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Beleuchtungsstärke – Grundgröße oder Irreführung?


Autor

Ahmet E. Cakir

Beitrag

Kurzfassung

Die Beleuchtungsstärke wird seit fast 90 Jahren in Regelwerken wie Normen oder Leitlinien als wichtigste lichttechnische Größe behandelt und als Grundgröße bezeichnet. Die vier lichttechnische Grundgrößen sind aber keine Basisgrößen i.S. des Einheitensystems, sie können ineinander umgerechnet werden.

Dieser Beitrag zeigt, dass die Beleuchtungsstärke eine Laborgröße ist, deren Nutzung in der Beleuchtungstechnik sogar Fachleute in die Irre führen kann. Es ist seit langem überfällig, die Größe Beleuchtungsstärke in der praktischen Anwendung fallenzulassen. Dieser Schritt, in der Straßenbeleuchtung bereits vor Jahrzehnten vollzogen, wird in der Innenbeleuchtung gescheut, weil die einen – Hersteller – ihre Leistung über die Größe verkaufen, und die anderen – z.B. Arbeitsschützer – eine leicht messbare Größe haben wollen. Die wesentlich aussagefähigere Größe, Leuchtdichte, ist noch viel umständlicher zu messen als die Beleuchtungsstärke.

So hat man eine leicht messbare Größe, deren Höhe genormt wird, weil sie angeblich die Sehleistung charakterisieren soll. In Wirklichkeit handelt es sich bei dieser Beziehung um ein modernes Märchen, dass einer der bekanntesten Professoren für Lichttechnik vor langer Zeit als solches entlarvt hat.

Zu den Grundgrößen der Lichttechnik

In jeder Technik werden neben allgemein anerkannten Größen auch domäneninterne Größen benutzt, die man beherrschen muss, will man auf dem Gebiet dieser Technik arbeiten. So müssen alle die Einheiten des MKS-Systems (Meter – Kilogramm – Sekunde für Länge, Masse und Zeit ) benutzen, wenn betreffende Sachverhalte bezeichnet werden sollen. Arbeitet man hingegen auf dem Gebiet der Bierbrauerei, wird man um die Einheit Hektoliter nicht herum kommen. Und ein Winzer, der mit Oechsle nichts anfangen kann, ist vermutlich gar kein Winzer.

Ein Größensystem ist immer mit einem entsprechenden Einheitensystem gekoppelt. Die Anzahl der Basisgrößen bestimmt den Grad des Größensystems und die Dimensionalität des Einheitensystems. Beispielsweise ist das Internationale Größensystem ein Größensystem siebten Grades und das dazugehörige Internationale Einheitensystem (SI) ein sieben-dimensionales Einheitensystem.

In der Lichttechnik werden zum einen die in der Ingenieurswissenschaften üblichen Grössen und deren Einheiten wie Ampere, Volt, Ohm u.a. unverändert benutzt, und zum anderen weitere, die nur in diesem Bereich definiert sind. Eine Ausnahme bildet die Einheit Candela (cd), die international als Teil des MKS-Systems genormt ist. Sie kennzeichnet eine der vier lichttechnischen Grundgrößen, die  Lichtstärke.

Die Lichttechnik arbeitet mit sog. Grundgrößen und daraus abgeleiteten. Als Grundgrößen werden Lichtstrom, Lichtstärke, Leuchtdichte und Beleuchtungsstärke bezeichnet. Soweit so gut. Man lernt diese zu Beginn des entsprechenden Studiums und braucht eine Weile, um deren Bedeutung zu verstehen. Verwunderlich ist dies nicht, weil man mit Längen und Massen bereits als Kleinkind konfrontiert wird, während man nicht einmal als Einser-Abiturient wissen muss, was ein Lichtstrom ist.

Das Problem besteht darin, dass jeder Mensch mehr oder weniger über die lichttechnischen Größen, nicht nur über die Grundgrößen, Bescheid wissen muss, wenn er seinen Wohnraum beleuchten will oder bei der neuen Fassade seines Wohnhauses plötzlich das Gefühl hat, es sei drinnen dunkler als früher. Was man so alles nicht nur wissen sondern auch noch verstehen muss, kann man sich auf der Verpackung einer sog. Energiesparlampe zusammensuchen.

