Achtung, Lumen! Spitzenwerte bei photometrischen Daten

Viele kennen es aus der Tontechnik, wenn die Leistungsangaben der Lautsprecher oder Verstärker ein leistungsstarkes Gerät versprechen und man dann bei der Hörprobe einem Transistorradio lauscht. In der Lichttechnik hat dieser Trend auch Einzug gehalten. Wie man „Spitzenwerte“ erreichen kann, wollen wir mit den folgenden Beispielen einmal näherbringen.

Google doch mal

Fangen wir einmal mit einem simplen Beispiel an: Wir haben mit unserem Luxmeter die Beleuchtungsstärke gemessen und wissen den Abstrahlwinkel des Scheinwerfers sowie den Abstand vom Scheinwerfer zum Luxmeter. Heute schlägt man kein Buch auf, im Internet steht ja alles. Jetzt googlen wir nach einem „Lux zu Lumen Rechner“ und werden natürlich mehrfach fündig. 
Gesagt – getan, wir geben die Daten auf der ersten Trefferseite ein, z.B. 150 lx in 15m Entfernung bei einem Abstrahlwinkel von 58°. Auf der Website wird uns ein Lichtstrom von 26587 lm berechnet. Klasse – so einfach. Aber jetzt machen wir einen Vergleich und rufen eine andere Website mit einem „Lux zu Lumen Rechner“ auf. Diese Website liefert 32578 lm als Ergebnis. Das ist eine Differenz von 5991 lm von Website zu Website.
Und schon ist die Verunsicherung geboren. Wo kommt der Unterschied her?

• 

• 

Geht man der Sache auf den Grund, so nutzt

Website a) Lichtstrom Φ (lm) = I (cd) x Ω /          und Ω = 2π * ( 1 – cos ( α / 2) )
Website b) Lichtstrom Φ (lm) = E (lx) x A (m²)     und A = (d² × π)/4; d/2 = r x tan (α /2)

eigentlich müsste bei beiden Formeln dasselbe Ergebnis herauskommen,
wenn man I (cd) = E (lx) x r² einsetzt.

Dennoch werden unterschiedliche Werte berechnet, denn einmal erfolgt die Berechnung über den Raumwinkel, die die beleuchtete Fläche einer Kugeloberfläche des Raumwinkels nutzt, während im anderen Fall die Fläche einer ebenen Projektion verwendet wird. Bei der ebenen Fläche wird mit größer werdenden Abstrahlwinkeln die Fläche immer größer als die Fläche der Kugeloberfläche. Im extremen, wie bei 180° Abstrahlwinkel, wird die Fläche der Ebene unendlich, während die Kugeloberfläche bei 180° endlich ist.

Die bei unserem Beispiel eingesetzten Werte ergeben eine zum Raumwinkel gehörige Kugeloberfläche (A) von 177,25m². Die Fläche an der Ebene (B) beträgt 217,188m².
Nimmt man den jeweils anderen Wert und setzt Sie in die oberen Formeln ein, kommen die gleichen Ergebnisse heraus.

WWW – Vereinfacht

Abgesehen von den Varianten der Fläche, werden auf den Webseiten vereinfachte Formeln zugrunde gelegt, die eine Lichtverteilung auf der beleuchteten Fläche völlig außer Acht lassen. Wenn wir von einem Abstrahlwinkel sprechen ohne weitere Angabe, dann nehmen wir einen Halbwertswinkel (eng. Beamangle) an. Das bedeutet, dass der Abstrahlwinkel definiert wird, wo die Lichtstärke nur noch 50% der hellsten Lichtstärke, die meist im Zentrum ermittelt wird, liegt. Die vereinfachten Formeln hingegen gehen von einer gleichbleibenden Helligkeit über die gesamte Fläche aus. Folglich dient die Nutzung der komfortablen Umrechnungsseiten aus dem Internet eher einer groben Schätzung. So gesehen bietet der Vergleich der aufgenommenen elektrischen Leistung eines Scheinwerfers mehr Aussagekraft. Möchte man dennoch seine gemessene Beleuchtungsstärkewerte (gemessen in Lux) nutzen, um auf den Lichtstrom zu kommen, dann kann man die numerische Integration nutzen. Auch dafür gibt es Formeln, siehe z.B. hier.

Um den Lichtstrom bei rotationssymmetrischen Lichtkegeln aus Beleuchtungsstärken zu berechnen kann die numerische Integration angewendet werden. Eine Vereinfachung bzw. einfache Multiplikation ergibt höhere Werte.

