Logo PTB

Heft 4: Das Jahr des Lichtes

PTB-Mitteilungen 4/2015

Einführung in die Metrologie des Lichtes

Stefan Kück, Armin Sperling

Licht ist der für das menschliche Auge sichtbare Teil elektromagnetischer Strahlung und wird von den angrenzenden infraroten und ultravioletten Spektralbereichen der Strahlung eingebettet. Die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges hat hierbei ihr Maximum im Gelb-Grünen und nimmt zum Infraroten und Ultravioletten hin stark ab. Im Detail ist die Augenempfindlichkeit individuell sehr unterschiedlich und die Wahrnehmung selbst ist durch die beteiligten physiologischen Prozesse in vieler Hinsicht (z. B. Helligkeit, Farbwahrnehmung, etc.) nichtlinear. Im Zuge der Industrialisierung hat man aber schnell erkannt, dass eine von diesen physiologischen Prozessen losgelöste metrologische Bewertung von Lichtquellen und damit von Licht notwendig ist

Die Candela als Maßeinheit des Lichtes

Armin Sperling

Die Candela ist die Basiseinheit des Lichtes und ist ein Maß für die Lichtstärke, d. h. der Eigen-schaft einer realen oder virtuellen Lichtquelle, die angibt, wie viel Licht in eine Richtung abgegeben wird (siehe Bild 1). Die Candela und die daraus abgeleiteten lichttechnischen Einheiten haben für den Normalverbraucher spätestens seit der Einführung der ECO-Design-Richtline der EU und dem damit verbundenen Verkaufsverbot von Glühlampen ab dem Jahr 2009 an Bedeutung gewonnen. Die photometrischen Einheiten und Kennzahlen sind wie kaum andere Einheiten ins Zentrum des allgemeinen Interesses gerückt, wenn es darum geht, Licht, Lampen und Leuchten zu bewerten. Statt der alleinigen Angabe einer elektrischen Leistung in Watt sind Begriffe wie Lichtstärke (in cd), Lichtstrom (in lm), Effizienz (in lmW–1), ähnlichste Farbtemperatur TN (angegeben in Kelvin) und Farbwiedergabeindex Ra kaufentscheidend. Unglücklicherweise hat die für die monetäre Abrechnung wichtige Maßeinheit Watt beim Kunden das Verständnis um die photometrischen Größen geschwächt, was bei modernen LED-Lichtquellen durch Fehlinterpretation von Leistungsdaten oft zur Verärgerung führt. Mit der Rückführung all dieser Einheiten und Kenngrößen befasst sich das Fachgebiet der Photometrie.

Rückführung in der Photometrie – die Realisierung und Rückführung der Candela

Detlef Lindner, Stefan Winter

Aufgrund der herausragenden Bedeutung des Lichts und des Sehens für die Interaktion des Menschen mit seiner Umwelt wurde die Candela als Einheit der Lichtstärke in den Rang einer SI-Basis einheit gehoben. Die Mehrzahl der Basiseinheiten sind über physikalische Zusammenhänge miteinander verknüpft und müssen entsprechend Ihrer Defini-tion realisiert und in den meisten Fällen auf andere Einheiten rückgeführt werden. In diesem Artikel wird die „metrologische Herkunft“ der Candela im Stammbaum der Einheiten beschrieben.

Kurze Geschichte der Goniophotometrie in der PTB

Matthias Lindemann

Die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) ist das nationale Metrologieinstitut (NMI) der Bundesrepublik Deutschland, das seinen Fokus auf die Realisierung, Bewahrung und Weitergabe der SI-Einheiten richtet. Deshalb hat auch die goniophotometrische Bestimmung des Lichtstroms nahezu beliebiger Lichtquellen eine lange Tradition. Seit mehr als 50 Jahren werden in der PTB hierzu nötige Messsysteme entwickelt, genutzt, verbessert und an neue Messaufgaben angepasst. Schon in den 50er- und 60er-Jahren des vergangenen Jahrhunderts erlaubte ein sogenanntes Einarm-Goniophotometer die Realisierung der Lichtstromeinheit lumen (lm) als direkte Ableitung von der SI-Basiseinheit Candela (cd) mithilfe von Lichtstärke-Normallampen. Später gestattete ein großes Kardan-Goniophotometer mit einem Messradius von 2,5 m die notwendige automatisierte, spiralförmige Bewegung eines Photometers bzw. eines Dreibereichsfarbmesskopfes.

