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Physikalische Einheit
Einheitenname Lumen
Einheitenzeichen
Physikalische Größe(n) Lichtstrom
Formelzeichen
Dimension
System Internationales Einheitensystem
In SI-Einheiten
Benannt nach lateinisch lumen, „Licht, Leuchte“

Das Lumen (lateinisch für Licht, Leuchte) ist die SI-Einheit des Lichtstroms.

Es ist mit dem Watt (W), der Maßeinheit für die Strahlungsleistung, über einen Umrechnungsfaktor verknüpft, der die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges für Licht verschiedener Frequenzen berücksichtigt.

DefinitionBearbeiten

Das Lumen ist dadurch definiert, dass für monochromatische Strahlung der Frequenz 540 THz (grünes Licht der Wellenlänge ≈ 555 nm) festgelegt wurde, dass 1 W Strahlungsleistung einem Lichtstrom von 683 lm entspricht.[1] Dieser Faktor 683 ist das photometrische Strahlungsäquivalent (siehe unten). Für andere Frequenzen bzw. Wellenlängen hat es entsprechend der Empfindlichkeit des menschliche Auges einen anderen Wert; für Licht mit gemischten Wellenlängen ist der Faktor entsprechend zu wichten.

Diese Definition ist seit 1979 gültig, in ihrer heutigen Formulierung allerdings erst seit der Neudefinition der SI-Einheiten durch die 26. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, die am 20. Mai 2019 in Kraft trat.[2] Vor 2019 galt die Regel, dass alle Maßeinheiten von den SI-Basiseinheiten abgeleitet werden mussten, sofern sie nicht selbst solche waren. Die referierte Basiseinheit war in diesem Fall die Candela, die Einheit für die Lichtstärke (Lichtstrom pro Raumwinkel). Dadurch musste die Definition des Lumen deutlich komplizierter formuliert werden.

Im Vorfeld der Änderung von 1979, als die Definition der photometrischen Einheiten von standardisierten Lichtquellen (seit 1946 Schwarzer Strahler, bis 1948 als “Neue Kerze” bezeichnet) auf die Strahlungsleistung umgestellt wurde, plädierte das zuständige internationale Gremium (Comité Consultatif de Photométrie et Radiométrie (CCPR)) dafür, dass das Lumen die Candela als Basiseinheit ersetzen sollte.[3] Um die Zustimmung zur Neudefinition der photometrischen Einheiten insgesamt nicht zu gefährden, wurde jedoch davon Abstand genommen.

LichtstromBearbeiten

 
Relative Hellempfindlichkeitskurven für Tagsehen V(λ) (rot) und Nachtsehen V'(λ) (blau).

Wellenlängenabhängige HellempfindlichkeitBearbeiten

Aus dem breiten Wellenlängenspektrum elektromagnetischer Strahlung ist der Wellenlängenbereich von etwa 380 bis 780 Nanometern (nm) für das menschliche Auge „sichtbar“, das heißt Strahlung aus diesem Bereich löst in menschlichen Augen eine Helligkeitsempfindung aus und diese Strahlung wird als Licht wahrgenommen. Das Auge ist jedoch nicht für alle sichtbaren Wellenlängen gleich empfindlich. Auf Wellenlängen am Rand des sichtbaren Bereiches ist eine höhere Strahlungsintensität nötig, um dieselbe Helligkeitsempfindung zu bewirken wie in seiner Mitte. Bei einer Wellenlänge von 555 nm, einer gelb-grünen Spektralfarbe entsprechend, ist das Auge am empfindlichsten. Bei etwa 510 nm (grün) auf der einen Seite, und bei etwa 610 nm (orangerot) auf der anderen Seite des Maximums erreicht das Auge des Menschen nur noch die halbe Empfindlichkeit.[4] Bei 665 nm, der Farbe typischer roter Leuchtdioden, beträgt die Empfindlichkeit nur 4,5 Prozent derjenigen bei 555 nm.[5] Bei etwa 380 nm (violett) bzw. 780 nm (tiefrot) ist die Empfindlichkeit fast Null.