Auch wenn man keine Ulbricht-Kugel oder Photogoniometer besitzt, lässt sich mittels Luxmeter und der numerischen Integration der Lichtstrom bestimmen. Und zwar wesentlich genauer als die im Internet vorzufindenden vereinfachten Formeln.

Hetz nicht so

Übergibt der Hersteller zur Erstellung seiner Photometrischen Daten seinen Scheinwerfer an ein akkreditiertes Messinstitut, kann man sich sicher sein, dass hier die Werte richtig ermittelt werden. Die meisten Scheinwerferhersteller, die für die Veranstaltungsbranche tätig sind, haben sich ein Photogoniometer und oder eine Ulbrichtkugel zugelegt, um den Anwender mit einer schieren Anzahl von Messergebnissen in den verschiedensten Scheinwerfereinstellungen zu beeindrucken. Was sich in unserer Branche mit Einführung der LED als Leuchtmittel eingeschlichen hat, ist die Messung sofort nach dem Einschalten bzw. Einsetzen des Lichtstrahles. Zeit ist Geld. Jetzt kommt eine Eigenschaft der LED zum Tragen: die Helligkeit nimmt mit zunehmender Erwärmung exponentiell ab. So wird in der Praxis in der Veranstaltungsbranche (VA) oftmals der Lichtstrom und die Beleuchtungsstärke gleich nach dem Einschalten ermittelt. Richtig wäre es zu warten, bis sich der Scheinwerfer im eingeschwungenen Zustand befindet. Jedoch dauert das oftmals weit mehr als eine halbe Stunde bevor man den Messknopf betätigen kann. Einige Scheinwerfer erreichen z.B. nie einen eingeschwungenen Zustand, sondern regeln zwischen zwei Zuständen hin und her, was nicht für ein gutes Temperaturmanagement spricht.

Der Lichtstrom bei diesem Beispiel nimmt innerhalb kurzer Zeit rapide ab, bis die Lüftung einsetzt. Nach über 3000 sek. also ca. 50 Minuten, reicht die Lüfterkühlung nicht mehr aus und die LED-Board-Schutzbeschaltung dimmt die LED herunter. Dabei kühlt sie sich so weit ab, dass sie kurz darauf wieder voll durchgesteuert werden kann. Das wiederholt sich nun unendlich, die Leuchte findet nie zu einer konstanten Helligkeit. 

Alles an Bord?

Es ist fast wie bei den olympischen Spielen. Im Wettkampf um die hellste Leuchte wird der Scheinwerfer zur Messung hin optimiert. Auch Scheinwerfer sind durch die Schwankungen der LED-Chips in ihrer Helligkeit unterschiedlich. So ist es legitim, sich aus seiner Produktion den hellsten herauszupicken, damit man gegenüber dem Mitbewerber wieder die Nase im Wind hat. Unschön wird es dann, wenn bei dem Vergleichs-Muster bzw. dem zu vermessenden Gerät, so konnte man es z.B. auch schon bei Entladungslampen feststellen, der UV_IR Filter vor der Lampe vergessen wurde einzusetzen. Oder es werden die Wechselmodule wie Gobomodul, zur Messung herausgenommen. Auch das kann einige Prozentpunkte bringen, genau wie die Ermittlung der hellsten Zoom- Fokuseinstellung, was wiederum völlig in Ordnung ist. Allein ob die Lüfter gegen die natürliche Konvektion arbeiten oder mit, kann das Messergebnis um 2,8% verbessern bzw. verschlechtern. So sollte zu jeder Messung genau beschrieben werden, in welchen Zustand sich die Lampe befunden hat.