Wenn man Leute, die besser Bescheid wissen müssten als andere, weil sie für diese Beleuchtung planen, installieren, betreiben oder warten, nach den Größen fragt, wird man verwundert feststellen, dass die meisten nicht einmal den Namen der relevanten Größe richtig angeben können. Das sind nicht nur Leute, die im Bauhaus nach einer Leuchtbirne fragen.

Die Frage ist, worin das Problem besteht. Und ob das Problem nur bei Laien auftritt. Eine besondere Rolle spielt bei solchen Fragestellungen die Größe „Beleuchtungsstärke“, die viele lichttechnische Laien verstehen müssen, weil sie damit beruflich umgehen müssen, so z.B. Facility Manager, Sicherheitsingenieure, Büroplaner u.ä.

Sind die Grundgrößen der Lichttechnik Grundgrößen?

Grund-, Basis- und abgeleitete Größen

Basisgrößen erkennt man sehr schnell an ihrer Bezeichnung. So werden Größen wie Länge und Masse mit einer einzelnen Einheit bezeichnet (Meter bzw. Kilogramm), während solche wie die Geschwindigkeit mit mehreren Einheiten bezeichnet werden (Meter in der Sekunde bzw. m/s). Noch komplizierter fällt die Bezeichnung des Drucks aus, kg/m•s2. Sie wird mit Hilfe von drei Größen ausgedrückt.

Das internationale Messsystem kennt sieben physikalische Größen, die Basisgrößen heißen, weil sie nicht durch andere Basisgrößen ausgedrückt werden können. Man kann z.B. die Masse nicht durch eine Kombination der weiteren sechs Größen des SI-Systems ausdrücken, die Länge auch nicht.

Wie schaut das mit den lichttechnischen Grundgrößen aus? Eigentlich müsste jeder Ingenieur bei der Angabe der Einheiten stutzig werden, weil nur eine der vier Grundgrößen eine unabhängige ist, wie bereits dargelegt. Tatsächlich kann man alle vier Grundgrößen ineinander umrechnen (Bild 1):

Lichttechnische_Groessen_Zusammenhang

Bild 1 Umrechnung der lichttechnischen Grundgrößen

Bild 1 zeigt eindeutig, dass die lichttechnischen Grundgrößen keine im Sinne der Basisgrößen des SI-Systems sind. Wenn man die Lichtstärke (SI-Einheit) kennt, die eine strahlende Fläche in einer bestimmten Richtung abstrahlt, kann man daraus ihre Leuchtdichte berechnen bzw. ableiten. Das  tut man gerne in der Leuchtentechnik, weil die Messung der Leuchtdichte einer Leuchte eine unendlich mühsame Angelegenheit ist. Man misst die Lichtstärke, nimmt an, dass die Leuchte in der Richtung eine bestimmte (leuchtende) Fläche aufweist – und berechnet die Leuchtdichte in cd/m2.

Zwar ist die so entstehende Zahl nur unwesentlich aussagefähiger als die Raumnummer des Labors, in dem gemessen wird, man freut sich, dass man eine Messgröße hat.

Folgen von falsch verstandenen Größen – oder warum ein Licht, das alle blendet, doch niemanden blenden soll

Während der Schaden durch die falsche Messung – eigentlich Berechnung – der Leuchtdichte von Leuchten – noch begrenzt bleibt, führt die missverstandene Grundgröße Beleuchtungsstärke zu wesentlich schlimmeren Irrtümern, weil auch lichttechnische Laien damit umgehen müssen. Wie noch gezeigt wird, bleiben die Probleme nicht auf Laien beschränkt.

Hier soll lediglich auf ein allgemein bekanntes Beispiel hingewiesen werden, was für Folgen aus solchen Irrtümern erwachsen können. Das Beispiel sind Autoscheinwerfer, von denen die unangenehmen Spezies – Dränglerlicht – jeder kennt, der nachts unterwegs ist. Vielmehr müsste man sagen, jeder kannte, weil man mittlerweile eine halbwegs gute Lösung gefunden hat. Die Lampen, denen der Volksmund diesen Namen gegeben hat, sind Xenon-Entladungslampen, die zuerst von Autoherstellern benutzt wurden, deren Kundschaft einen erheblichen Anteil menschlicher Spezies umfasst, der eine „sportliche“ Fahrweise pflegt. Womit eigentlich ein rücksichtsloses Fahrverhalten gemeint ist.