Metrologie für moderne Lichtquellen: LEDs und OLEDs

Thorsten Gerloff

Der Einsatz Licht Emittierender Dioden (LED) in der Allgemeinbeleuchtung hat in den vergangenen Jahren erheblich zugenommen. Ein entscheidender Vorteil der LED gegenüber der traditionellen Glühlampe liegt in ihrer überlegenen Lichtausbeute ηv – dem Verhältnis des emittierten Lichtstroms Φv und der aufgenommenen elektrischen Leistung Pel., angegeben in Lumen/Watt.

Dieser Vorteil beruht auf den Unterschieden der zugrunde liegenden Technologien der Lichterzeu-gung beider Lampentypen. Bei einer (Halogen-) Glühlampe wird der Glühfaden durch elektrischen Strom auf Temperaturen um 3000 K aufgeheizt. Obwohl hierbei fast die gesamte elektrische Leistung in Strahlung umgewandelt wird – Verluste durch thermische Konvektion oder Wärmeleitung sind gering – kann das menschliche Auge lediglich einen geringen spektralen Anteil, der ungefähr 5 % der Gesamtstrahlungsleistung ausmacht, wahrnehmen. 

Effektpigmente: Eine Herausforderung für die optische Messtechnik

Egbert Buhr, Alfred Schirmacher, Andreas Höpe

Farbe ist für Menschen die wohl auffälligste subjektive Stoffeigenschaft. Bereits den Frühmenschen war diese visuelle Qualität bekannt, deren Wahrnehmung allen Primaten eigen ist. So wurde 2008 in Südafrika eine ca. 100.000 Jahre alte steinzeitliche „Malerwerkstatt“ entdeckt [1]. Auch heutzutage spielt Farbe in der Gestaltung unserer Umwelt eine wichtige Rolle. Jedes Jahr präsentiert uns die Mode die neuen Farben der Saison. Farben dienen zur Regelung des Verkehrs. Ohne bunte Farben wäre unsere Welt trist und öde.

Aktuelles aus der OIML

Susanne Ludwig, Roman Schwartz

Die 50. Sitzung des Internationalen Komitees für das gesetzliche Messwesen (CIML) fand vom 20. bis 22. Oktober 2015 in Arcachon, Frankreich, statt. Im Vorfeld der CIML-Sitzung fand ein eintägiges OIML-Seminar über Countries and Economies with Emerging Metrology Systems (CEEMS) statt, über das weiter unten berichtet wird.

Das CIML ist der Lenkungsausschuss der OIML. Es trifft sich jährlich und besteht aus je einem Repräsentanten der Mitgliedstaaten, der korrespondierenden Mitglieder und den Vertretern internationaler und regionaler Organisationen, die als Beobachter teilnehmen können. Das CIML ist zuständig für die Vorbereitung und Durchführung der Entscheidungen der Konferenz, die alle vier Jahre stattfindet. Es überwacht die Arbeiten der Technischen Komitees und Unterkomitees und des Internationalen Büros für das gesetzliche Messwesen (BIML) in Paris.

E27-Scanner für Ulbrichtkugeln

Opens internal link in current windowwww.technologietransfer.ptb.de

Mit dem besonders einfach ohne Umbau einsetzbaren E27-Scanner können Anwender und Hersteller die Homogenität ihrer Ulbricht-kugeln bestimmen und die Ergebnisse zur Berechnung genauerer Lichtströme und zur Dokumentation der Qualität ihrer Messungen nutzen.

Umwandlung gepulster Laser- Strahlung in konstante Strahlung

Opens internal link in current windowwww.technologietransfer.ptb.de

In weiten Bereichen der optischen Metrologie ist eine Strahlungsquelle von großem Nutzen, die sich spektral vom UV-C bis ins mittlere IR durchstimmen lässt. Lediglich Laser mit gepulster Strahlung erfüllen diese Anforderung bei ausreichend großem Ausgangssignal bisher lückenlos. Femtosekunden-Lasersysteme wären aufgrund ihrer gut automatisierbaren und spektral weiten Durchstimmbarkeit die ideale Strahlungsquelle für z. B. radiometrische Anwendungen – wenn ihre Strahlung nicht gepulst wäre.

Homogenisierung von Strahlungsquellen und Focal Plane Arrays (FPA)

Opens internal link in current windowwww.technologietransfer.ptb.de

Ein neuartiges Verfahren ermöglicht softwaregestützt eine deutlich verbesserte Kalibrierung von Mehrelement-Sensoren (FPA) und bildgebenden Systemen (Kameras). Bei flächigen Strahlungsquellen kann zusätzlich eine gezielte Ansteuerung von Flächenelementen zu einer bisher im Allgemeinen nicht erreichbaren Flächenhomogenität führen.