Abstrahlwinkel

Wir können von ganz eng bis ganz ganz weit, brillierte ein Hersteller bei der Angabe seiner Abstrahlwinkel in seinem Prospekt. Nachgemessen konnte man das so nicht nachvollziehen, bis die Aufklärung erfolgte. Der enge Abstrahlwinkel wurde mit dem Halbwertswinkel (eng. Beamangel) angegeben und die weite Zooeinstellung mit einem 1/10-Gradswinkel (eng. Field-Angel). Abgesehen, dass hier Äpfel und Birnen auf die Waage gelegen wurden, kann die Erfassung der Winkel ebenfalls unterschiedlich erfolgen und muss vom Messergebnis auch nicht dem entsprechen, was wir mit den Augen sehen. Nehmen wir z.B. einen scharf gezogenen Zoomscheinwerfer bzw. Profilscheinwerfer bzw. Spot-Moving Head. Werfen wir den Lichtkegel senkrecht auf eine Wand, dann ist man geneigt den Zollstock herauszuholen und den Lichtkegel vom einen Rand zum anderen auszumessen. Mit der Entfernung zum Scheinwerfer kann man mit der Trigonometrie recht leicht den Abstrahlwinkel errechnen. Aber das wird wohl in den seltensten Fällen nicht der Abstrahlwinkel sein, den man in den photometrischen Daten findet. Denn wenn man den Begriff Abstrahlwinkel mit dem 50% Winkel bzw. Halbwerts-Winkel definiert, ist der Winkel anzugeben, der bei 50% Helligkeit gegenüber der hellsten Helligkeit im Lichtkegel vorhanden ist. Und das ist meist nicht der Randbereich eines scharf gezogenen Profilers. In der Regel werden meist innerhalb des Lichtkreises bereits die 50% unterschritten. Jetzt packen wir noch einen darauf. Als wir mit dem Zollstock an der Wand entlang gegangen sind, um die Entfernung zum scharfen Randbereich bzw. den Durchmesser zu messen, könnte man nun mit einem Luxmeter dieser Messlinie folgen und nachmessen wo die 100%, die folgenden 50%, und als letztes die 10% Helligkeit für den 1/10-Grads-Winkel zu messen sind. Hierbei ist zu beachten, dass man das Luxmeter immer senkrecht zur Stahlquelle auszurichten hat, da ansonsten der Winkelfehler des Messgerätes zu viel Einfluss nimmt. Dazu kommt, dass mit der Entfernung aus dem Mittelpunkt der Abstand zur Leuchtquelle immer länger wird, was natürlich auch Einfluss hat, denn nach dem Entfernungsgesetz nimmt die Helligkeit zum Quadrat der Entfernung ab. Aus diesem Grund werden die Lichtverteilungskurven bzw. Abstrahlwinkel oft mit einem Drehteller ermittelt, womit a) der Abstand zum Lichtsensor immer gleichbleibt und b) der Lichtsensor immer senkrecht zur Lichtquelle positioniert ist. Jetzt kommt noch eine weite Vorbedingung hinzu. Das photometrische Entfernungsgesetz besagt im groben, dass man für eine gewisse Messgenauigkeit einen Mindestabstand von Leuchte zum Messsensor benötigt, der einmal davon abhängig ist wie groß die lichtabgebende Fläche der Leuchte ist und zum anderen welchen Abstrahlwinkel man erwartet. Wir haben uns bis zu diesem Zeitpunkt ausschließlich mit idealisierten rotationssymmetrischen Lichtkegeln beschäftigt. Also dem einfachen Schnitt durch die Achse des Lichtkegels. Abgesehen von asymmetrischen Lichtwürfen wie bei den ebenso genannten Flutern hatte man schon damals bei den Entladungslampen und Halogenlampen den Einfluss des Sockels oder der elektrodenhaltenden Glaskörper im Lichtbild gesehen. Aus diesem Grunde hatten die Amerikaner schon sehr früh zur Beurteilung der Lichtverteilung mit Ihrer ANSI E1.9 die Verwendung einer Iso-illuminance Diagram vorgeschlagen die als letzte Linie einen 3% Helligkeit anzugeben hatte und die weiteren Abstufungen in 10er Schritten erfolgte.

Die Abstrahlwinkel-Erfassung mit dem Drehteller entspricht der Kugelfläche des Raumwinkels. Außerdem ist der Sensor richtig ausgerichtet und der Abstand zum Sensor konstant.

Die lineare Erfassung des Abstrahlwinkels entspricht dagegen dem praktischen Projektionsverhalten, so wie der Scheinwerfer auch das Licht auf die Bühne werfen wird. Jedoch müsste der Sensor immer zur Lichtquelle ausgerichtet werden und der veränderte Abstand kompensiert werden. Für breit abstrahlende Leuchten wie einem Softlight ist diese Methode nicht praktikabel.

An der Lichtverteilungskurve dieses scharf gezogenen Profilscheinwerfers sieht man deutlich, dass der 50% bzw. Halbwertswinkel nicht dem scharfgezogenen Randbereich den unser Auge als Grenze bevorzugt, entspricht.

Nach ESTA E1.9 vorgeschlagene Lichtverteilungs-Isographen-Diagramm. Im Gegensatz zur Lichtverteilungskurve werden hier auch Einflüsse von Sockel oder nicht rotationssymetrischen Lichtbild sichtbar, eignet sich aber nur für mittel bis eng- abstrahlende Scheinwerfer.

