Lichtstärke: Definition, Prinzipien und Anwendungen

Die Lichtstärke ist ein zentrales Konzept der Photometrie – der Wissenschaft von der Messung sichtbaren Lichts, wie es vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Sie quantifiziert die Menge des Lichtstroms (sichtbares Licht), die eine Lichtquelle in eine bestimmte Richtung pro Raumwinkel abstrahlt. Die SI-Einheit der Lichtstärke ist das Candela (cd), eine der sieben Basiseinheiten des SI-Systems.

Verständnis der Lichtstärke

Die Lichtstärke beantwortet die Frage: Wie viel sichtbares Licht strahlt eine Quelle in eine bestimmte Richtung ab? Diese Messgröße ist immer dann entscheidend, wenn die Richtung des Lichts eine Rolle spielt, etwa bei Signallampen, Rollbahnbefeuerungen, Fahrzeugscheinwerfern oder gerichteten Strahlern.

Mathematisch ist die Lichtstärke (( I )) definiert als:

[ I = \frac{\Phi}{\omega} ]

wobei gilt:

• ( \Phi ) = Lichtstrom in die Richtung (in Lumen, lm)
• ( \omega ) = Raumwinkel in Steradiant (sr)

Ein Candela ist die Lichtstärke, die eine Quelle in eine bestimmte Richtung abstrahlt, wenn sie monochromatisches Licht mit einer Frequenz von 540 × 10¹² Hz (Wellenlänge 555 nm) und einer Strahlungsstärke von 1/683 Watt pro Steradiant emittiert. Diese Definition entspricht der maximalen Empfindlichkeit des menschlichen Sehens.

Die Rolle der menschlichen Seh-Empfindlichkeit

Im Gegensatz zur Radiometrie, die sämtliche elektromagnetische Energie unabhängig von der menschlichen Wahrnehmung misst, gewichtet die Photometrie (und damit die Lichtstärke) die Energie mit der CIE-Tageslichts-Empfindlichkeitskurve ( V(\lambda) ). Diese Funktion modelliert die durchschnittliche spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges bei Helligkeit, mit einem Maximum bei 555 nm.

Das bedeutet, dass zwei Quellen mit gleicher physikalischer Energie unterschiedliche Lichtstärken haben können, wenn ihre Emissionen unterschiedliche Wellenlängen besitzen, weil das Auge nicht auf alle Farben gleich empfindlich reagiert.

Raumwinkel und der Steradiant

Ein Raumwinkel beschreibt, wie groß ein Objekt von einem bestimmten Punkt aus erscheint – eine Erweiterung des ebenen Winkels in den dreidimensionalen Raum. Der Steradiant (sr) ist die SI-Einheit des Raumwinkels. Der volle Raumwinkel um einen Punkt beträgt ( 4\pi ) Steradiant.

Beispiel: Eine Lichtquelle, die 1000 Lumen gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlt, hat eine Lichtstärke in jede Richtung von:

[ I = \frac{1000, \text{lm}}{4\pi, \text{sr}} \approx 79{,}6, \text{cd} ]

Messung der Lichtstärke

Die Lichtstärke wird mithilfe folgender Geräte gemessen:

• Goniophotometer: Dreht die Lichtquelle und misst die Lichtabgabe in verschiedenen Winkeln, um die Intensitätsverteilung zu erfassen.
• Berechnung: Sind der gesamte Lichtstrom und die Abstrahlgeometrie bekannt, kann die Lichtstärke als Lichtstrom geteilt durch den Raumwinkel berechnet werden.

Eine Kalibrierung ist unerlässlich: Die Messgeräte müssen die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges nachbilden, was üblicherweise mit optischen Filtern gemäß der CIE V(λ)-Funktion erfolgt.

Diagramm, das die Lichtstärke als Lichtstrom pro Raumwinkel (Candela) darstellt.

Anwendungen in Beleuchtung und Sicherheit

Luftfahrt und Transport

In der Luftfahrt regeln Lichtstärkenormen die Befeuerung von Rollbahnen, Taxiways und Anflugbereichen. Behörden wie die Internationale Zivilluftfahrtorganisation (ICAO) und die FAA legen Mindestlichtstärken für Flugplatzbefeuerungen fest, um einen sicheren Flugbetrieb bei Nacht oder schlechter Sicht zu gewährleisten.

Zum Beispiel müssen Rollbahnbefeuerungen in definierten horizontalen und vertikalen Sektoren bestimmte Lichtstärken aufweisen, damit sie für Piloten aus Anflugrichtungen und während Start oder Landung sichtbar sind. Zu hohe Intensität außerhalb dieser Sektoren kann zu Blendung oder Verwirrung führen.

Signal- und Fahrzeugbeleuchtung

Die Lichtstärke ist bei Verkehrsampeln, Fahrzeugscheinwerfern, Navigationsbaken und anderen Signalgebern entscheidend, da das Licht aus bestimmten Richtungen gut sichtbar sein, aus anderen jedoch nicht blenden oder ablenken darf.

Allgemeine Beleuchtung und Displays

Während die allgemeine Raumbeleuchtung meist nach Gesamtlichtstrom (Lumen) bewertet wird, wird gerichtete Beleuchtung – wie Spotlights oder LED-Arbeitsleuchten – durch die Lichtstärke beschrieben, um anzugeben, wie „fokussiert“ das Licht abgegeben wird.

Lichtstärke im Vergleich zu verwandten Größen

• Lichtstrom (lm): Gesamtmenge des sichtbaren Lichts in alle Richtungen.
• Lichtstärke (cd): Lichtabgabe pro Raumwinkel in eine bestimmte Richtung.
• Beleuchtungsstärke (lx): Lichtstrom pro Fläche (wie viel Licht auf einer Oberfläche ankommt).
• Leuchtdichte (cd/m²): Scheinbare Helligkeit einer Fläche aus einer Richtung.

Praxisbeispiele

• Eine Standardkerze: ~1 Candela in alle Richtungen.
• Rollbahnbefeuerung: Typischerweise 50 bis 200 Candela im vorgeschriebenen Sektor, abhängig von Kategorie und Vorschrift.
• Helle LED-Taschenlampe: Kann mehrere Tausend Candela in einem fokussierten Strahl liefern.

Wichtige Hinweise und Best Practices

• Die Lichtstärke ist zentral für Anwendungen, bei denen die Lichtausrichtung entscheidend ist (Signale, Navigation, Sicherheit).
• Beziehen Sie sich bei der Auswahl oder dem Vergleich gerichteter Beleuchtung immer auf die Lichtstärke.
• Messungen müssen auf die CIE V(λ)-Tageslichtkurve kalibriert sein, um die menschliche Wahrnehmung abzubilden.
• In regulierten Bereichen (wie Luftfahrt) ist die Einhaltung der Normen zur Lichtstärkeverteilung unerlässlich.

Übersichtstabelle: Lichtstärke auf einen Blick

Weiterführende Literatur und Normen

• CIE-Photometrische Standards
• ICAO Annex 14: Flugplatzplanung und Betrieb
• NIST: Das Candela
• IEC 60050-845: Internationales elektrotechnisches Wörterbuch – Beleuchtung

Die Lichtstärke bleibt eine essenzielle Größe in allen Branchen, in denen Richtung und Wahrnehmung von Licht maßgeblich für Sicherheit, Nutzbarkeit und Normenkonformität sind.