Glossar zu Lichtsensor-Begriffen und -Konzepten

Lichtsensor

Ein Lichtsensor ist ein Gerät, das dazu entwickelt wurde, das Vorhandensein oder die Intensität von Licht zu erkennen und darauf zu reagieren. Er wandelt die Energie des einfallenden Lichts (Photonen) in ein elektrisches Signal (Strom, Spannung oder Widerstand) um und ist ein Grundpfeiler in photometrischen Systemen. Lichtsensoren werden in Anwendungen von der Industrieautomatisierung und Umweltüberwachung bis hin zur Luftfahrt und Unterhaltungselektronik eingesetzt. Sie werden auch als fotoelektrische Sensoren, Umgebungslichtsensoren oder Helligkeitssensoren bezeichnet. Ihre Aufgabe ist es, quantitative Daten über Lichtstärken bereitzustellen, wodurch automatisierte Steuerungen, Sicherheitssysteme und wissenschaftliche Messungen ermöglicht werden.

Wichtige Merkmale von Lichtsensoren sind die Spektralempfindlichkeit (der detektierte Wellenlängenbereich), die Ansprechzeit (wie schnell sich der Ausgang bei Lichtänderung ändert) und die Linearität (wie genau der Ausgang mit der Lichtintensität korreliert). In der Luftfahrt sind Lichtsensoren beispielsweise entscheidend für die Steuerung der Cockpit- und Rollbahnbeleuchtung und sorgen für optimale Sicht für Piloten. In der Unterhaltungselektronik ermöglichen sie es Bildschirmen, ihre Helligkeit für Komfort und Energieeffizienz anzupassen. Laut ICAO automatisieren Lichtsensoren in Beleuchtungssteuerungen von Flugplätzen das Schalten und Dimmen der Rollbahnbeleuchtung für Sicherheit und Effizienz.

Photodiode

Eine Photodiode ist ein halbleitender Lichtsensor, der Licht durch den photoelektrischen Effekt in einen elektrischen Strom umwandelt. Wenn Photonen den pn-Übergang treffen, entstehen Elektron-Loch-Paare, die einen Strom erzeugen, der proportional zur Lichtintensität ist. Photodioden bieten schnelle Ansprechzeiten (Mikrosekunden oder weniger), hohe Empfindlichkeit und einen linearen Ausgang, was sie ideal für präzise photometrische Anwendungen wie wissenschaftliche Instrumente, Cockpitanzeigen und Wetterüberwachungssysteme macht.

Photodioden gibt es als PIN (für Geschwindigkeit), Avalanche (für Verstärkung bei schwachem Licht) und Silizium (für sichtbare/nahe IR-Empfindlichkeit). Ihre Leistung hängt von Quanteneffizienz, Dunkelstrom und Rauschen ab. Photodioden können im photovoltaischen Modus (Spannungsausgang) oder photoleitenden Modus (Stromausgang) betrieben werden. Die ICAO spezifiziert Photodioden in Kalibriergeräten für die Flughafenbeleuchtung, um die Einhaltung von Vorschriften zu gewährleisten.

Phototransistor

Ein Phototransistor ist ein lichtempfindlicher Transistor, der den durch absorbierte Photonen erzeugten Strom verstärkt und dadurch einen höheren Ausgang als Photodioden liefert. Der Basisbereich ist dem Licht ausgesetzt, und der daraus resultierende kleine Photostrom wird durch den Transistor verstärkt. Phototransistoren sind empfindlich gegenüber schwachem Licht, ihre Ansprechzeit ist jedoch langsamer und weniger linear als bei Photodioden.

Phototransistoren werden in Lichtmessgeräten, optischen Schaltern und Sicherheitsvorrichtungen eingesetzt. In der Luftfahrt können sie Beleuchtungssteuerungen je nach Umgebungslicht auslösen. Die spektrale Empfindlichkeit hängt vom Material und von Filtern ab. Während Phototransistoren eine höhere Empfindlichkeit bieten, werden sie dort eingesetzt, wo Kosten und Einfachheit wichtiger sind als Geschwindigkeit oder absolute Genauigkeit.

Fotowiderstand (LDR – lichtabhängiger Widerstand)

Ein Fotowiderstand oder LDR (Light Dependent Resistor) ist ein passiver Sensor, dessen Widerstand mit zunehmendem Lichteinfall abnimmt. Er besteht aus fotoleitenden Materialien wie Cadmiumsulfid (CdS) und zeigt große Widerstandsänderungen von Dunkelheit bis Helligkeit. Sie sind einfach und preiswert und werden häufig für automatische Beleuchtung und zu Lehrzwecken eingesetzt.

