Spitzenintensität / Maximale Lichtstärke (Photometrie)

Definition und Grundlagen

Spitzenintensität (auch maximale Lichtstärke genannt) ist der höchste Wert der Lichtstärke, den eine Lichtquelle in irgendeine Richtung abstrahlt, gemessen in Candela (cd). Sie charakterisiert die „Helligkeit“ des Strahls an seinem konzentriertesten Punkt, etwa im Zentrum eines Scheinwerfers. Diese Kennzahl ist zentral für die photometrische Spezifikation und erlaubt Fachleuten, Beleuchtungslösungen daraufhin zu vergleichen und auszuwählen, wie effektiv sie Licht in die für eine Anwendung relevanten Richtungen abgeben.

Die zugrunde liegende Größe, die Lichtstärke, misst, wie viel sichtbares Licht (gewichtet nach der Empfindlichkeit des menschlichen Auges) pro Raumwinkel in eine bestimmte Richtung abgestrahlt wird. Die SI-Einheit dafür ist das Candela (cd).

Die Spitzenintensität ist besonders relevant für Beleuchtungsprodukte, die Licht gerichtet abgeben – Scheinwerfer, Fluter, Projektoren, Rollbahnrandlichter, Fahrzeugscheinwerfer und mehr. In solchen Fällen ist oft der Maximalwert – nicht der Mittelwert oder die Summe – maßgeblich für die Einhaltung von Sicherheitsvorschriften und die Effektivität des Beleuchtungssystems.

Lichtstärke ((I_v)): Die Grundlage

Die Lichtstärke ((I_v)) ist definiert als:

[ I_v = \frac{d\Phi_v}{d\Omega} ]

Wobei:

• (d\Phi_v) der Lichtstrom (in Lumen, lm) ist, der in einen infinitesimalen Raumwinkel (d\Omega) (in Steradiant, sr) abgestrahlt wird.

Eine Punktlichtquelle, die in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt, hätte eine konstante Intensität. Reale Lampen besitzen jedoch im Allgemeinen Intensitätsverteilungen, die mit dem Winkel variieren und so einen „Strahl“ bilden.

Für eine Fläche im Abstand (r) von der Quelle und senkrecht zum Strahl ergibt sich die Beleuchtungsstärke ((E_v), in Lux) zu:

[ E_v = \frac{I_v}{r^2} ]

Mit dieser Formel können Planer berechnen, wie hell eine Fläche in einem bestimmten Abstand von einer bekannten Lichtquelle erscheint.

Lichtstrom ((\Phi_v)): Nicht das Gleiche wie Intensität

Lichtstrom ((\Phi_v)), gemessen in Lumen (lm), ist die gesamte sichtbare Lichtleistung einer Quelle in alle Richtungen. Es ist die Summe der abgestrahlten Lichtenergie und gibt einen ganzheitlichen Überblick über die Gesamtleistung einer Lampe. Ein hoher Lichtstrom bedeutet jedoch nicht zwangsläufig eine hohe Spitzenintensität – wenn das Licht breit gestreut wird, ist die Intensität in eine Richtung geringer.

Für eine gleichmäßige Punktquelle gilt:

[ \Phi_v = I_v \times 4\pi ]

Für gerichtete Quellen:

[ \Phi_v = \int I_v(\theta, \phi) \sin\theta, d\theta, d\phi ]

Der Gesamtlichtstrom wird mit Ulbricht-Kugeln gemessen, während die Intensitätsverteilung mit Goniophotometern ermittelt wird.

Abstrahlwinkel: Die Form des Lichtstrahls

Der Abstrahlwinkel definiert die Winkelbreite, innerhalb derer die Intensität über einem bestimmten Schwellenwert der Spitzenintensität liegt – meist der Winkel, bei dem die Intensität auf 50 % des Maximums ((0.5 \times I_{max})) abfällt, genannt Halbwertswinkel (FWHM, Full Width at Half Maximum).

Gängige Definitionen:

Eine hohe Spitzenintensität mit engem Abstrahlwinkel beleuchtet eine kleine Fläche sehr hell; ein breiter Strahl verteilt das gleiche oder mehr Licht auf eine größere Fläche mit geringerer Spitze.

Raumwinkel ((\Omega)): Wie Licht den Raum füllt

Ein Raumwinkel ((\Omega), in Steradiant, sr) ist ein Maß im dreidimensionalen Raum, wie weit ein Strahl von der Quelle ausgedehnt ist. Für einen kegelförmigen Strahl:

[ \Omega = 2\pi \left(1 - \cos\left(\frac{\alpha}{2}\right)\right) ]

wobei (\alpha) der Abstrahlwinkel im Bogenmaß ist.

Dies ist die Grundlage für die Umrechnung zwischen Spitzenintensität und dem Gesamtlichtstrom innerhalb eines Strahls:

[ \Phi_v = I_v \cdot \Omega ]

Candela (cd): Die SI-Einheit

Das Candela ist die SI-Basiseinheit der Lichtstärke. Ein Candela ist definiert als die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Quelle, die monochromatische Strahlung der Frequenz (540 \times 10^{12}) Hz (etwa 555 nm, das Empfindlichkeitsmaximum des menschlichen Auges) mit einer Strahlungsstärke von 1/683 Watt pro Steradiant abstrahlt.

Alle laborseitigen Lichtstärkemessungen sind auf diese Definition rückführbar, was internationale Vergleichbarkeit gewährleistet.

