Lichtstrahl – Gerichtete Projektion von Licht in der Photometrie

Was ist ein Lichtstrahl?

Ein Lichtstrahl ist eine konzentrierte, gerichtete Emission elektromagnetischer Energie im sichtbaren Spektrum. Im Gegensatz zu omnidirektionalem Licht ist ein Strahl entlang einer Hauptachse begrenzt und nimmt eine endliche Querschnittsfläche ein. In der Photometrie und Lichtplanung wird ein Lichtstrahl durch messbare Eigenschaften wie Lichtstärke (Candela), Strahlwinkel, Divergenz und räumliche Kohärenz charakterisiert.

In der Praxis werden Lichtstrahlen durch Lampen, LEDs oder Laser mittels Reflektoren und Linsen erzeugt, um Ausbreitung und Richtung zu steuern. In wissenschaftlichen Kontexten werden Strahlen je nach benötigtem Detaillierungsgrad sowohl mit der geometrischen Optik (als Strahlenbündel) als auch mit der physikalischen Optik (als elektromagnetische Wellen) beschrieben.

Normen von Organisationen wie der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE) und der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) definieren Anforderungen an Strahlgeometrie, Intensität und Sichtbarkeit in Anwendungen wie Bahnbeleuchtung, Signalgebung und architektonischer Beleuchtung. Die korrekte Auslegung von Strahlen ist entscheidend für Sicherheit, Konformität und visuellen Komfort.

Lichtstrahl vs. Lichtstrahl (Ray) vs. Lichtwelle

• Lichtstrahl (Ray): Ein abstrakter, unendlich kleiner Weg in der geometrischen Optik; stellt die Richtung dar, hat aber keine Breite oder physische Ausdehnung.
• Lichtstrahl: Ein reales, physikalisches Lichtbündel mit messbarer Breite, Intensität und Divergenz; kann geformt oder fokussiert werden.
• Lichtwelle: Eine vollständige physikalische Beschreibung als elektromagnetisches Feld, einschließlich Wellenlänge, Phase und Kohärenz; entscheidend zur Erklärung von Interferenz, Beugung und fortgeschrittenem optischen Verhalten.

Zusammenfassung: Strahlen (Ray) dienen der Richtungsverfolgung, Strahlen (Beam) dem praktischen und photometrischen Design, und Wellen der detaillierten wissenschaftlichen Modellierung.

Strahlausbreitung und Strahlwinkel

• Strahlausbreitung: Qualitative Beschreibung (z. B. Spot, Flood), wie breit eine Lichtquelle projiziert.
• Strahlwinkel: Quantitative Kennzahl (in Grad), definiert als der Winkel zwischen den Richtungen, in denen die Intensität auf 50 % des Spitzenwerts abfällt (gemäß CIE/IES-Normen).

Tabelle: Typische Strahlwinkel und Anwendungsfälle

Verlassen Sie sich immer auf tatsächliche Strahlwinkelspezifikationen und photometrische Prüfdaten, um den gewünschten Lichteffekt zu erzielen.

Strahldivergenz und Fokus

Strahldivergenz ist die Winkelverbreiterung eines Strahls beim Ausbreiten. Strahlen mit geringer Divergenz (kollimiert) behalten ihre Helligkeit über größere Distanzen – entscheidend für Suchscheinwerfer, Anflugbefeuerung und Laser. Strahlen mit hoher Divergenz verteilen ihre Energie schnell auf eine größere Fläche.

Fokus bezeichnet den Punkt (Strahltaille), an dem der Strahl am schmalsten und intensivsten ist. Laserstrahlen zeichnen sich durch scharfen Fokus und minimale Divergenz aus, beschrieben durch das Gauß’sche Strahlmodell.

In der Photometrie und sicherheitskritischen Bereichen wie der Luftfahrt schreiben Normen (z. B. ICAO Annex 14) eine maximale Divergenz für Bodenlichter vor, um die Sichtbarkeit auf den erforderlichen Distanzen sicherzustellen.

Cutoff-Winkel und Sehkomfort

Der Cutoff-Winkel ist der Neigungswinkel, bei dem die Lichtquelle durch die Leuchte abgeschirmt wird, sodass sie nicht direkt einsehbar ist und Blendung reduziert wird. Leuchten mit geringem Cutoff-Winkel (tiefes Cutoff) verbessern den Sehkomfort und minimieren störende Helligkeit – besonders wichtig in der Architektur, im Gesundheitswesen und bei der Luftfahrtbeleuchtung.

Die Messung des Cutoff-Winkels erfolgt photometrisch; die Einhaltung ist wesentlich für Benutzerkomfort und behördliche Zulassungen.

Lichtstärke und photometrische Kennzahlen

Lichtstärke (Candela, cd) ist die Menge an sichtbarem Licht, die in eine bestimmte Richtung ausgestrahlt wird. Sie wird mit photometrischen Instrumenten gemessen und in Polardiagrammen dargestellt. Die Intensität unterscheidet sich vom gesamten Lichtstrom (Lumen) und von der Beleuchtungsstärke (Lux).

In der Luftfahrt und Signalgebung sind Mindest- und Maximalwerte der Intensität geregelt, um die Sichtbarkeit der Strahlen für die Sicherheit zu gewährleisten. In der Architektur sorgt die Intensität für ausreichende Arbeits- und Akzentbeleuchtung bei minimalem Energieverbrauch.