Definition der Abstrahlwinkel:
       Halbwertswinkel = 50% Winkel (eng. Beamangle);
       1/10 Wertswinkel = 10% Winkel (eng. Fieldangle);
       Randwinkel = 3% Winkel (eng. cutoffangle).

Luxmeter oder Ulbricht-Kugel

Viele Beleuchter und Veranstaltungshäuser haben bereits ein Luxmeter im Einsatz. Mit dem Einzug der LED wurden diese Messgeräte meist aktualisiert, um auch den Messfehler der hauptsächlich durch den blauen Peak der Weißlicht-LED und den Filter für das sichtbare Spektrum zu begegnen. Siehe dazu auch hier. Ab und zu findet sich dann auch ein Spektrometer im Einsatz. Und wieder werden andere Messergebnisse auf dem gerade geeichten Handheld-Spektrometer angezeigt als man in den photometrischen Daten der Leuchte nachlesen kann. Hier ist kein böser Wille dabei, jedoch mit dem Handgerät misst man z.B. den Farbort (x y oder u‘ v‘) oder die naheliegendste Farbtemperatur in Kelvin (CCT) nur an einem Punkt in einem Lichtkreis. Ungünstigerweise müsste man für Vergleichsmessungen dann die jeweilige Position der Messung im Lichtkegel genau bestimmen, um reproduzierbare Werte zu erhalten. Hier reichen im ungünstigsten Fall eine Verschiebung von wenigen cm für andere Werte. Geht man in den Randbereich, der sich schon optisch deutlich vom Zentrum abhebt, wird es noch deutlicher. Aus diesem Grund werden Farborte oder Farbtemperaturen gerne über eine Ulbricht-Kugel gemessen, sodass alle Bereiche einfließen und damit eine Vergleichbarkeit mit anderen Leuchten erreicht wird. So ist zwar im Zentrum des Lichtkegels die wunderbare Farbtemperatur von 3200K vorhanden, aber im Datenblatt nur die Rede von 3078 K, weil der rötliche Randbereich in der Ulbricht-Kugel ebenfalls zum Ergebnis der Mittelung beiträgt.

Je nachdem wo man sein Handheld-Messgerät im Lichtkegel positioniert (A-D), erhält man jeweils andere Messergebnisse. Deshalb ist zur vergleichenden Messung die Messung mit der Ulbricht-Kugel besser geeignet, da sie Positionierungsfehler egalisiert, da sie alle Lichtstrahlen berücksichtigt. Dafür erhält man auch Werte, wie z.B. eine Farbtemperatur oder Farbort, der nicht mit dem übereinstimmt welches man z.B. im Zentrum des Scheinwerfers, so wie er auch in der Praxis angewendet wird, gemessen wird. 

Rock n Roll vers. Architektur

Doch um es vorwegzunehmen, Lichttechnik bzw. photometrische Daten sind vom Grunde aus zuverlässigen Daten, mit denen man rechnen und planen kann. Die Messmethoden sind in DIN-Normen festgelegt, haben sich seit Jahrzehnten bewährt und bieten eine zuverlässige Planungsgrundlage. So zu mindestens ist es in der Architektur. Denn im Architekturbereich werden Gebäudebeleuchtungen, Straßenzüge, Hotels …, komplett in der Beleuchtung durchgeplant und simuliert, lange bevor das erste Angebot für einen Scheinwerfer abgegeben wird.

Ganz anders in der Veranstaltungsbranche. Hier werden in der Regel bei Beleuchtungsproben Lichtstimmungen, mit dem aus dem Erfahrungsschatz gewählten Material, organisch entwickelt.

Man weiß was man von einem 1,2KW Scheinwerfer zu erwarten hat. Mit den LED-Leuchtmitteln kommt die Wattangabe des Leuchtmittels nicht mehr mit dem Erfahrungsschatz in Einklang. Hier wird nun die Angabe des Lichtstrom Φ in Lumen (lm) der erste Anhaltspunkt, um die Helligkeit des Scheinwerfers zu beschreiben. So lange in der Veranstaltungsbranche jedoch nicht einheitlich gemessen wird, kann man nur empfehlen, die in Frage kommenden Scheinwerfer einem direkten Vergleich unterziehen.

Bei den möglichen Abweichungen der photometrischen Daten in der Veranstaltungsbranche ist es ratsam, die Scheinwerfer nach wie vor einem direkten Vergleich zu unterziehen, um sich selbst ein Bild zu machen, wie sich der viel höher angegebene Lichtstrom auch im Lichtbild zeigt.

#Cameo #ForLumenBeings  #EventTech  #ExperienceEventTechnology

---

Weitere Informationen:
cameolight.com
adamhall.com