Lichtstärkeverteilung – Muster der Lichtstärkevariation in der Photometrie

Definition und Überblick

Die Lichtstärkeverteilung beschreibt, wie die Lichtstärke einer Lichtquelle oder Leuchte sich in dreidimensionalem Raum je nach Richtung verändert. Gemessen in Candela (cd) quantifiziert sie das sichtbare Licht, das in bestimmte Richtungen abgestrahlt wird. Die Lichtstärkeverteilung wird typischerweise mit Polardiagrammen oder Tabellen visualisiert, die zeigen, wie sich die Intensität rund um die Lichtquelle verändert. So können Lichtfachleute die Ausleuchtungsmuster, Gleichmäßigkeit, Blendung und Effizienz in realen Umgebungen vorhersagen und steuern.

Dieses Konzept ist essenziell in der Lichtplanung für Bereiche wie Flughäfen, Terminals, Hangars und architektonische Innenräume, wo die räumliche Lichtabgabe sowohl Funktionalität als auch Nutzerkomfort beeinflusst. Zwei Leuchten mit gleichem Lumenstrom können sehr unterschiedlich wirken, wenn ihre Lichtstärkeverteilungen variieren – das beeinflusst, wie gut ein Raum ausgeleuchtet ist oder wie sichtbar wichtige Merkmale sind. Die Lichtstärkeverteilung ist auch Grundlage für regulatorische Standards und Lichtsimulationssoftware und leitet die Einhaltung und optimale Planung.

Der Begriff „Candlepower“ (Kerzenstärke) hat historische Wurzeln in der Intensität einer Standardkerze. Heute wird die SI-Einheit „Candela“ verwendet, doch „Candlepower“ ist in der Branche weiterhin gebräuchlich.

Grundlegende Konzepte

Lichtstärke (Candela)

Die Lichtstärke ist die zentrale photometrische Größe für die Lichtstärkeverteilung und stellt die Menge sichtbaren Lichts dar, das in eine bestimmte Richtung abgegeben wird, gemessen in Candela (cd). Eine Candela entspricht einem Lumen pro Steradiant. Im Gegensatz zum Gesamtlichtstrom, der das Licht in alle Richtungen aufsummiert, ist die Lichtstärke streng richtungsbezogen – ein wichtiger Unterschied bei der Modellierung, wie Leuchten bestimmte Bereiche oder Aufgaben ausleuchten.

Die Candela ist im SI genau definiert als die Lichtstärke in einer gegebenen Richtung einer Quelle, die monochromatische Strahlung mit einer Frequenz von 540 × 10¹² Hz und einer Strahlungsstärke von 1/683 Watt pro Steradiant aussendet. Dies gewährleistet weltweit konsistente Messungen und Vergleichbarkeit von Leuchten.

Lichtstärkeverteilungskurve

Eine Lichtstärkeverteilungskurve zeigt grafisch, wie sich die Lichtstärke einer Lichtquelle mit dem Beobachtungswinkel verändert. Meist in Polarkoordinaten aufgetragen, stellt der Radius der Kurve bei jedem Winkel die Lichtstärke in Candela in diese Richtung dar. Die Form der Kurve zeigt, wie gebündelt oder diffus das Licht ist und ob es symmetrisch oder asymmetrisch verteilt wird.

• Schmaler, hoher Peak: Gebündelter Lichtkegel (Spot)
• Breite, flache Kurve: Diffuse, allgemeine Beleuchtung
• Asymmetrisch: Richtungsbetonte Abstrahlung, z. B. Wandanstrahlung

Hersteller liefern diese Kurven und zugehörige Tabellen für jede Leuchte, sodass Planer Leistung visuell und numerisch beurteilen können.

Lichtverteilungsmuster

Verteilungsmuster beschreiben, wie eine Leuchte Licht abstrahlt, bestimmt durch ihr optisches Design. Muster können schmal oder breit, symmetrisch oder asymmetrisch sein und werden durch Reflektoren, Linsen und Diffusoren geformt. Symmetrische Muster eignen sich für Allgemeinbeleuchtung, asymmetrische lenken Licht gezielt für bestimmte Aufgaben (z. B. Wandanstrahlung oder Beschilderung). In der Luftfahrt sorgen präzise Muster für Sicherheit und Betriebseffizienz, z. B. breite, gleichmäßige Vorfeldbeleuchtung oder eng geführte Anflugbefeuerung.

Messmethoden

Goniophotometrie

Die Goniophotometrie ist die Hauptmethode zur Messung der Lichtstärkeverteilung. Ein Goniophotometer dreht die Lichtquelle oder den Detektor in präzisen Schritten und misst die Lichtstärke bei jedem Winkel um die Leuchte. Das Gerät kann sowohl vertikale als auch horizontale Ebenen abtasten und so eine vollständige dreidimensionale Intensitätskarte erzeugen.

Verschiedene Typen von Goniophotometern (nach CIE-Klassifikation) unterscheiden sich in der Achsanordnung, aber Typ C (mit stationärer Lichtquelle) ist für allgemeine Beleuchtung am gebräuchlichsten. Die erfassten Daten bilden die Grundlage für Lichtstärkekurven, Tabellen und digitale photometrische Dateien.

Industriestandards: IES LM-79-08

IES LM-79-08 legt das Branchenprotokoll zur Messung photometrischer Leistungsdaten von Festkörperleuchten fest, einschließlich der Lichtstärkeverteilung. Es schreibt Messmethoden, Winkelauflösung, Umgebungsbedingungen und Datenformate vor und gewährleistet so genaue und vergleichbare Ergebnisse von Herstellern und Märkten. Die Einhaltung von LM-79 ist für Produktzertifizierungen obligatorisch und wird insbesondere in sicherheitskritischen Bereichen wie der Luftfahrt bei Ausschreibungen verlangt.