Wichtige Labor-Messmethoden

Goniophotometer: Kartierung der Intensitätsverteilung

Ein Goniophotometer misst die Lichtstärke einer Lichtquelle in verschiedenen Winkeln um sie herum. Die Lampe wird gedreht, und ein Detektor erfasst die Intensitäten in präzisen Schritten, sodass eine vollständige Verteilungskarte entsteht. Der höchste gemessene Wert ist die Spitzenintensität.

• Typen: Typ A, B, C (meist wird Typ C, Zwei-Achsen-Drehung, verwendet).
• Die Daten werden als photometrische Dateien (.IES, .LDT) für Simulationen und Nachweise ausgegeben.

Ulbricht-Kugel: Messung des Gesamtlichtstroms

Eine Ulbricht-Kugel misst den Gesamtlichtstrom, indem sie das gesamte in alle Richtungen abgestrahlte Licht einfängt und mittelt. Sie kann jedoch keine Richtwirkung oder Spitzenintensität direkt messen.

Luxmeter: Schnelle Feldabschätzung

Ein Luxmeter misst die Beleuchtungsstärke (Lux) an einem Punkt. Wird es in bekanntem Abstand direkt im Strahl platziert, kann es die Spitzenintensität abschätzen:

[ I_v = E_v \cdot r^2 ]

Dies ist jedoch weit weniger genau als Labormethoden und setzt einen klar definierten Strahl und exakte Ausrichtung voraus.

Spektroradiometer: Farb- und Spektralanalyse

Ein Spektroradiometer misst die spektrale Leistungsverteilung (SPD) und liefert farbmetrische Daten. Mit geeigneter Optik kann es spektral gewichtete Intensitäten messen – entscheidend für die Analyse von LED- und Spezialbeleuchtung.

Messstandards und Protokolle

Für zuverlässige und vergleichbare Ergebnisse ist die Einhaltung anerkannter Standards unerlässlich:

• CIE S 025/E:2015: Messprotokoll für LED-Lampen/Leuchten.
• IES LM-79: Nordamerikanische Norm für Festkörperbeleuchtung.
• EN 13032-1/4: Europäische Norm für photometrische Messungen.
• DIN 5032: Deutsche Norm für photometrische Verfahren.

Bewährte Verfahren umfassen:

• Thermische Stabilisierung vor der Messung.
• Dokumentation der Messgeometrie, Umgebungsbedingungen und Geräte.
• Veröffentlichung der vollständigen Intensitätsverteilung, nicht nur des Spitzenwerts.

Anwendungsbeispiele

Luftfahrtbeleuchtung

Vorschriften wie ICAO Annex 14 legen exakte Spitzenintensitäten für Rollbahn-, Anflug- und Taxiway-Beleuchtung fest, um Sicherheit und Sichtbarkeit zu gewährleisten. Die Einhaltung erfordert laborgeprüfte Messungen.

Kfz- und Architekturbeleuchtung

Scheinwerfer, Spots und Fassadenbeleuchtung müssen strenge Anforderungen an die gerichtete Lichtstärke erfüllen. Die Spitzenintensität bestimmt Sichtbarkeit, Blendung und Konformität mit Straßen- oder Gebäudebestimmungen.

Bühnen- und Ausstellungsbeleuchtung

Bühnen- und Ausstellungsbeleuchtung setzt auf hohe Spitzenintensität mit präzisem Abstrahlwinkel, um gewünschte Effekte zu erzielen – ohne übermäßige Streuung oder Blendung.

Rechenbeispiele

Beispiel:
Ein Scheinwerfer hat eine gemessene Spitzenintensität von 20.000 cd und einen Abstrahlwinkel von 10°. Zur Berechnung des Raumwinkels ((\Omega)):

[ \Omega = 2\pi \left(1 - \cos\left(\frac{10°}{2}\right)\right) \approx 0{,}024~\text{sr} ]

Ungefähre Lichtstrommenge im Strahl:

[ \Phi_v = 20.000~\text{cd} \times 0{,}024~\text{sr} = 480~\text{lm} ]

Zusammenfassung

Die Spitzenintensität ist die wichtigste Kennzahl zur Charakterisierung der maximalen „Helligkeit“ einer Lichtquelle in eine beliebige Richtung – besonders bei gerichteter Beleuchtung. Sie wird in Candela gemessen, mit Goniophotometern abgebildet und unterliegt internationalen Standards für Genauigkeit und Vergleichbarkeit. Das Verständnis der Zusammenhänge von Spitzenintensität, Abstrahlwinkel, Lichtstrom und Raumwinkel ist für alle, die Beleuchtungssysteme spezifizieren, planen oder bewerten, unerlässlich – sei es im Hinblick auf Sicherheit, Leistung oder Normkonformität.

Weiterführende Literatur

• CIE S 025/E:2015 Test Method for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules
• IES LM-79-19: Approved Method for Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products
• ICAO Annex 14 – Aerodrome Design and Operations

Verwandte Begriffe

• Lichtstrom (Lumen)
• Abstrahlwinkel
• Beleuchtungsstärke (Lux)
• Goniophotometer
• Raumwinkel (Steradiant)
• Ulbricht-Kugel
• Photometrische Dateien (IES/LDT)
• ICAO-Beleuchtungsnormen

Die Spitzenintensität steht im Zentrum der photometrischen Wissenschaft und der praktischen Lichttechnik. Wer dieses Konzept beherrscht, stellt sicher, dass Beleuchtungssysteme effektiv und normgerecht Licht dorthin bringen, wo und wann es am meisten benötigt wird.