Candela (cd): Die SI-Einheit der Lichtstärke

Die Candela (Symbol: cd) ist die SI-Basiseinheit für die Lichtstärke und quantifiziert die vom menschlichen Auge wahrgenommene Helligkeit des von einer Quelle in eine bestimmte Richtung ausgestrahlten sichtbaren Lichts. Anders als andere SI-Einheiten, die ausschließlich auf physikalischen Konstanten beruhen, integriert die Candela einen physiologischen Aspekt – das photopische Sehen des Menschen – und ist damit die einzige SI-Basiseinheit, die grundlegend mit der menschlichen Wahrnehmung verbunden ist.

Definition und Grundlage

Die Candela ist offiziell wie folgt definiert:

„Die Candela, Symbol cd, ist die SI-Einheit der Lichtstärke in einer bestimmten Richtung. Sie ist definiert durch die Festlegung des Zahlenwerts der Lichtausbeute von monochromatischer Strahlung der Frequenz 540 × 10¹² Hertz, Kcd, auf 683, ausgedrückt in der Einheit lm·W⁻¹, was cd·sr·W⁻¹ entspricht.“

Das bedeutet, dass eine Candela die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Quelle ist, die monochromatische Strahlung mit 540 × 10¹² Hz (entspricht einer Wellenlänge von 555 nm in Luft – grünes Licht, wo die Empfindlichkeit des Auges am höchsten ist) mit einer Strahlstärke von 1/683 Watt pro Steradiant in diese Richtung aussendet.

Die CIE-Photopische Sichtbarkeitskurve (V(λ)) zeigt die Empfindlichkeit des menschlichen Auges für sichtbare Wellenlängen. Die Definition der Candela nutzt das Maximum bei 555 nm.

Die Candela ist gerichtet und wahrnehmungsbezogen:

• Gerichtet: Sie misst die Intensität in eine bestimmte Richtung, nicht die Gesamtlichtabgabe.
• Wahrnehmungsbezogen: Sie wird durch die Antwort des menschlichen Auges gewichtet, beschrieben durch die CIE-Photopische Sichtbarkeitsfunktion (V(λ)), und nicht nur durch physikalische Energie.

Anwendungsbereich und Grenzen

Was misst die Candela?

• Lichtstärke (cd): die vom menschlichen Auge wahrgenommene, in eine bestimmte Richtung pro Raumwinkel abgestrahlte sichtbare Lichtleistung.
• Sie misst nicht die gesamte Lichtabgabe (Lumen), das auf eine Fläche treffende Licht (Lux) oder nicht sichtbare Strahlung (Infrarot/Ultraviolett).

Wo wird sie verwendet?

• Lichtplanung (Scheinwerfer, Fahrzeugscheinwerfer, Bildschirme)
• Luftfahrt-, Automobil-, Schifffahrts- und Eisenbahnsignaltechnik
• Sicherheitsvorschriften und -konformität (z. B. Notausgangsbeleuchtung, Hindernislichter)
• Display- und Visualisierungstechnologie
• Ergonomie- und Sehkomfortstudien

Was sind ihre Grenzen?

• Gilt nur für sichtbares Licht, wie durch die Standardbeobachterantwort (V(λ)) definiert.
• Nicht geeignet für Anwendungen außerhalb der menschlichen Wahrnehmung (z. B. maschinelles Sehen, IR/UV-Systeme).
• Nicht aussagekräftig für die Gesamtabgabe einer Quelle – sie ist gerichtet, nicht integral.

Historische Entwicklung

Die Candela entwickelte sich aus frühen Versuchen, Licht mit Kerzen und Lampen zu standardisieren:

• 19. Jahrhundert: „Standardkerzen“ (z. B. englische Spermkerze, französische Carcel-Lampe) definierten die Lichtabgabe, waren jedoch sehr variabel.
• 1909: Internationale Kerze über Kohlefadenlampe definiert.
• 1933: Umstellung auf physikalische Referenz – Schwarzkörper am Platin-Schmelzpunkt.
• 1948: SI-System formalisierte dies als Basiseinheit.
• 1979: Moderne Definition auf Basis monochromatischer Strahlung bei 555 nm (540 × 10¹² Hz), abgestimmt auf das Maximum der Empfindlichkeit des menschlichen Auges.
• 2019: Aktuelle SI-Revision verknüpft die Candela mit fundamentalen Konstanten und dem festen Wert der Lichtausbeute von 683 lm/W bei 555 nm.

Diese Entwicklung spiegelt den Übergang von empirischen Referenzstandards zu reproduzierbaren, physikalisch und physiologisch begründeten Definitionen wider.

Photometrische Größen: Die Familie der Lichtmessung

Die Candela steht im Zentrum der Photometrie, die Licht in für das menschliche Sehen relevanten Größen quantifiziert. Verwandte Größen sind:

• Lichtstärke (cd): I = Φ/Ω
• Lichtstrom (lm): Φ = I × Ω
• Beleuchtungsstärke (lx): E = Φ/A oder E = I/r² (senkrechte Fläche)
• Leuchtdichte (cd/m²): L = I/A (projizierte Fläche)

Beispielrechnung

Eine Punktquelle strahlt 1 Candela gleichmäßig in alle Richtungen ab. Da eine Kugel 4π Steradiant hat, ergibt sich der gesamte Lichtstrom:

[ \Phi = 1,\text{cd} \times 4\pi,\text{sr} \approx 12{,}57,\text{lm} ]

Das menschliche Auge und die CIE-Photopische Kurve

Das menschliche Auge ist nicht für alle sichtbaren Wellenlängen gleich empfindlich. Die CIE-Photopische Sichtbarkeitsfunktion V(λ) modelliert dies und hat ihr Maximum bei 555 nm (grün-gelb). Die Definition der Candela nutzt dieses Maximum für die höchste Lichtausbeute:

• 1 Watt bei 555 nm = 683 Lumen
• Bei anderen Wellenlängen ist die Ausbeute geringer (z. B. ~73 lm/W bei 435 nm Blau)

Photometrische Instrumente und Berechnungen gewichten Licht immer mit V(λ) und unterscheiden sich dadurch von der Radiometrie (dort werden alle Photonen gleich behandelt).