Wird dem Auge ein Gemisch elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen angeboten, so hängt der erzeugte Helligkeitseindruck von der Empfindlichkeit des Auges für die im Gemisch enthaltenen Wellenlängen ab. Wellenlängen nahe 555 nm tragen stark zum Helligkeitseindruck bei, Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs tragen gar nicht bei. Es genügt also nicht anzugeben, wie viel Watt an physikalischer Strahlungsleistung eine Lampe aussendet, um den von dieser Strahlung erzeugten Helligkeitseindruck zu beschreiben. Der in Watt gemessene Strahlungsstrom ist stattdessen mit der wellenlängenabhängigen Empfindlichkeitskurve des Auges zu gewichten und mit einem Umrechenfaktor von Watt nach Lumen zu multiplizieren. Das Ergebnis ist der in Lumen gemessene Lichtstrom, der ein quantitatives Maß für den im Auge erzeugten Lichtreiz ist.

Monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hertz (entspricht in Luft der Wellenlänge 555 nm) und der Strahlungsleistung 1 Watt ist definitionsgemäß gleichzeitig ein Lichtstrom von 683 Lumen.[1] Die Strahlungsleistung auf anderen Wellenlängen trägt geringer zum Lichtstrom bei. Die Empfindlichkeitskurve für Nachtsehen hat ein Maximum bei einer geringeren Wellenlänge; der absolute Wert ist aber bei 555 nm zufälligerweise fast identisch mit der Empfindlichkeit für Tagsehen. Daher war für Nachtsehen keine separate Definition erforderlich.[6]

Ein Lichtstrom von einem Lumen bei einer Wellenlänge von 555 nm entspricht einer Photonenrate von 4,11·1015 Photonen pro Sekunde.[7]

Photometrisches Strahlungsäquivalent einer StrahlungBearbeiten

Das Verhältnis des resultierenden Lichtstroms zur physikalischen Strahlungsleistung ist das photometrische Strahlungsäquivalent der betreffenden Strahlung. Je größer diese Zahl ist, desto größer ist der für das Auge nutzbare Lichtstrom bei gegebener Strahlungsleistung. Das Wellenlängengemisch des Tageslichts (ohne direkte Sonnenstrahlung) hat beispielsweise ein photometrisches Strahlungsäquivalent von etwa 125 lm/W, das der Sonne liegt zwischen knapp 20 lm/W (tiefstehende Sonne) und etwa 100 lm/W (Sonne im Zenit).[8] Der maximal mögliche Wert beträgt 683 lm/W (nämlich für monochromatische Strahlung der Wellenlänge 555 nm).

Das in lm/W gemessene photometrische Strahlungsäquivalent ist nicht zu verwechseln mit der ebenfalls in lm/W gemessenen Lichtausbeute einer technischen Lichtquelle:

  • Das photometrische Strahlungsäquivalent beschreibt, wie viel abgegebenes Lumen auf jedes Watt der abgegebenen elektromagnetischen Strahlungsleistung entfallen.
  • Die Lichtausbeute beschreibt, wie viel abgegebenes Lumen auf jedes Watt der von der Lichtquelle aufgenommenen (meist elektrischen) Leistung entfallen, schließt also technische Umwandlungsverluste mit ein.

LichtstromBearbeiten

Der Lichtstrom einer Lichtquelle gibt an, mit welcher Rate Licht erzeugt wird und für Beleuchtungszwecke zur Verfügung steht. Er macht keine Angaben darüber, wie das erzeugte Licht sich im Raum verteilt. Soll zum Beispiel ermittelt werden, welche Beleuchtungsstärke auf einer gegebenen Empfangsfläche erzeugt wird, so sind zusätzliche Angaben über die Abstrahlcharakteristik der Lichtquelle nötig, zum Beispiel ihre Lichtstärke in Richtung der Empfangsfläche. Rechenbeispiele sind in den Artikeln zu den einzelnen photometrischen Größen aufgeführt (insbesondere in den Artikeln →Beleuchtungsstärke und →Lichtstärke). Der Artikel →Lichtstrom enthält eine kurze Auflistung der photometrischen Größen und ihres Zusammenhangs mit dem Lichtstrom.

