Glossar zu weißem Licht und Fotometrie

Weißes Licht

Weißes Licht ist elektromagnetische Strahlung, die alle Wellenlängen des sichtbaren Spektrums umfasst, typischerweise von 380 bis 780 Nanometern (nm). Im Gegensatz zu monochromatischem Licht, das aus einer einzelnen Wellenlänge besteht und farbig erscheint, ist weißes Licht ein Gemisch mehrerer spektraler Komponenten, die jeweils unterschiedlichen Farben entsprechen. Die bekannteste Quelle ist das Sonnenlicht, das aufgrund seines kontinuierlichen und ausgewogenen Spektrums weiß erscheint. Künstliche Lichtquellen wie Glühlampen, einige LEDs und Leuchtstofflampen sind so konstruiert, dass sie diese Zusammensetzung nachahmen, damit Menschen sie als weiß wahrnehmen.

Das Empfinden von Weiß entsteht, wenn die drei Zapfentypen des menschlichen Auges – empfindlich für kurze (S), mittlere (M) und lange (L) Wellenlängen – in solchen Verhältnissen angeregt werden, dass das Gehirn sie als weiß interpretiert. Dies kann entweder durch ein kontinuierliches Spektrum (natürliche oder glühende Lichtquellen) oder durch die Mischung weniger diskreter Wellenlängen (wie bei RGB-Digitalanzeigen) erfolgen.

Weißes Licht ist in allen Bereichen, die das Sehen betreffen, von zentraler Bedeutung: von der Luftfahrt (wo Lichtklarheit und Farbgenauigkeit für Sicherheit und Navigation entscheidend sind) über Architektur, Industrie bis hin zur Fernerkundung. Sein Spektralinhalt kann mit einem Prisma in das bekannte Farbspektrum zerlegt werden, was seine zusammengesetzte Natur offenbart – ein Phänomen, das erstmals von Isaac Newton untersucht wurde.

Elektromagnetisches Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum umfasst den gesamten Bereich der Wellenlängen oder Frequenzen elektromagnetischer Strahlung, von Gammastrahlen (mit Wellenlängen unter einem Nanometer) bis zu Radiowellen (mit Wellenlängen von Kilometern). Das sichtbare Spektrum – relevant für weißes Licht – nimmt davon nur einen winzigen Abschnitt ein, etwa von 380 bis 780 nm.

Angrenzend an das sichtbare Spektrum liegen Ultraviolett (100–380 nm) und Infrarot (780 nm–1 mm). Diese Bereiche sind für das menschliche Auge unsichtbar, spielen aber in Technik und Wissenschaft eine wichtige Rolle. Beispielsweise sind Beleuchtungssysteme in der Luftfahrt so gestaltet, dass sie Wellenlängen abstrahlen, die durch atmosphärische Bedingungen wie Nebel am wenigsten beeinträchtigt werden.

Sichtbares Spektrum

Das sichtbare Spektrum ist der Teil des elektromagnetischen Spektrums, den das durchschnittliche menschliche Auge wahrnehmen kann, typischerweise von 380 bis 780 nm. Innerhalb dieses Bereichs entsprechen verschiedene Wellenlängen unterschiedlichen Farben:

Die Grenzen sind nicht scharf definiert, da sich die Empfindlichkeiten der Zapfen überlappen und es individuelle Unterschiede im Sehen gibt. Die Grenzen des sichtbaren Spektrums können in technischen Normen angepasst werden (z. B. 400–700 nm für die Fotometrie).

Spektrale Verteilung

Die spektrale Verteilung beschreibt, wie eine Lichtquelle Energie über das sichtbare Spektrum abgibt. Sie wird meist als Intensitätsdiagramm über der Wellenlänge dargestellt.

Arten der spektralen Verteilung:

• Kontinuierliches Spektrum: Von Quellen wie Sonne oder Glühlampen emittiert; umfasst alle sichtbaren Wellenlängen.
• Linienspektrum: Von Gasentladungslampen emittiert; besteht aus scharfen Spitzen bei diskreten Wellenlängen (z. B. Natrium- oder Quecksilberdampflampen).
• Bandspektrum: Enthält Gruppen eng benachbarter Linien, zu finden bei Hochdrucklampen oder bestimmten natürlichen Phänomenen.

Die spektrale Verteilung beeinflusst Farbwirkung, Farbtemperatur und Farbwiedergabe. In der Luftfahrt muss die Beleuchtung Normen für die spektrale Verteilung erfüllen, um Sicherheit und Leistungsfähigkeit zu gewährleisten.

Farbwahrnehmung

Farbwahrnehmung ist das subjektive Empfinden, das durch die Reizung der Netzhaut durch unterschiedliche Wellenlängen entsteht. Das menschliche Auge besitzt drei Zapfentypen:

Das Gehirn interpretiert die kombinierten Antworten, um Farberlebnisse zu erzeugen. Werden alle drei Zapfentypen gleichermaßen stimuliert, entsteht „Weiß“. Die Empfindlichkeit des Auges erreicht bei etwa 555 nm unter Tageslichtbedingungen (photopisches Sehen) ihr Maximum und verschiebt sich bei schwachem Licht auf 507 nm (skotopisches Sehen) – ein Phänomen, das als Purkinje-Effekt bezeichnet wird.