Strahlqualität und räumliche Kohärenz

Strahlqualität beschreibt, wie nah ein Strahl an ein ideales (typischerweise gaußförmiges) Profil heranreicht, mit geringer Divergenz und hoher Fokussierbarkeit. Räumliche Kohärenz – hoch bei Lasern, gering bei herkömmlichen Glühbirnen – ermöglicht starkes Fokussieren, Interferenzen und präzise optische Steuerung.

Hohe Strahlqualität ist in Wissenschaft, Medizin und Industrie für Genauigkeit und Effizienz entscheidend.

Lichtstrom (Helligkeit)

Lichtstrom ist die gesamte abgestrahlte sichtbare Lichtmenge, integriert über alle Richtungen. In der Allgemeinbeleuchtung misst der Lumenwert die Gesamt-Helligkeit. Bei gerichteter Beleuchtung sind sowohl Lumenwert als auch Strahlwinkel zu berücksichtigen, um zu beurteilen, wie viel Licht das Ziel erreicht.

Hersteller verwenden standardisierte Tests (wie IES LM-79 für LEDs), um den Lichtstrom zu bestimmen und Produktvergleiche zu ermöglichen.

Candela (Lichtstärke)

Candela ist die SI-Einheit zur Messung der Lichtintensität in eine bestimmte Richtung. Sie wird zur Spezifikation von Spotlights, Flutern und Bodenlichtern in der Luftfahrt verwendet. Hohe Candela-Werte stehen für Strahlen, die auf größere Entfernungen oder bei schwierigen Sichtbedingungen wahrnehmbar sind.

Candela-Werte werden im Labor geprüft und in photometrischen Datenblättern zusammengefasst.

Lux und Foot-Candles (Beleuchtungsstärke)

Beleuchtungsstärke misst, wie viel Lichtstrom (Lumen) auf eine Flächeneinheit fällt – angegeben in Lux (lm/m²) oder Foot-Candles (lm/ft²). Sie ist die Schlüsselgröße, um zu beurteilen, ob die Beleuchtung für Aufgaben, Sicherheit oder Normen ausreichend ist.

Die Beleuchtungsstärke wird mit dem Abstandsquadratgesetz berechnet und mit Luxmetern gemessen. Luftfahrt-, Architektur- und Arbeitsnormen legen Mindestwerte für verschiedene Umgebungen fest.

Center Beam Candlepower (CBCP)

CBCP ist die maximale Lichtstärke (in Candela) im Zentrum eines gerichteten Lichtstrahls. Sie ist entscheidend für Spot-, Akzent- und Luftfahrtbeleuchtung, bei denen der hellste Punkt an einem bestimmten Ort oder Abstand benötigt wird.

CBCP sollte zusammen mit Strahlwinkel und Lichtstrom für optimale Leistung betrachtet werden.

Strahlwinkel-Klassifikationstabelle

Hinweis: Ziehen Sie stets Herstellerangaben zurate, da subjektive Begriffe variieren können.

Laser und optische Elemente

Laser erzeugen hoch kollimierte, kohärente Strahlen mit minimaler Divergenz – ideal für Signalgebung, Messung, Chirurgie und Kommunikation. Optische Elemente (Linsen, Reflektoren, Diffusoren) werden verwendet, um Lichtstrahlen für spezielle Anwendungen zu formen, zu fokussieren oder zu streuen.

Normen und Konformität

Internationale Normen (CIE, ICAO, IES, EN) legen photometrische Anforderungen an Strahlwinkel, Intensität, Cutoff und Beleuchtungsstärke in verschiedenen Bereichen fest:

• ICAO Annex 14: Bodenbeleuchtung in der Luftfahrt, Geometrie von Bahn-/Anflugstrahlen, Mindestintensität
• CIE/IES: Definitionen der Strahlwinkel, photometrische Prüftechnik, Blendungskontrolle, Energieeffizienz
• EN 12464: Anforderungen an die Beleuchtungsstärke von Arbeitsplätzen in Innenräumen

Praktische Anwendungen

• Luftfahrt: Bahn- und Rollbahnbeleuchtung, Anflugsignale, Hindernismarkierung
• Architektur: Akzent- und Ausstellungsbeleuchtung, Blendungskontrolle, Energieeffizienz
• Wissenschaft/Industrie: Laserausrichtung, Messung, Materialbearbeitung
• Gesundheitswesen: Fokussierte Beleuchtung in Operations- und Untersuchungsbereichen

Fazit

Ein Lichtstrahl ist mehr als nur sichtbares Licht – er ist ein streng definiertes, technisch entwickeltes Phänomen. Das Verständnis der Strahleigenschaften (Winkel, Divergenz, Cutoff, Intensität) ist entscheidend für Sicherheit, Komfort und regulatorische Konformität in professioneller Beleuchtung, Luftfahrt und wissenschaftlichen Anwendungen.

Für fachkundige Beratung zur Spezifikation oder Konformität von Lichtstrahlen kontaktieren Sie unser Team oder vereinbaren Sie eine Demo .

Quellen

• CIE 13.3-1995: Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources
• ICAO Annex 14: Aerodromes, Volume I, 8th Edition, 2018
• IES TM-30-18: IES Method for Evaluating Light Source Color Rendition
• EN 12464-1: Licht und Beleuchtung — Beleuchtung von Arbeitsstätten — Teil 1: Arbeitsstätten in Innenräumen
• IES LM-79-19: Approved Method for the Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products

Für weiterführende Informationen konsultieren Sie die aktuellen Publikationen von CIE, ICAO, IES und nationalen Normungsgremien.