Beispiele typischer LichtströmeBearbeiten

GlühlampenBearbeiten

Typische Werte für Allgebrauchslampen der Hauptreihe 230 V, Lampen mit Doppelwendel:[9]

Leistung
W
Lichtstrom
lm
Lichtausbeute
lm/W
40 430 10,8
60 730 12,2
100 1380 13,8
500 8400 16,8

LeuchtstofflampenBearbeiten

Typische Werte für Leuchtstofflampen der Lichtfarbe hellweiß, Bauform Stab (Durchm. 26 mm):[10]

Leistung
W
Rohrlänge
mm
Lichtstrom
lm
Lichtausbeute
lm/W
15 438 650 37
30 895 1600 46
36 1200 3350 73
58 1500 5200 73

(Leistungsaufnahme ohne Berücksichtigung des Vorschaltgeräts)

Zusätzliche Beispiele finden sich in den Artikeln →Lichtstrom und →Lichtquelle.

ANSI-LumenBearbeiten

„ANSI-Lumen“ ist eine umgangssprachliche Bezeichnung im Zusammenhang mit der technischen Spezifikation von Projektoren (inkl. Videoprojektoren). Dabei handelt es sich nicht etwa um eine spezielle lichttechnische Einheit, sondern es sagt aus, dass der Lichtstrom (umgangssprachlich „die Helligkeit“) des Projektors in der Einheit Lumen gemäß einer Messvorschrift ermittelt wurde, die vom American National Standards Institute (ANSI) entwickelt wurde.[11]

Zur Vorbereitung der Messung ist der Projektor so einzustellen, dass vor einem weißen Hintergrund ein fünf Prozent graugetöntes Feld von einem zehn Prozent graugetönten Feld zu unterscheiden ist, also zwei sehr helle Grautöne. Die Projektionsfläche wird dann in drei Spalten und drei Reihen geteilt und der Mittelwert der Beleuchtungsstärke   (in Lux) aller neun Felder ermittelt. Dieser Mittelwert multipliziert mit der Projektionsfläche   ergibt die „ANSI-Lumen“:

 

Die Angaben der meisten Hersteller von Projektoren beziehen sich auf die normgerechten Maximaleinstellungen, die für die Praxis nur selten optimal sind. Die bei optimaler Einstellung erreichten Lichtströme liegen teilweise deutlich darunter.

Photometrische Größen und EinheitenBearbeiten

radiometrische Größe Symbola) SI-Einheit Beschreibung photometrische Entsprechungb) Symbol SI-Einheit
Strahlungs­leistung
Strahlungs­fluss, radiant flux, radiant power
  Watt (W) Strahlungsenergie durch Zeit Lichtstrom
luminous flux, luminous power
  Lumen (lm)
Strahl­stärke
Strahlungs­stärke, radiant intensity
  W/sr Strahlungsleistung durch Raumwinkel Lichtstärke
luminous intensity
  Candela (cd) = lm/sr
Bestrahlungs­stärke
Strahlungs­fluss­dichte, Strahlungs­strom­dichte, irradiance, radiant flux density
  W/m2 Strahlungsleistung durch Empfänger­fläche Beleuchtungs­stärke
Lichtstrom­dichte, illuminance
  Lux (lx) = lm/m2
Spezifische Ausstrahlung
Ausstrahlungs­strom­dichte, radiant exitance
  W/m2 Strahlungsleistung durch Sender­fläche Spezifische Lichtausstrahlung
luminous exitance
  lm/m2
Strahldichte
Strahlungsdichte, Radianz, radiance
  W/(m2sr) Strahlungsleistung durch Raumwinkel durch effektive Senderfläche Leuchtdichte
luminance
  cd/m2
Strahlungs­energie
Strahlungsmenge, radiant energy
  Joule (J) durch Strahlung übertragene Energie Lichtmenge
luminous energy
  lm s
Bestrahlung
Einstrahlung, radiant exposure
  J/m2 Strahlungsenergie durch Empfänger­fläche Belichtung
luminous exposure
  lx s
Strahlungs­ausbeute
radiant efficiency
  1 Strahlungsleistung durch auf­ge­nom­mene (meist elek­trische) Leistung Lichtausbeute
(overall) luminous efficacy
  lm/W
a) Der Index „e“ dient zur Abgrenzung von den photo­metrischen Größen; er kann weggelassen werden.
b) Die photometrischen Größen sind die radiometrischen Größen, gewichtet mit dem photo­metrischen Strahlungs­äquivalent K, das die Empfindlich­keit des menschlichen Auges angibt.

