3 Grundlagen, Definitionen und Abgrenzungen

3.1 Was ist Licht?

Erste grundlegende naturwissenschaftliche Arbeiten zur Natur des Lichtes stammen aus dem 17. Jahrhundert: 1675 wurde die Emissions- oder Korpuskulartheorie von Isaac Newton (1643 - 1727) und 1690 die Ondulations- oder Wellentheorie von Christian Huygens (1629 - 1695) entwickelt.[2]

Nach Newton besteht Licht aus winzigen Korpuskeln oder Partikeln, die von einer Lichtquelle aus geradlinig durch den Raum geschleudert werden. Die Lichtteilchen können von Hindernissen abprallen und die Richtung ihrer Flugbahn verändern.[3] Damit ließen sich zwar nun die geradlinige Ausbreitung des Lichtes, die Reflexion und die Lichtfarbe gut erklären, die teilweise Reflexion und die Brechung an Grenzflächen wurde hiermit aber noch nicht zufriedenstellend beschrieben.[4]

Hier erwies sich Huygens Wellentheorie als überlegen. Um 1800 konnte Thomas Young (1773 - 1829) die Wellennatur des Lichtes sogar beweisen. Ebenso wie der Schall kann auch das Licht als ein Wellenphänomen verstanden werden und die Ausbreitung des Lichtes mit allgemeingültigen Gesetzen zur Ausbreitung von Wellen beschrieben werden. Phänomene wie die Beugung, Interferenz und Polarisation des Lichtes waren dadurch erklärbar.[5]

Allerdings gelang es erst im Jahre 1861 dem Mathematiker Clerk Maxwell (1831 -1879), die Ausbreitung von Licht als elektromagnetische Welle quantitativ zu beschreiben.[6] Die moderne Lichtquantentheorie unterscheidet sich vom Prinzip her nicht signifikant von den Ansätzen Newtons und Huygens. Im Rahmen des sogenannten Welle-Teilchen-Dualismus werden Korpuskular- und Wellencharakter des Lichts als gleichwertig betrachtet. Allein die Art der Lichtbeobachtung bestimmt, ob das Licht als Teilchen oder als Welle in Erscheinung tritt.[7]

Da die Wellenlängen der elektromagnetischen Strahlung einen großen Bereich umfassen, werden sie in Zehnerpotenzen angegeben. Das Spektrum des sichtbaren Lichtes umfasst nur einen sehr kleinen Bereich. Er liegt bei etwa 370 nm (violett) bis 750 nm (rot), entsprechend einer Frequenz von 8x 1014 Hz bis 4x 1014 Hz. Das Lichtempfinden des menschlichen Auges bezieht sich ausschließlich auf elektromagnetische Wellen, deren Frequenzen im sichtbaren Bereich liegen. Wellen anderer Frequenzen haben keine Farbe.[8]

Abbildung 9 zeigt zum einen das komplette elektromagnetische Spektrum, zum anderen das für Menschen sichtbare Spektrum.

Abbildung 9: Elektromagnetisches Spektrum

Quelle: Prof. Dr. Oliver Reiser, Universität Regensburg, 2010

3.2 Lichttechnische Grundgrößen und Einheiten

Abbildung 10: Illustration der Fachbegriffe Lumen, Candela und Lux

Man unterscheidet zwischen strahlungsphysikalischen Größen, die sich auf Strahlung beliebiger Wellenlängen beziehen und lichttechnischen Größen, die das sichtbare Licht bezogen auf die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges bezeichnen. Die für das Verständnis dieser Arbeit notwendigen Größen und Einheiten werden auf den folgenden Seiten beschrieben.

Lichtstrom = Lumen (lm):[9]

Der Lichtstrom ist die gesamte Lichtleistung die von einer Lichtquelle unabhängig von der Richtung abgegeben wird.

Lichtstärke = Candela (cd):[10]

Die Lichtstärke ist der Teil des Lichtstroms, der in einer bestimmten Richtung, dem sogenannten Abstrahlwinkel (Steradiant (sr)) abgegeben wird. Ein Candela entspricht einem lm pro sr.

Beleuchtungsstärke = Lux (lx):[11]

Die Beleuchtungsstärke ist der Lichtstrom pro Flächeneinheit. Ein Lux entspricht einem lm pro m2.