Datenaufbereitung: Polardiagramme und Tabellen

Lichtstärkeverteilungsdaten werden typischerweise dargestellt als:

• Polardiagramme: Kreisdiagramme, bei denen der Radius die Intensität in jedem Winkel anzeigt.
• Tabellarische Daten: Listen von Intensitätswerten in regelmäßigen Winkelabständen.

Diese Formate ermöglichen die visuelle Beurteilung und rechnergestützte Modellierung für Simulation, Planung und Nachweis.

Interpretation und Anwendung

Lesen von Lichtstärkeverteilungskurven

Die Interpretation einer Lichtstärkeverteilungskurve erfordert das Verständnis der Achsen und der Kurvenform. Das Zentrum des Polardiagramms stellt die Lichtquelle dar; der Abstand zur Kurve in einem bestimmten Winkel zeigt die Intensität in diese Richtung.

• 0° (Referenzachse): Meist vertikal oder nach unten (Nadir)
• Form: Zeigt die Breite des Lichtkegels (schmal/gebündelt vs. breit/diffus)
• Symmetrie: Gibt an, ob die Verteilung in alle Richtungen gleich ist
• Ober-/Unterhälfte: Indirektes (nach oben) vs. direktes (nach unten) Licht

Planer nutzen diese Konventionen, um Leuchten gezielt auszuwählen und auszurichten und so optimale Effekte und die Einhaltung von Vorschriften zu gewährleisten.

Wichtige Parameter: CBCP, Abstrahlwinkel, Symmetrie

• CBCP (Center Beam Candlepower): Maximale Intensität, meist auf der Achse.
• Abstrahlwinkel: Winkel zwischen den Richtungen, in denen die Intensität auf 50 % des CBCP abfällt; definiert die Breite des Hauptlichtkegels.
• Feldwinkel: Wo die Intensität auf 10 % des CBCP fällt; definiert die gesamte Lichtverteilung.
• Symmetrie: Gibt an, ob das Muster in alle Richtungen gleich ist.

Diese Parameter helfen, Leuchten zu vergleichen und Lichtlayouts für spezifische Anforderungen zu planen.

Photometrische Datendateien: IES, EULUMDAT

Photometrische Dateien speichern detaillierte Lichtstärkedaten zur Verwendung in Simulationssoftware:

• IES-Dateien (.ies): Standard in Nordamerika; weltweit verbreitet.
• EULUMDAT-Dateien (.ldt): Europäischer Standard.
• Beide Formate ermöglichen exakte Modellierung, Planung und Nachweisführung.

Praktische Anwendungen

Lichtplanung und Leuchtenauswahl

Lichtstärkeverteilungsdaten leiten die Auswahl von Leuchten, die Planung ihrer Anordnung und die Leistungsanalyse. Zwei Leuchten mit gleichem Lumenstrom können unterschiedlich wirken, wenn ihre Verteilungen verschieden sind.

• Vergleich von Leuchten: Beurteilung von Fokus und Ausleuchtungsbereich.
• Abstände/Anordnung: Gleichmäßigkeit und Schattenminimierung sicherstellen.
• Ausrichtung: Gewünschte Effekte erzielen, Blendung vermeiden.
• Blendungskontrolle: Analyse von Werten in hohen Winkeln zur Reduzierung visueller Störungen.

Die Einbeziehung dieser Daten sorgt für effiziente, komfortable und normgerechte Beleuchtungssysteme.

Anwendungsfälle und Beispiele

• Spot vs. Flächenleuchte: Spots haben hohe CBCP und schmale Lichtkegel für Akzentbeleuchtung; Flächenleuchten haben niedrigere CBCP und breite Kegel für Allgemeinbeleuchtung.
• Batwing-Verteilung: Leuchten mit maximaler Intensität außerhalb der Achse (Batwing-Form) maximieren Gleichmäßigkeit und minimieren Blendung, ideal für Büros.
• Asymmetrische Verteilung: Wallwasher leiten Licht überwiegend zu einer Seite zur Beleuchtung vertikaler Flächen.
• Außenbereichsbeleuchtung: Isocharts, abgeleitet aus Lichtstärkedaten, helfen gleichmäßige Außenbeleuchtung für Sicherheit und Betrieb zu erzielen.

Häufige Lichtverteilungsmuster

• Spot: Hoher CBCP, schmaler Kegel (<20–40°), fokussierte Beleuchtung für Akzente oder präzise Aufgaben.
• Flood: Niedrigerer CBCP, breiter Kegel (>40–120°), gleichmäßige Flächenbeleuchtung.
• Batwing: Maxima außerhalb der Achse, minimiert Blendung, maximiert Gleichmäßigkeit.
• Asymmetrisch: Licht wird überwiegend in eine Richtung für spezielle Aufgaben gelenkt.

Zusammenfassung

Die Lichtstärkeverteilung ist ein zentrales Konzept der Beleuchtungstechnik. Sie beschreibt, wie sich die Intensität je nach Richtung verändert und ermöglicht es Planern, die technische und erlebbare Qualität der Beleuchtung zu optimieren. Durch das Verständnis und die Anwendung von Lichtstärkekurven, Goniophotometrie, Industriestandards und photometrischen Dateien stellen Fachleute sicher, dass Beleuchtungssysteme sicher, effizient, visuell komfortabel und auf die jeweiligen Anforderungen der Umgebung zugeschnitten sind.