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Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte

Mit der Besprechung der abgeleiteten optischen Einheiten für die Beleuchtungsstärke und die Leuchtdichte schließt die Serie „Maßeinheiten und Fachbegriffe“ zunächst ab. Es geht um die Helligkeit einer beleuchteten und einer leuchtenden Fläche.

HLD

Beleuchtungsstärke und Leuchtdichte sind zwei sehr ähnliche Größen: Erstere gibt den pro Flächeneinheit einfallenden, letztere den von einer bestimmten Fläche ausgehenden Lichtstrom an. Vereinfacht versteht man unter der Beleuchtungsstärke die Helligkeit auf einer beleuchteten Fläche und unter Leuchtdichte die Helligkeit der leuchtenden Fläche einer Beleuchtungsquelle. Entsprechend der Wärmelehre oder der Radiometrie könnte man sich beides als Energie pro Fläche vorstellen (Watt pro Quadratmeter) und in der Physik rechnet man auch damit unter Angabe der genauen Wellenlänge des Lichts (bei 555 nm entspricht 1 Lumen 1/683tel Watt), aber wie schon in Papier+Technik Nr. 11/2007 beschrieben, spielt beim Licht ja die Empfindlichkeit des menschlichen Auges eine Rolle, so dass man von der Candela ausgeht und entsprechende Einheiten ableitet.

Die Beleuchtungsstärke E ist der auf eine Ebene A einfallende Lichtstrom f pro Quadratmeter, gemessen in Lumen (siehe P+T 11/2007), und wird in Lux (lx) gemessen:

E (lx) = f (lm) : A (m²)

Der Name kommt vom Lateinischen lux = das Licht. Allgemein gilt, dass eine punktförmige Lichtquelle mit der Lichtstärke von einer Candela (siehe PapierMacher 5/2003) auf einer 1 Meter entfernten senkrecht beleuchteten Fläche genau 1 Lux erzeugt. Diese Beleuchtungsstärke spielt in der Photometrie eine große Rolle, denn praktisch jeder moderne Fotoapparat hat heute ein eingebautes Luxmeter beziehungsweise einen Beleuchtungsmesser, in der Fotografie auch Belichtungsmesser genannt, mit dem die Belichtungszeit des Films in der klassischen Kamera beziehungsweise des Bildwandlers in der Digitalkamera gesteuert wird. Früher benutzte man den separat zu handhabenden Belichtungsmesser und musste die Belichtungszeit an der Kamera von Hand einstellen. Auch für die ausreichende Arbeitsplatzbeleuchtung gibt es Richtlinien und Verordnungen, so sollen zum Beispiel Fabrikationsanlagen mit mindestens 200 bis 500 und Büros mit mindestens 500, Großraumbüros mit 1000 Lux ausgeleuchtet sein. Das Luxmeter ist ein fotoelektrischer Empfänger, heute meist eine Fotodiode, der einen zur Beleuchtungsstärke proportionalen Strom liefert. Dieser Strom wird mit einem Mikroamperemeter, dessen Skala direkt in Lux oder Belichtungswerten geeicht ist, gemessen und angezeigt.

10 000 Lux im OP-Saal
Gängige Größenordnungen der Beleuchtungsstärke sind zum Beispiel: Sonnenlicht im Sommer 100 000 lx, bei bedecktem Himmel 20 000 lx, im Schatten 10 000 lx, bei bedecktem Himmel im Winter 1000 lx, bei Mondschein 0,25 lx und in einer mondlosen Nacht 0,0003 lx. Im OP-Saal hat man 10 000 lx, im Fernsehstudio 1000 lx und in Wohnräumen 80 lx. Eine Kerze aus 1 Meter Entfernung bringt es auf 1 lx. Die menschliche Netzhaut ist sehr empfindlich (siehe unten bei Leuchtdichte), und ihre Empfindlichkeit überdeckt den riesigen Bereich von etwa 1011 Lux. Das Auge passt sich überhaupt sehr gut an, zu einem kleinen Teil auch durch die Blendenwirkung (Verringerung/Erweiterung der Pupille), aber das dauert eine ganze Zeit. Beim Übergang von hell auf dunkel braucht man mindestens 6 Minuten zur Adaptation (Anpassung), die volle Dunkelsehleistung erreicht man erst nach etwa 30 Minuten. Von dunkel auf hell geht es mit rund einer Minute wesentlich schneller.