Wieso durften die neuen Lampen blenden, obwohl der Staat keine Ausrüstung von Fahrzeugen erlaubt, die nicht nach Vorgaben geltender Gesetze geprüft sind? Und diese sind zum erheblichen Teil älter als fast die ganze Bevölkerung, möglicherweise älter als die Bundesrepublik. Die Antwort ist einfach aber nicht anschaulich: Das Dränglerlicht blendet nicht!

Um dies zu verstehen, muss man wissen, wie Blendung im Straßenverkehr begrenzt wird. Die Gesetze schreiben vor, dass die Scheinwerfer eines Autos in bestimmten Richtungen nur eine bestimmte Lichtstärke abstrahlen dürfen, damit die Blendung erträglich bleibt. Diese wird mit sehr aufwändigen Messeinrichtungen gemessen und ist Voraussetzung für die amtliche Zulassung eines Scheinwerfers und somit eines Automodells.

Die gemeinte Blendung ist die sog. „physiologische“ Blendung. Diese soll nach Fachmeinung eine Funktion der Lichtstärke sein. Also begrenzt der Gesetzgeber die Lichtstärke. Und dann? Warum wird man bei den neuen Lampen mehr geblendet? Weil die Blendempfindung nicht eine physiologische Blendung sein soll, sondern eine „psychologische“. In die Schublade „psychologisch“ legt der Techniker alles ab, was er nicht versteht. Dummerweise wissen auch die einschlägigen Wissenschaften auch keinen Rat. Was man weiß ist, dass man diese Art Blendung nicht an der Physiologie des Menschen feststellen kann.

Zu dem Thema hat die Fachmeinung vor Jahrzehnten ausgesagt, die „psychologische“ Blendung sei eine Funktion der Leuchtdichte. Ein Blick auf das Bild 1 verrät, aber dass die Leuchtdichte und die Lichtstärke 100% proportional sind. Anders ausgesagt, wenn ich die Lichtstärke eines Objektes kenne, muss ich nur noch seine Fläche messen, um die Leuchtdichte zu berechnen.

Dummerweise steigt die Lichtstärke linear mit der Fläche an, und damit auch die Leuchtdichte. In die Berechnung der „psychologischen“ Blendung, geht die Leuchtdichte aber mit dem Quadrat ein. Da die neuen Lampen sehr viel kompakter sind als die alten Halogenglühlampen, sind die Scheinwerfer sehr viel kleiner geworden, bei entsprechend hoher Leuchtdichte. D.h. sie stören, obwohl sie den gesetzlichen Vorgaben genügen.

Unsere Probleme werden mit der zunehmenden Verbreitung von LEDs im Straßenverkehr weiter zunehmen, weil auch die hilfsweise anwendbaren Verfahren zur Bewertung der „psychologischen“ Blendung bei LEDs nicht greifen. Was man aber bereits jetzt erleben kann, ist die Tatsache, dass z.B. die einst nachts mühsam zu erkennende Beleuchtung von Fahrrädern jetzt bei helllichtem Tage blendet. Das Tagfahrlicht von vielen Autos ohnehin.

Ist die Beleuchtungsstärke eine Grundgröße?

Beleuchtungsstärke – Definition und Beschreibung

Die Beleuchtungsstärke ist definiert als der Lichtstrom, der auf eine Fläche auftrifft, geteilt durch die Größe dieser Fläche (Bild 1). Diese Definition weist diese Größe als eine Intensität aus. Dass sie nicht einfach „Lichtintensität“ genannt wird, hängt damit zusammen, dass auch die Lichtstärke eine Intensität ist. Da das Wort Intensität auch in der Physik vorkommt, bewahrt ein getrennter Begriff vor Fehlinterpretationen, sofern man es schafft, ihn zu begreifen.

