Lumen (Einheit)

SI-Einheit des Lichtstroms
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 gibt also an, wie viel Licht eine Lampe pro Zeiteinheit abgibt. Das Lumen darf nicht mit dem Lux verwechselt werden, der Einheit der Beleuchtungsstärke, die angibt, wie viel Licht pro Zeiteinheit pro Flächeneinheit auftrifft.

DefinitionBearbeiten

Der Lichtstrom   ist eine photobiologische Größe. Er entspricht der Strahlungsleistung  , gemessen in Watt (W) und berücksichtigt dabei, dass das menschliche Auge für Licht unterschiedlicher Wellenlänge   unterschiedlich empfindlich ist:  . Der Faktor  , der die Empfindlichkeit des Auges beschreibt, ist das photometrische Strahlungsäquivalent.

Aus praktischen und historischen Gründen wird der Lichtstrom als Größe mit eigener Dimension angesehen. Das Lumen ist daher eine separate Einheit, aber über K(λ) an das Watt gekoppelt. Es ist

„[…] definiert, indem für das Strahlungsäquivalent Kcd der monochromatischen Strahlung der Frequenz 540·1012 Hz der Zahlenwert 683 festgelegt wird, ausgedrückt in der Einheit lm W–1 […]“[1][2]

Dieser Normierungsfaktor von 683 lm/W ist ein willkürlich festgelegter Wert. Er wurde so gewählt, dass das 1979 so definierte Lumen möglichst gut mit seiner früheren Definition übereinstimmte. Die für diese Definition gewählte Frequenz von 540 THz entspricht gelbgrünem Licht einer Wellenlänge von 555 Nanometern. Bei dieser Wellenlänge ist das menschliche Auge für Tagsehen am empfindlichsten. Zum roten und blauen Ende des Farbspektrums hin sinkt der Wert von K jeweils ab und erreicht am Rand des sichtbaren Bereichs den Wert Null. Im Regelfall wird dem Auge ein Gemisch elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen angeboten, die unterschiedlich stark zum Helligkeitseindruck beitragen. K ist dann das gewichtete Mittel („Durchschnitt“) von K(λ). Für das Wellenlängengemisch des Tageslichts ist K ≈ 125 lm/W.

Die Empfindlichkeitskurve K’(λ) für das Nachtsehen hat einen anderen Verlauf, aber bei 555 nm zufällig fast genau denselben Wert. Daher ist die Definition auch für Nachtsehen tauglich.

Ein Lichtstrom von einem Lumen bei einer Wellenlänge von 555 nm entspricht einer Photonenrate von 4,1·1015 Photonen pro Sekunde.[3]

GeschichteBearbeiten

Die Einheit Lumen wurde 1894 von André-Eugène Blondel vorgeschlagen und 1896 auf dem Internationalen Elektrikerkongress in Genf angenommen.

Photometrische Größen und Einheiten waren zunächst über standardisierte Lichtquellen wie die Hefnerlampe definiert, die in einem breiten Frequenzband Licht ausstrahlten. Aus messtechnischen Gründen wurden Lichtstärken verglichen. Seit 1946 war die Einheit der Lichtstärke, die Candela, über einen Schwarzen Strahler definiert[4] (zunächst unter der Bezeichnung „Neue Kerze“[4] und ab 1948 als „Candela“[5]).

Die heutige 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.[6][7] 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. Dadurch musste die Definition des Lumen komplizierter formuliert werden.

Als 1979 die Umdefinition mit Anbindung an das Watt erfolgte, plädierte das zuständige internationale Gremium (Comité Consultatif de Photométrie et Radiométrie (CCPR)) dafür, dass das Lumen die Candela als SI-Basiseinheit ersetzen sollte.[8][9] Um die Zustimmung zur Neudefinition der photometrischen Einheiten insgesamt nicht zu gefährden, wurde jedoch davon Abstand genommen.

VerwendungBearbeiten

Angabe bei LeuchtmittelnBearbeiten

Bei Leuchtmitteln ist der Zahlenwert in Lumen ein Maß dafür, wie viel Licht eine Lampe abgibt. Laut EG-Verordnung 244/2009 muss diese Angabe auf den Lampenpackungen dominant sein.[10] Der Zahlenwert in Watt hingegen gibt an, wie viel elektrische Leistung aufgenommen („verbraucht“) wird. Die Lichtausbeute – das Verhältnis „Lumen zu Watt“ – ist somit ein Maß für die Wirtschaftlichkeit einer Lampe.

Für eine Liste typischer Lichtströme von Leuchtmitteln und den Vergleich zur aufgenommenen elektrischen Leistung (gemessen in Watt) siehe Lichtstrom#Beispiele typischer Lichtströme und Lichtquelle#Beispiele.

ANSI-LumenBearbeiten

„ANSI-Lumen“ ist eine umgangssprachliche Bezeichnung im Zusammenhang mit der technischen Spezifikation von Projektoren. 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“:[12]

 

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.

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Neue Definitionen im Internationalen Einheitensystem (SI). (pdf) PTB, September 2019, abgerufen am 28. September 2019. – Ausschnitt aus der Definition der Candela
  2. Richtlinie (EU) 2019/1258 der Kommission vom 23. Juli 2019 zur Änderung des Anhangs der Richtlinie 80/181/EWG des Rates hinsichtlich der Definitionen der SI-Basiseinheiten zwecks ihrer Anpassung an den technischen Fortschritt, offizielle deutsche Übersetzung aus der SI-Broschüre von 2019 (9. Auflage) – Ausschnitt aus der Definition der Candela
  3. 1/683 W = ·hc/λ = λ/(683·hc) W = 555·10−9/(683·6,626·10−34·2,998·108) m·W/(J·s·m·s−1) = 4,09·1015 s−1
  4. a b Comité International des Poids et Mesures – Procès verbaux des séances. 2e série. XX série, 1947, S. 119–121 (bipm.org [PDF]).: Der Wortlaut befindet sich auf Seite 125-127 des PDF-Dokuments.
  5. Resolution 7 of the 9th meeting of the CGPM (1948) (online, abgerufen am 16. Oktober 2019)
  6. 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).
  7. 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 […]“
  8. Protokoll der 15. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, 1975, Seite 77, abgerufen am 14. Nov. 2019
  9. 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.
  10. EG-Verordnung 244/2009, Anhang II Abs. 3.1.a)
  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.
  12. Beschreibung des Messverfahrens (Abschnitt ANSI-Lumen)