Die Leuchtdichte L als Maß für die Helligkeit einer Lichtquelle ist wie oben gesagt die Lichtausstrahlung von einer Lichtquelle. Sie hat keine eigene Bezeichnung und wird als Lichtstärke I in Candela je Flächeneinheit (Quadratmeter) senkrecht zur scheinbar leuchtenden Fläche A gemessen („scheinbar“, weil man zum Beispiel bei der Glühlampe die leuchtende Oberfläche des Glaskolbens wahrnimmt, während das eigentliche Licht vom Glühfaden emittiert wird):

L (cd/m²) = I (cd) : A (m²)

Frontlinse bestimmt Lichtstärke des Objektivs
Eine Lichtquelle gleicher Lichtstärke erscheint umso heller, je kleiner die abstrahlende Fläche ist. Übrigens sei an dieser Stelle erwähnt, dass als Lichtstärke in der Fotografie das Maß der wirksamen Objektivöffnung (Durchmesser der Blende) im Verhältnis zur Brennweite bezeichnet wird. Das ist also etwas ganz anderes als die Lichtstärke des SI-Systems. Die Lichtstärke eines Kameraobjektivs entspricht dem Kehrwert der kleinsten Blendenzahl eines Objektivs und wird zum Beispiel als „1/2,8“ oder „1:2,8“ oder „f/2,8“ oder einfach „F 2,8“ angegeben. Da der Durchmesser der größten Blende nie größer als der Durchmesser der Frontlinse eines Objektivs sein kann, bestimmt die Frontlinse die Lichtstärke des Objektivs. Handelsüblich sind Objektive mit 1,4, 2, 2,8, 4 oder 5,6, bei langbrennweitigen Teleobjektiven auch noch kleinerer größter Blendenöffnung. Das Super-Weitwinkel-Objektiv ist das Zeiss Planar 1:0,7 bei 50 mm Brennweite. Hier ist die größte Blende fast 1 ½ mal so groß wie die Brennweite, und den Kauf eines solchen Objektivs stellt der Normalfotograf im Allgemeinen zugunsten eines Autos zurück!

Beispiele für Leuchtdichten sind: Klarer Himmel im Mittel 8 000 cd/m², bedeckter Himmel 2 000 cd/m², Nachthimmel bei Vollmond 0,1 cd/m², bedeckter Nachthimmel unter 0,1 x 10–3 cd/m². Die Wahrnehmungsgrenze des menschlichen Auges liegt bei 3 x 10–6 cd/m². Die Helligkeit der Sonne als Strahlungsquelle liegt mittags bei 1,6 x 109 cd/m² und ist für das menschliche Auge nicht erträglich – man erblindet zumindest temporär. Morgens oder abends kann man „in die Sonne“ gucken, da ist die Helligkeit „nur“ 6 x 106 cd/m². Der Mond ist mit einer Helligkeit von 2,5 x 10³ cd/m² gut ansehbar. Elektrolumineszente Lichtquellen (Leuchtfolien) liegen bei einigen 10 cd/m². Früher verwendete man auch eigene Namen für die Leuchtdichte, zum Beispiel das Stilb (sb) (1 sb = 1 cd/cm² = 10 000 cd/m²) oder das Apostilb (asb) beziehungsweise Blondel (1 asb = 1/p cd/m² = 0,31831 cd/m²) mit der kleineren Einheit Skot (0,001 Apostilb). In den USA verwendet man die auf US-Flächenmaß bezogenen Candela pro Quadratfuß oder pro Quadratzoll (cd/ft² = 10,764 cd/m² oder cd/in² = 1550 cd/m²) und bezeichnet 1 cd/m² als Nit (nt). Weiter sind dort auch das veraltete Lambert (L oder la) (1 L = 104/p cd/m² = 3183 cd/m²) und das Footlambert (Fl) (1 Fl = 1/p cd/ft² = 3,426 cd/m²) noch nicht ganz ausgerottet.