Realisierung der Candela im Labor

Die Realisierung der Candela umfasst:

1. Kalibrierung des Photodetektors: Präzise Silizium-Photodioden mit Filtern, die der V(λ)-Kurve entsprechen.
2. Referenzquellen: Monochromatische Quellen bei 555 nm für Primärstandards.
3. Messung der Strahlungsleistung: Präzise Erfassung der Quellleistung und Geometrie (Raumwinkel).
4. Berechnung: Nutzung von Strahlungsleistung, Raumwinkel, V(λ)-Gewichtung und des festen Werts von 683 lm/W.
5. Rückführbarkeit: Nationale Metrologieinstitute (z. B. PTB, BIPM) geben Standards über Kalibrierungen weiter.
6. Sekundärstandards: Verwendung kalibrierter Lampen, LEDs oder Ulbricht-Kugeln für Routine-Messungen.

Ulbricht-Kugeln werden verwendet, um den gesamten Lichtstrom zu messen und Quellen relativ zur Candela zu kalibrieren.

Anwendungen: Luftfahrt, Lichtplanung und mehr

Luftfahrt

• Roll- und Startbahnbefeuerung: Mindestwerte in Candela werden von ICAO und FAA für Sichtbarkeit und Sicherheit vorgeschrieben.
• Antikollisionsleuchten an Flugzeugen: Müssen bestimmte Candela-Werte horizontal und vertikal abstrahlen.
• Hindernislichter: Hohe Bauwerke müssen Lichter haben, die über Kilometer in Candela spezifiziert sichtbar sind.

Produktspezifikation Lichttechnik

• Scheinwerfer, Scheinwerferlampen, Leuchten: Datenblätter geben „Peak Candela“ und Candela-Verteilungskurven zur Strahlkontrolle an.
• Notbeleuchtung: Bauvorschriften verlangen Mindest-Candela-Werte in Fluchtrichtung.

Umwelt- und Gesundheitsaspekte

• Lichtverschmutzung: Vorschriften können die maximale Candela oberhalb der Horizontalen begrenzen, um Nachthimmel und Tierwelt zu schützen.
• Blendung und zirkadiane Auswirkungen: Lichtnormen nutzen Candela, um Sehkomfort zu gewährleisten und biologische Störungen zu minimieren.

Mathematische Beziehungen

• Lichtstärke: ( I = \Phi / \Omega )
• Lichtstrom: ( \Phi = I \cdot \Omega )
• Beleuchtungsstärke: ( E = I / r^2 ) (senkrechte Fläche)
• Leuchtdichte: ( L = I / A )
• Raumwinkel: ( \Omega = A / r^2 )

Beispiel:
Eine Lampe strahlt 500 cd in einen Hemisphäre von 2π sr ab:
( \Phi = 500,\text{cd} \times 2\pi,\text{sr} \approx 3142,\text{lm} )

Beispiele aus dem Alltag

• Kerzenflamme: ≈ 1 Candela in alle Richtungen
• Ampelleuchte: 200–300 Candela für Sichtbarkeit bei Tageslicht
• Theater-Spotlight: Über 10.000 Candela in einem fokussierten Strahl
• Luftfahrtsignal: 400+ Candela für Antikollisionssichtbarkeit

Warum 555 nm (Grün) als Referenz?

Das Auge ist bei 555 nm (bei Helligkeit) am empfindlichsten. Die Definition der Candela nutzt dies für maximale Reproduzierbarkeit und physiologische Relevanz, sodass photometrische Einheiten widerspiegeln, wie Menschen tatsächlich sehen.

Laborrealisierung: Praktische Werkzeuge

• Ulbricht-Kugeln: Erfassen das gesamte abgestrahlte Licht zur Kalibrierung des Lichtstroms.
• Goniophotometer: Messen die Winkelverteilung der Lichtstärke (cd) einer Quelle.
• Kalibrierte Photodioden: Erzeugen rückführbare elektrische Signale nach V(λ).

Zusammenfassung

Die Candela vereint Physik und menschliche Wahrnehmung und liefert einen reproduzierbaren, weltweit anerkannten Standard zur Spezifikation der sichtbaren Lichtstärke. Von der Luftfahrt über die Architektur, Bildschirme bis hin zum Umweltschutz stellt die Candela sicher, dass Licht gemessen, reguliert und für das menschliche Sehen optimiert wird.

Für weitere technische oder regulatorische Details konsultieren Sie die SI-Broschüre, CIE-Standards oder Ihr nationales Metrologieinstitut.

Candela-Verteilungskurven sind für die Lichtplanung unerlässlich, sie zeigen die Intensität als Funktion des Winkels.

Quellen

• SI-Broschüre (BIPM): https://www.bipm.org/en/measurement-units
• CIE-Photometriestandards: https://cie.co.at/
• NIST Photometrie: https://www.nist.gov/pml/weights-and-measures/si-units-candela
• ICAO Anhang 14 – Flugplätze
• FAA Advisory Circular 150/5345-43

Wenn Sie weitere Fragen zur Candela oder zur photometrischen Messung haben, können Sie sich gerne an unsere Experten wenden .