LDRs sind nichtlinear, sprechen langsam an und sind typischerweise für sichtbares Licht empfindlich. Ihr Einsatz in der Luftfahrt beschränkt sich auf unkritische Anwendungen, da sie ungenau sind und Umweltbedenken bestehen (CdS ist gefährlich). Für sicherheitskritische Systeme werden Festkörpersensoren wie Photodioden bevorzugt.

Umgebungslichtsensor

Ein Umgebungslichtsensor misst die Umgebungslichtstärke und stimmt oft mit der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges überein. Moderne Sensoren verwenden Silizium-Photodioden mit On-Chip-Filterung und Signalaufbereitung und liefern analoge oder digitale Signale. Sie sind unverzichtbar in Smartphones, Avionik und Flughafenbeleuchtungssteuerungen, um Anzeige- und Lichtstärken für Komfort, Effizienz und Vorschriften anzupassen.

Zu den Eigenschaften zählen großer Empfindlichkeitsbereich, schnelle Reaktion und Temperaturstabilität. Fortgeschrittene Modelle bieten kalibrierten Lux-Ausgang, programmierbare Verstärkung und Näherungserkennung. Die Integration erfolgt meist über I2C/SPI zur Echtzeitsteuerung in eingebetteten Systemen.

Photometrie

Photometrie ist die Messung sichtbaren Lichts, wie es vom menschlichen Auge wahrgenommen wird, unter Verwendung von Einheiten wie Lux, Lumen und Candela, gewichtet durch die CIE-Photopische Kurve. Photometrie ist grundlegend für die Gestaltung und Regulierung von Beleuchtungen, insbesondere in der Luftfahrt, wo präzise Messungen die Sicherheit von Roll- und Landebahnen gewährleisten.

Photometer verwenden gefilterte Photodioden oder Standardlichtquellen, wobei die Kalibrierung auf nationale Standards rückführbar ist. ICAO- und ASTM-Standards beschreiben Protokolle für genaue, reproduzierbare Lichtmessungen.

Lux

Lux (lx) misst die Beleuchtungsstärke beziehungsweise den Lichtstrom pro Quadratmeter. Es quantifiziert, wie viel sichtbares Licht auf eine Fläche trifft – entscheidend für die Spezifizierung und Überprüfung von Beleuchtungen in Büros, Flughäfen und öffentlichen Bereichen. In der Luftfahrt wird Lux verwendet, um die Mindestbeleuchtung für Rollbahnen und Vorfelder gemäß ICAO Anhang 14 festzulegen.

Luxmeter verwenden kalibrierte Photodioden und Kosinuskorrektur für Genauigkeit. Die Messungen helfen, Sicherheit, Energieeffizienz und die Einhaltung von Vorschriften zu gewährleisten.

Lumen

Lumen (lm) gibt den Lichtstrom an – die gesamte pro Sekunde abgestrahlte sichtbare Lichtmenge. Ein Lumen entspricht dem Lichtstrom einer Candela über einen Steradiant. Lumen-Werte sind entscheidend für den Vergleich der Energieeffizienz von Beleuchtungen und die Einhaltung von Vorschriften in der Luftfahrt und anderen Bereichen.

Integrationskugeln und kalibrierte Photodetektoren werden verwendet, um den gesamten Lichtstrom unter Berücksichtigung aller Abstrahlrichtungen zu messen.

Candela

Candela (cd) ist die SI-Basiseinheit der Lichtstärke – die in eine bestimmte Richtung pro Steradiant abgegebene Lichtleistung. Eine Candela entspricht einem Lumen pro Steradiant. Beleuchtungssysteme der Luftfahrt werden in Candela spezifiziert, um die Sichtbarkeit sicherzustellen. Die Messung erfolgt mit Goniophotometern für die richtungsabhängige Lichtausgabe, was in der Beleuchtungsplanung und -zulassung grundlegend ist.

Spektralantwort

Die Spektralantwort ist die Empfindlichkeit eines Sensors gegenüber verschiedenen Lichtwellenlängen. Für die Photometrie sollten Sensoren mit der CIE-Photopischen Kurve (Maximum bei 555 nm) übereinstimmen, doch Siliziumsensoren erfassen oft auch UV und IR, was die Ergebnisse verfälschen kann. Optische Filter und Kalibrierung gleichen dies aus.

