ist auf die Verpackung von Glühbirnen oder Leuchtmitteln für Halogen­metalldampf­strahler meist der Lichtstrom in Lumen gedruckt.

Zur Beurteilung der Wirtschaftlichkeit einer Lampe dient die Lichtausbeute in der Einheit Lumen/Watt: Lichtstrom geteilt durch die aufgenommene elektrische Leistung.Theoretische Maximalwerte einer Lichtquelle die ausschließlich Licht bei der Wellenlänge 555nm abgibt (dem Maximum der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges), und alle aufgenommene elektrische Energie ohne Verluste in Lichtenergie umwandelt (nicht möglich) ist 683 lm/W.Eine ideale Lampe, die im sichtbaren Bereich wie ein schwarzer Strahler bei 5.500K strahlt (=Sonnenlicht) hat maximal eine Lichtausbeute von 200 lm/W. Ein schwarzer Strahler erreicht bestenfalls (6.000 Kelvin) eine Lichtausbeute von 95 lm/W. Glühbirnen liegen als näherungsweise graue Strahler weit darunter (6-20 lm/W). Entladungslampen (Halogen­metalldampf­strahler / Röhren) erreichen um die 100lm/W.

Mit der Beleuchtungsstärke wird angegeben wie viel Licht auf eine Fläche fällt, d.h. wie hell diese Fläche beleuchtet ist. Lux dienen also dazu die Helligkeit im Terrarium, im Wohnraum oder am Arbeitsplatz zu messen und zu vergleichen. Wie viel Lux eine Lampe erzeugt hängt von drei Faktoren ab:

• Lichtstrom (Lumen) den die Lampe abstrahlt
• Reflektor der Lampe
• Abstand der Lampe zur beleuchteten Fläche

Handelt es sich um eine Lampe, die ihr Licht gleichmäßig in alle Raumrichtungen abstrahlt, so ändert sich die Beleuchtungsstärke quadratisch mit dem Abstand (“quadratisches Abstandsgesetz”). Halbiert man den Abstand der Lampe zur beleuchteten Fläche (Faktor 1/2), so vervierfacht (Faktor 4 = 2²) sich die Beleuchtungsstärke. Grund für den quadratischen Faktor ist, dass die Oberfläche einer Kugelfläche proportional zum Quadrat des Kugelradius ist.Ein Reflektor bündelt das Licht, so dass das quadratische Abstandsgesetz nicht mehr erfüllt ist. Im Extremfall kann der Reflektor alles Licht der Lampe in einem einzigen Brennpunkt bündeln, und die Beleuchtungsstärke in diesem Punkt wächst fast ins Unendliche. Spotstrahler bündeln das Licht auf eine kleine Fläche und erzeugen so auch im großen Abstand eine (kleine) Fläche mit hoher Beleuchtungsstärke. Hier kann man nur nachmessen, wie hell es in welchem Abstand zur Lampe tatsächlich ist!

Es existieren offizielle Empfehlungen für die Beleuchtung von Innenräumen (DIN EN 12464-1). Diese und auch typische Werte des Sonnenlichts können als Referenz herangezogen werden, wie hell bestimmte Beleuchtungsstärken sind.