Farbwahrnehmung hängt von Kontext, Adaptation und der spektralen Zusammensetzung des Lichts ab. Metamerie tritt auf, wenn unterschiedliche Spektren als dieselbe Farbe wahrgenommen werden. Luftfahrtnormen legen Chromatizitätsgrenzen für weißes und farbiges Licht fest, um die Sicherheit zu gewährleisten.

Additive Farbmischung

Additive Farbmischung beschreibt, wie verschiedenfarbige Lichter neue Farben – einschließlich Weiß – erzeugen, indem sie die Netzhautzapfen in bestimmten Verhältnissen stimulieren. Die Mischung von rotem, grünem und blauem (RGB) Licht in den passenden Intensitäten ergibt weißes Licht. Dieses Prinzip wird in digitalen Anzeigen, Cockpit-Instrumenten und Flughafenbeschilderungen eingesetzt.

Additive Farbmischung unterscheidet sich von subtraktiver Mischung (bei Pigmenten und Filtern). Internationale Normen legen Chromatizitätskoordinaten für das Luftfahrt-„Weiß“ und andere Betriebsfarben fest, um eine zuverlässige Farberkennung zu gewährleisten.

Farbtemperatur

Farbtemperatur beschreibt den Farbton von weißem Licht, indem sie mit dem Spektrum eines idealen Schwarzen Strahlers bei gegebener Temperatur (in Kelvin, K) verglichen wird. Niedrige Farbtemperaturen (2700–3500 K) wirken warm (gelb/rot), höhere (5000–6500 K) erscheinen kühl (bläulich-weiß).

Farbtemperatur ist in der Luftfahrt- und Industriebeleuchtung entscheidend für Sehkomfort, Sicherheit und eine korrekte Farberkennung.

Lichtstrom

Lichtstrom ist die gesamte von einer Quelle in alle Richtungen abgestrahlte sichtbare Lichtmenge, gewichtet nach der Empfindlichkeit des menschlichen Auges. Er wird in Lumen (lm) gemessen und unterscheidet sich von der Strahlungsleistung (Watt), da nur sichtbare Wellenlängen berücksichtigt werden.

Der Lichtstrom (Φ_v) wird durch Integration der spektralen Leistungsverteilung mit der Lichtausbeutefunktion des Auges (V(λ)), die bei 555 nm ihr Maximum hat, berechnet. Er ist eine Schlüsselgröße zur Spezifikation von Lampen und Leuchten in Luftfahrt und Industrie.

Lichtstärke

Lichtstärke misst, wie viel Lichtstrom in eine bestimmte Richtung innerhalb eines Raumwinkels abgegeben wird. Sie wird in Candela (cd) gemessen, wobei eine Candela einem Lumen pro Steradiant entspricht.

Richtungsabhängige Lichter (z. B. Rollbahnlichter, Baken) werden nach ihrer Lichtstärke spezifiziert. ICAO-Normen legen erforderliche Werte und Winkelverteilungen für die Sicherheit in der Luftfahrt fest.

Beleuchtungsstärke

Die Beleuchtungsstärke gibt an, wie viel Lichtstrom auf eine Fläche pro Flächeneinheit fällt, gemessen in Lux (lx), wobei ein Lux einem Lumen pro Quadratmeter entspricht. Sie bestimmt, wie hell eine Fläche beleuchtet ist, und ist in Flughäfen, Cockpits und Arbeitsbereichen entscheidend für die Sichtbarkeit.

ICAO und andere Institutionen geben erforderliche Beleuchtungsstärken für sichere Navigation und sichere Abläufe vor. Luxmeter messen die Beleuchtungsstärke und helfen, die Einhaltung der Beleuchtungsnormen zu gewährleisten.

Leuchtdichte

Leuchtdichte ist die Helligkeit einer Licht emittierenden oder reflektierenden Fläche, wie sie von einem Beobachter gesehen wird, wobei Intensität und projizierte Fläche berücksichtigt werden. Sie wird in Candela pro Quadratmeter (cd/m²) gemessen und ist entscheidend für die Lesbarkeit von Anzeigen, Beschilderungen und die ergonomische Gestaltung der Beleuchtung.

Sie wird berechnet als: L = I / (A · cosθ)

wobei L die Leuchtdichte, I die Lichtstärke, A die Fläche und θ der Winkel zwischen Flächennormalen und Blickrichtung ist. Luftfahrtnormen legen Leuchtdichtewerte für Sichtbarkeit und Sicherheit fest.

Fotometrie

Fotometrie ist die Wissenschaft der Messung von sichtbarem Licht, wie es vom menschlichen Auge wahrgenommen wird. Sie umfasst Größen wie Lichtstrom, Lichtstärke, Beleuchtungsstärke und Leuchtdichte, die alle nach der spektralen Empfindlichkeit des Auges gewichtet sind. Fotometrie ist in der Lichtplanung, Sicherheit und Normung unverzichtbar – besonders in der Luftfahrt, Architektur und Industrie.

Fotometrische Messungen erfolgen mit Sensoren und Filtern, die auf die menschliche Wahrnehmung abgestimmt sind und so für Konsistenz und Praxisrelevanz sorgen. Internationale Normen (ICAO, CIE) legen Verfahren und Grenzwerte für fotometrische Parameter in sicherheitskritischen Umgebungen fest.

Durch das Verständnis von weißem Licht, seinen spektralen Eigenschaften und fotometrischen Größen können Ingenieure und Anwender Beleuchtungssysteme so gestalten, dass sie Sichtbarkeit, Sicherheit und Komfort optimieren – insbesondere in anspruchsvollen Bereichen wie Luftfahrt und Transport.