Leuchtdichte = L (cd/m2): [12]

Die Leuchtdichte ist ein Maß für den Helligkeitseindruck. Sie entspricht dem Lichtstrom je Fläche und Raumwinkel. Das menschliche Auge empfindet Leuchtdichteunterschiede als Helligkeitsunterschiede.

Lichtausbeute = Lumen pro Watt (lm/W) = Energieeffizienz:[13]

Die Lichtausbeute oder der Wirkungsgrad ist ein Maß für die Effizienz der Umwandlung elektrischer Energie in sichtbares Licht. Abbildung 11 zeigt die Energieeffizienz verschiedener Beleuchtungstechniken. Die LED befindet sich mittlerweile bei über 120lm/W (Stand Mai 2010), Tendenz weiter steigend. Die Bezeichnungen T5 und T8 stehen für Leuchtstoffröhren verschiedener Durchmesser. Die effizientere T5-Röhre hat einen Durchmesser von 16mm, die T8 hat 26mm.

Abbildung 11: Energieeffizienz von Beleuchtungstechnik im Vergleich

Quelle: In Anlehnung an „Typen energiesparender Lampen“ des Bayerischen Landesamt für Umwelt, ergänzt durch Daten von www.cree.com, 2009

Wirkungsgrad = Prozent (%):[14]

Der Wirkungsgrad gibt das Verhältnis der abgestrahlten Lichtleistung zur eingesetzten elektrischen Leistung an.

Lichtfarbe: [15]

Die Lichtfarbe einer Lichtquelle bezeichnet den Farbeindruck der beim direkten Einfall des Lichtes ins Auge entsteht. Einfarbiges Licht wird durch die dominante Wellenlänge definiert. Mischfarben können entweder durch den Farbort x, y in der CIE-Farbnormtafel, siehe Abbildung 12, oder näherungsweise durch die ähnlichste Farbtemperatur Tn angegeben werden.[16]

Abbildung 12: CIE-Farbnormtafel

Quelle: LEiDs Produktkatalog 2010

Die CIE-Farbnormtafel wurde von der Commission Internationale de l'Eclairage (Internationale Beleuchtungskommission) entwickelt. Sie basiert auf den von W. D. Wright und J. Guild ermittelten Werten des menschlichen Farbeindruckes.[17]

Farbtemperatur = Kelvin (K):[18]

Die Farbe von konventionellen Lichtquellen lässt sich nur schwer durch Lichtwellenlängen beschreiben, da das Ausstrahlungsspektrum zu berücksichtigen ist. Daher werden Quellen mit breitem Spektrum meist nach ihrer Farbtemperatur klassifiziert. Bezugsgröße ist hier der ideale schwarze Körper, dessen Ausstrahlung durch die Plancksche Strahlungsformel genau bekannt ist. Je heißer der schwarze Körper ist, umso größer ist bei kürzeren Wellenlängen die relative Intensität. Wenn er erhitzt wird, beginnt er rot zu glühen. Weiteres Erhitzen kann ihn gelb, weiß und sogar blau erscheinen lassen. Fast alle glühenden Quellen mit derselben Farbtemperatur haben dieselbe Intensitätsverteilung und lassen sich deshalb gut normieren. Gebräuchliche LED-Leuchten haben in der Regel Farbtemperaturen in den Gruppen:

Die Farbtemperaturen liegen alle auf der Planckkurve, die auch als Black-Body-Kurve bezeichnet wird. Siehe hierzu Abbildung 12.

Farbwiedergabe:[19]

Die Farbwiedergabe bezeichnet die Beziehung zwischen Farbreiz und Farbeindruck. Sie beschreibt die Wiedergabe der Farben von Gegenständen bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle für Beobachter im Vergleich zu einer Vergleichslichtquelle. Die Farbwiedergabeeigenschaften von Lampen werden in verschiedene Stufen eingeteilt, die durch den allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra gekennzeichnet sind. Oft wird statt der Kennzeichnung Ra, die Abkürzung CRI (Colour Rendering Index) verwendet, die dieselbe Bedeutung hat. Der höchste Indexwert ist 100 und beschreibt eine Lichtquelle, die alle Umgebungsfarben natürlich erscheinen lässt. Je niedriger der Indexwert, desto schlechter die Farbwiedergabeeigenschaften.

[20]

Lampe:[21]

Quelle optischer Strahlung, meist im sichtbaren Bereich.