Die Spektralantwort ist entscheidend für Anwendungen von der behördlichen Beleuchtungsmessung bis hin zu Gartenbau und UV-Überwachung. Sensordatenblätter liefern Spektralkurven zur Anwendungsabstimmung.

Kalibrierung

Kalibrierung stimmt den Ausgang eines Sensors auf Referenzstandards ab, um genaue, rückverfolgbare Messungen zu gewährleisten. Dazu wird der Sensor bekannten Lichtstärken ausgesetzt und der Ausgang unter Berücksichtigung von Nichtlinearität, Temperatur und spektraler Abweichung aufgezeichnet. Die ICAO schreibt Kalibrierintervalle und Rückverfolgbarkeit für Beleuchtungsinspektionen der Luftfahrt vor.

Die Kalibrierung sichert Vorschrifteneinhaltung, Sicherheit und wissenschaftliche Genauigkeit; vor Ort erfolgt sie mit zertifizierten Messgeräten oder Referenzphotometern.

Ansprechzeit

Die Ansprechzeit ist das Intervall zwischen einer Änderung der Lichtintensität und der entsprechenden Änderung des Sensorausgangs, gemessen von 10% bis 90% des Endwerts. Eine schnelle Ansprechzeit ist in der optischen Kommunikation, Automatisierung und bei pilotengesteuerter Beleuchtung entscheidend. Photodioden sind am schnellsten (Nanosekundenbereich), Phototransistoren sind langsamer, und LDRs reagieren am langsamsten (Zehntel- bis Hunderte Millisekunden). In der Luftfahrt ermöglicht eine schnelle Reaktion die Echtzeit-Lichtsteuerung für Sicherheit.

Linearität

Linearität beschreibt, wie genau der Ausgang eines Sensors der Lichtintensität folgt. Photodioden sind sehr linear; Phototransistoren und LDRs weniger. Linearität ist für präzise photometrische Messungen und die Einhaltung von Vorschriften wesentlich; bei Bedarf werden Korrekturfunktionen während der Kalibrierung angewandt.

Kosinuskorrektur

Die Kosinuskorrektur stellt sicher, dass ein Sensor die Lichtintensität unabhängig vom Einfallswinkel gemäß dem Kosinusgesetz korrekt misst. Dies wird durch Diffusoren oder geformte Eintrittsfenster erreicht und ist für die Einhaltung von Vorschriften bei photometrischen Geräten, insbesondere im Außenbereich oder bei Mehrfachbeleuchtung, vorgeschrieben.

Beleuchtungsmessgerät (Luxmeter)

Ein Beleuchtungsmessgerät oder Luxmeter ist ein kalibriertes, kosinuskorrigiertes Photodioden-Instrument zur Messung von Lux. In der Luftfahrt, Architektur und im Gartenbau werden Luxmeter zur Überprüfung der Beleuchtungsvorschriften und zur Optimierung von Designs eingesetzt. Für korrekte Messungen sind eine sorgfältige Positionierung und regelmäßige Kalibrierung erforderlich.

Lichtstrom

Lichtstrom (in Lumen) ist die gesamte vom menschlichen Auge wahrgenommene Lichtleistung, die von einer Lichtquelle ausgestrahlt wird. Er dient zur Spezifizierung der Lampenleistung und wird mit Integrationskugeln und kalibrierten Detektoren gemessen. Für verschiedene Beleuchtungskörper in der Luftfahrt sind Mindestlichtströme vorgeschrieben.

Lichtstärke

Lichtstärke misst die Menge des Lichtstroms, der in eine bestimmte Richtung abgegeben wird, angegeben in Candela. Sie ist grundlegend für die Beleuchtungsplanung nach Vorschriften und stellt die erforderliche Sichtbarkeit sicher.

Weiterführende Literatur und Referenzen

• ICAO Annex 14 – Aerodromes: Aerodrome Design and Operations
• CIE (Commission Internationale de l’Éclairage)
• ASTM International Lighting Standards
• National Institute of Standards and Technology (NIST) – Photometry
• EASA (European Union Aviation Safety Agency)

Lichtsensoren sind ein integraler Bestandteil von Sicherheit, Effizienz und Automatisierung in modernen Systemen. Ihre richtige Auswahl, Kalibrierung und Anwendung sorgen für Konformität, Zuverlässigkeit und optimale Leistung in verschiedensten Branchen – einschließlich des sicherheitskritischen Bereichs der Luftfahrt.