Siehe auchBearbeiten

WeblinksBearbeiten

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. a b Resolution 1 of the 26th meeting of the CGPM (2018) (online, abgerufen am 30. August 2019): „[…] the International System of Units […] is the system of units in which […] the luminous efficacy of monochromatic radiation of frequency 540 × 1012 Hz, Kcd, is 683 lm/W […]“
  2. 26th CGPM (2018) - Resolutions adopted / Résolutions adoptées. (PDF; 1,2 MB) Versailles 13–16 novembre 2018. In: bipm.org. Bureau International des Poids et Mesures, 19. November 2018, S. 2–5, abgerufen am 6. Mai 2019 (englisch, französisch).
  3. Comité International des Poids et Mesures – Procès verbaux des séances. 66e session. 2e série, 1977, S. 5–6 (bipm.org [PDF]). (7,4 MB): „Recommandation P 3 (lumen comme unité de base avec une définition en fonction du watt) est celle qui a la préférence de la majorité du CCPR.“ Das CCPR (Comité Consultatif de Photométrie et Radiométrie) ist das zuständige Beratungsgremium des Internationalen Komitees für Maß und Gewicht (CIPM). Der Wortlaut der Empfehlung P 3 befindet sich auf Seite 143 desselben Dokuments.
  4. BIPM: Principes Régissant la Photométrie. Pavillon de Breteuil 1983 (PDF 1,06 MB), Tableau 1: Efficacité lumineuse relative spectrale V(λ) pour la vision photopique: V(510 nm) = 0,503 , V(610 nm) = 0,503.
  5. BIPM: Principes Régissant la Photométrie. Pavillon de Breteuil 1983 (PDF 1,06 MB), Tableau 1: Efficacité lumineuse relative spectrale V(λ) pour la vision photopique: V(665 nm) = 0,04458
  6. Comité International des Poids et Mesures – Procès verbaux des séances. 66e session. 2e série, 1977, S. 130 (bipm.org [PDF]). (7,4 MB)
  7. 1/683 W = n·n = 1/(683·) s−1 = λ/(683·hc) s−1 = 555·10−9/(683·6,626·10−34·2,998·108) s−1 = 4,09·1015 s−1
  8. DIN 5034 Tageslicht in Innenräumen, Teil 2 Grundlagen Beuth Verlag, Berlin 1985
  9. H.-J. Hentschel: Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik. 4. Aufl., Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 128
  10. H.-J. Hentschel: Licht und Beleuchtung – Theorie und Praxis der Lichttechnik. 4. Aufl., Hüthig Buch, Heidelberg 1994, ISBN 3-7785-2184-5, S. 134
  11. Die entsprechende Norm IT7.227-1998 wurde bereits im Juli 2003 vom ANSI zurückgezogen und findet sich dort nicht mehr. Gültig sind hingegen die praktisch identischen Normen der International Electrotechnical Commission (IEC) sowie die DIN EN 61947-1.