Lumen (Einheit)

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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 den Strahlungsfluss (Strahlungsleistung), über einen Faktor verknüpft, der berücksichtigt, dass das menschliche Auge je nach Wellenlänge des Lichts unterschiedlich empfindlich ist.

Bei Leuchtmitteln ist der Zahlenwert in Lumen somit ein Maß für deren Helligkeit; der Zahlenwert in Watt hingegen gibt an, wie viel elektrische Leistung aufgenommen wird. Für alltagsübliche Glühlampen liegt die Lichtausbeute (das Verhältnis von Lichtstrom zu elektrischer Leistungsaufnahme) zwischen 7 und 14 lm/W; für Energie sparende Leuchtmittel wie LED-Leuchten liegt sie um ein Mehrfaches höher.

Definition[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Spektrales photo­metrisches Strahlungs­äquivalent für Tagsehen K(λ) und für Nachtsehen K'(λ).

Die von einer Lichtquelle pro Zeiteinheit abgestrahlte elektromagnetische Energie wird „Strahlungsleistung“ oder „Strahlungsfluss“ Φe genannt und in der Einheit Watt (W) gemessen. Die Helligkeitsempfindung des menschlichen Auges hängt jedoch stark von der von der Wellenlänge λ des Lichts ab. Daher wird in der Photometrie die Größe „Lichtstrom“ Φv verwendet, definiert als Strahlungsfluss multipliziert mit der spektralen Empfindlichkeit des Auges. Die Maßeinheit hierfür ist das Lumen (lm).

Das Lumen ist so definiert, dass für monochromatische Strahlung der Frequenz 540·1012 Hertz – dies entspricht in Luft der Wellenlänge 555 Nanometer (nm) – ein Strahlungsfluss vom 1 W einem Lichtstrom von 683 lm entspricht.[1] Die Wellenlänge 555 nm (gelbgrünes Licht) wurde gewählt, weil dort das Auge bei Tagsehen am empfindlichsten ist; der Wert 683 wurde gewählt, damit das so definierte Lumen möglichst gut mit seiner früheren Definition übereinstimmte.

Der Umrechnungsfaktor von Watt nach Lumen ist das spektrale photometrische Strahlungsäquivalent K(λ). Der per Definition festgelegte Wert wird als Kcd bezeichnet:[1]

.

Zum Rand des sichtbaren Spektralbereichs hin fällt die Empfindlichkeitskurve des Auges steil ab. Bei λ = 472 nm (blaues Licht) und λ = 651 nm (rotes Licht) beträgt sie nur noch ein Zehntel des Maximalwerts[2] (K = 68 lm/W), bei 380 nm und 780 nm liegt sie nahe bei Null. Im Regelfall wird dem Auge ein Gemisch elektromagnetischer Strahlung verschiedener Wellenlängen angeboten, die unterschiedlich stark zum Helligkeitseindruck beitragen. Der in Watt gemessene Strahlungsfluss muss dann mit dem Verlauf des photometrischen Strahlungsäquivalents gewichtet werden.

Die Empfindlichkeitskurve für Nachtsehen hat ihr Maximum bei einer geringeren Wellenlänge; ihr absoluter Wert ist aber bei 555 nm zufälligerweise fast identisch mit der Empfindlichkeit für Tagsehen. Daher war für Nachtsehen keine separate Definition erforderlich.[3]

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

Geschichte[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

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[5] (zunächst unter der Bezeichnung „Neue Kerze“[5] und ab 1948 als „Candela“[6]). 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.[7][8] Um die Zustimmung zur Neudefinition der photometrischen Einheiten insgesamt nicht zu gefährden, wurde jedoch davon Abstand genommen.

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.[9] 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 deutlich komplizierter formuliert werden.

ANSI-Lumen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

„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.[10]

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“:[11]

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.

Zusammenhang mit anderen Einheiten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Candela[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Die Candela (cd) ist die Einheit der Lichtstärke, die beschreibt, welcher Lichtstrom in ein Raumwinkelelement abgestrahlt wird. Sie ist mit dem Lumen verknüpft durch die Beziehung:

Bei isotroper Ausstrahlung in alle Richtungen – also in den vollen Raumwinkel von – bewirkt ein Lichtstrom von eine Lichtstärke von .

Lux[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Das Lux (lx) ist die Einheit der Beleuchtungsstärke, d. h. des Lichtstroms, der auf ein Flächenelement trifft. Hier gilt:

Ein Lichtstrom von 1 Lumen, der eine Fläche von 1 m2 gleichmäßig beleuchtet, bewirkt dort also eine Beleuchtungsstärke von 1 Lux.

Übersicht photometrischer Größen und Einheiten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

radiometrische Größe Symbola) SI-Einheit Beschreibung photometrische Entsprechungb) Symbol SI-Einheit
Strahlungs­fluss
Strahlungs­leistung, radiant flux, radiant power
W
(Watt)
Strahlungsenergie durch Zeit Lichtstrom
luminous flux, luminous power
lm
(Lumen)
Strahl­stärke
Strahlungs­stärke, radiant intensity
W/sr Strahlungsfluss durch Raumwinkel Lichtstärke
luminous intensity
cd = lm/sr
(Candela)
Bestrahlungs­stärke
Strahlungs­fluss­dichte, irradiance, radiant flux density
W/m2 Strahlungsfluss durch Empfänger­fläche Beleuchtungs­stärke
Lichtstrom­dichte, illuminance
lx = lm/m2
(Lux)
Spezifische Ausstrahlung
Ausstrahlungs­strom­dichte, radiant exitance
W/m2 Strahlungsfluss durch Sender­fläche Spezifische Lichtausstrahlung
luminous exitance
lm/m2
Strahldichte
Strahlungsdichte, Radianz, radiance
W/m2sr Strahlstärke durch effektive Senderfläche Leuchtdichte
luminance
cd/m2
Strahlungs­energie
Strahlungsmenge, radiant energy
J
(Joule)
durch Strahlung übertragene Energie Lichtmenge
luminous energy, quantity of light
lm·s
Bestrahlung
Einstrahlung, radiant exposure
J/m2 Strahlungsenergie durch Empfänger­fläche Belichtung
luminous exposure
lx·s
Strahlungs­ausbeute
radiant efficiency
1 Strahlungsfluss 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.


Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  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. 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.
  3. Comité International des Poids et Mesures – Procès verbaux des séances. 66e session. 2e série, 1977, S. 130 (bipm.org [PDF]). (7,4 MB)
  4. 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
  5. 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.
  6. Resolution 7 of the 9th meeting of the CGPM (1948) (online, abgerufen am 16. Oktober 2019)
  7. Protokoll der 15. Generalkonferenz für Maß und Gewicht, 1975, Seite 77, abgerufen am 14. Nov. 2019
  8. 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.
  9. 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).
  10. 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.
  11. Beschreibung des Messverfahrens (Abschnitt ANSI-Lumen)