Lumen, ein Blick aus menschlicher Perspektive

Ein wichtiges technisches Merkmal von Leuchten ist ihr Lichtstrom, ausgedrückt in Lumen. Was aber ist unter dem Begriff Lumen zu verstehen? In einem früheren Artikel haben wir den Lichtstrom einer Lampe mit dem Wasserstrom aus einem Wasserhahn verglichen, und in dieser sehr einfachen Analogie entsprach Lumen der Durchflussmenge. Den Wasserhahn weiter aufzudrehen oder zu schließen war vergleichbar mit dem stärkeren Dimmen oder Hochdrehen einer Lampe. In diesem Artikel erklären wir das Ganze etwas wissenschaftlicher und bringen den Begriff Lumen mit der Empfindlichkeit des Auges in Verbindung.

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Sichtbares Licht und das elektromagnetische Spektrum

Licht ist Strahlung: elektromagnetische Wellen, die eine bestimmte Energiemenge enthalten. Das sichtbare Licht macht jedoch nur einen kleinen Teil des elektromagnetischen Spektrums aus, der zwischen den kurzen (hochfrequenten) Wellen wie Röntgenstrahlung und UV-Strahlung einerseits und längeren (niederfrequenten) Wellen wie Infrarot, Mikrowellen und Radiowellen andererseits liegt.

Um die von einer Lampe ausgestrahlte Lichtmenge zu bestimmen, müssen wir also messen, wie viel Energie im sichtbaren Bereich ausgestrahlt wird.

Das empfindliche menschliche Auge

Dabei spielt auch die Empfindlichkeit des menschlichen Auges eine Rolle. Unsere Augen erkennen Licht und Farbe dank der Zapfen: Das sind lichtempfindliche Zellen, die sich auf der Netzhaut im hinteren Teil des Auges befinden. Es gibt drei Arten von Zapfen, die jeweils für eine andere Farbe des Lichts empfindlich sind. Die Reaktion der Zapfen (und die Interpretation dieser Reaktion in unserem Gehirn) ermöglicht das photopische Sehen und funktioniert bei guter Beleuchtung, zum Beispiel tagsüber.

Wenn wenig Licht vorhanden ist, ermöglichen uns die Stäbchen das Sehen. Sie befinden sich ebenfalls auf der Netzhaut. Die Stäbchen unterscheiden nicht zwischen Farben. Dieses skotopische Sehen macht es uns möglich, auch bei geringer Beleuchtung, zum Beispiel in der Nacht, etwas zu sehen. Farben werden beim skotopischen Sehen nicht wahrgenommen.

Die Definition des Begriffs Lumen

Die CIE (Commission Internationale de l’Eclairage) hat eine offizielle photopische Augenempfindlichkeitsfunktion festgelegt.
 

 
Diese Kurve zeigt, dass das menschliche Auge im grünen Teil des Spektrums am empfindlichsten ist. Die höchste Empfindlichkeit liegt bei elektromagnetischen Wellen mit einer Wellenlänge von 555 nm (Nanometer, ein Millionstel eines Millimeters). 

Die Definition des Begriffs Lumen steht in direktem Zusammenhang damit: Ein grüner monochromatischer Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 555 nm hat per Definition eine Effizienz von 683 Lumen/Watt.

Dies ist die Konstante Kcd : 683 lm/W. Sie ist eine der sieben Konstanten, die im metrischen System zur Beschreibung unseres Universums verwendet werden. Das Besondere an dieser Konstante ist, dass sie die einzige ist, die direkt mit dem Menschen und der Art und Weise, wie wir die Welt sehen, in Zusammenhang steht.

Die Einheit Lumen ist somit definiert als die von einer Lichtquelle abgegebene Leistung multipliziert mit der photopischen Augenempfindlichkeitsfunktion.

Warum 683 Lumen/Watt?

„Ein grüner monochromatischer Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 555 nm und einer Leistung von 1 Watt hat per Definition einen Lichtstrom von 683 Lumen.“ Dieser willkürlich festgelegte Wert ist das Ergebnis früherer historischer Methoden zur Festlegung eines normierten Werts für den Lichtstrom. 

Die allerersten Kalibrierungsmethoden zur Charakterisierung der Helligkeit einer Lichtquelle arbeiteten mit genormten Kerzen eines bestimmten Gewichts und Materials. 

Um eine genauere Festlegung zu erreichen, wurde der Lichtstrom seit 1933 mit einem schwarzen Strahler mit erstarrendem Platin (bei einer Temperatur von 1773°C) kalibriert. Dies war allerdings etwas umständlich und 1979 ging man dank der Fortschritte in der Radiometrie zur heutigen Definition über. Der Wert 683 lm/W wurde so gewählt, dass die resultierenden Messwerte der alten Definition entsprechen.

Das effizienteste Licht

Die Definition von Lumen unter Verwendung dieser Kurve hat zur Folge, dass grünes Licht das effizienteste Licht ist. Wird die gleiche Energiemenge in rotem Licht abgestrahlt, ist der Lichtstrom nur halb so groß, weil das Auge nur halb so empfindlich darauf reagiert.

Das Gleiche gilt für blaues Licht. Ein praktisches Beispiel dafür ist eine Variante der E2-ATEX-Leuchte von ETAP, die blaues Licht abstrahlt. Diese Leuchte beleuchtet mit einem sehr auffälligen blauen Licht die Standorte von Augenduschen in der chemischen Industrie. 
 

Bei einem Verbrauch von 44 Watt hat diese Leuchte einen blauen Lichtstrom von 1100 Lumen, was einer Effizienz von 25 lm/W entspricht. Dies mag gering erscheinen, ist aber erklärbar, wenn man bedenkt, dass die Leuchte nur blaues Licht mit einer Wellenlänge zwischen 450 und 465 nm abstraht - wie auf der Kurve dargestellt.

Die leistungsstärkste Lampe, die man theoretisch bauen könnte, würde also nur monochromatisches grünes Licht bei 555 nm emittieren und eine maximale Effizienz von 683 lm/W haben. Sobald man Licht in einem breiteren Spektrum abstrahlt, wird die Effizienz automatisch abnehmen. Dies erklärt auch sofort, warum bei Leuchten mit einem höheren CRI-Wert oft kleine Einbußen bezüglich der Lichtausbeute (Lumen/Watt) in Kauf genommen werden müssen. Sie verteilen das Licht über ein etwas breiteres Spektrum.

Wir sehen das Licht

Licht ist mehr als nur ein physikalisches Phänomen; es ist ein Symbol für Wissen, Hoffnung und Leben. Das Licht der Sonne ist die Quelle allen Lebens auf der Erde und ermöglicht es uns, die Welt um uns herum wahrzunehmen. Lumen, die Einheit zur Messung des Lichtstroms, ist eine Brücke zwischen der abstrakten Welt der elektromagnetischen Wellen und unserer Sinneserfahrung. Von allen wissenschaftlichen Einheiten (wie Kilogramm, Sekunde, Meter, usw.) ist das Lumen unser Favorit, weil seine Definition direkt damit zusammenhängt, wie die Menschen die Welt und das Universum sehen.