Da dies offenbar schwerfällt, gibt es grafische Abbildungen, die die Größe begreifbar machen sollen. Eine Bildersuche im Internet mit dem Suchbegriff ergibt etliche tausend Fundstellen. Wenn man eine der seriösesten und ohne Zweifel fachkundigsten Quellen absucht (Begriffserklärungen von Osram),  findet man folgende Illustration:

lx_002

Bild 2 Erklärung der Größe Beleuchtungsstärke (Quelle OSRAM, Schweiz, Lichtlexikon, download am 13. Dezember, 2013)

Ähnliche Abbildungen lassen sich an vielen Stellen finden, so auch bei Veröffentlichungen des Autors. In den meisten Fällen unterscheiden sie sich in der „Schönheit“ der Lichtquelle. Niemand kommt auf die Idee, dass diese Darstellung gar nicht stimmen kann, weil bei den eingezeichneten geometrischen Verhältnissen die Intensität der Strahlung an den Ecken des Quadrats eine ganz andere ist als in der Mitte, weil der Abstand anders ist.

Hinzu kommt, dass man die Beleuchtungsstärke definitionsgemäß in einer Ebene misst. Sie ist nämlich ein Vektor. So wird man mit einem Beleuchtungsstärkemesser die angegebene Größe nur in der Mitte des Quadrats messen können, selbst wenn der Lichteinfall überall die gleiche Intensität besäße.

Wer die Illustration korrekter zeichnen möchte, nimmt anstelle des Quadrats ein Kugelsegment. Ob die Sache dadurch anschaulicher wird für einen, dem sie erklärt werden soll, ist zu bezweifeln. Den korrekten Sachverhalt, der auch der Definition von Beleuchtungsstärke entspricht, zeigt Bild 3:

Messung

Bild 3 Laboreinrichtung zur korrekten Messung der Beleuchtungsstärke

Allerdings fällt dieses Bild anschaulich aus bestenfalls für Leute, die in solchen Umgebungen gearbeitet haben. Es macht aber klar, was die Beleuchtungsstärke in Wirklichkeit ist, eine Laborgröße, deren Erläuterung selbst Fachleuten schwerfällt (Anm.: Bild 2 wird für Trainingszwecke eingesetzt), und von Laien noch weniger begriffen werden kann.

Die Beleuchtungsstärke ist demnach bereits im Labor keine Grundgröße, wenn, dann ist es die Lichtstärke, denn das in Bild 3 eingezeichnete Photometer misst diese.

Beleuchtungsstärke in der Beleuchtung

Die Größe Beleuchtungsstärke wird in der Beleuchtungstechnik eingesetzt, um den Lichteinfall an einem Punkt des Raumes zu charakterisieren. Für Beleuchtungsnormen ist sie die Größe schlechthin, wie man aus der gültigen Norm für die Beleuchtung von Arbeitsstätten unschwer ablesen kann: „Gute Beleuchtung bedingt, dass zusätzlich zu den geforderten Beleuchtungsstärken quantitative und qualitative Anforderungen erfüllt werden.  „(DIN EN 12464-1:2011-8).

Ob das, was gefordert wird, eine sinnvolle Charakterisierung der Lichtsituation darstellt, muss man sich die Forderung näher ansehen. Anders als in Bild 3, also der Laborsituation, fällt in einer Arbeitsumgebung aus mehreren Quellen aus unterschiedlichen Positionen auf einen Punkt. Die Größe Beleuchtungsstärke dient dazu, ihre Beiträge zusammenzufassen (Bild 4):

Richtung

Bild 4 Quellen, die die gleiche Beleuchtungsstärke ergeben

In Bild 4 sind zwei Quellen eingezeichnet, die die gleiche Beleuchtungsstärke in der (grau) eingezeichneten Ebene ergeben. Es können auch viele andere aus verschiedensten Richtungen kommen. Die Beleuchtungsstärke ist unter bestimmten Bedingungen immer die gleiche.

Welche Bedeutung besitzt eine so berechnete Größe? Wenn man die Energiemenge berechnen will, die an dem betreffenden Punkt auftrifft, ist es tatsächlich ohne Belang, aus welcher Richtung das Licht kommt, so die resultierende Menge an einfallender Energie gleich ist. Damit nimmt man der Beleuchtungsstärke den Vektorcharakter weg, sie hat nur noch eine Richtung. Das ist die Richtung der Ebene. Man spricht von der Horizontalbeleuchtungsstärke, wenn man in der horizontalen Ebene misst, und von Vertikalbeleuchtungsstärke, wenn die Messung in der vertikalen Ebene erfolgt.

Ist damit die Wirkung des Lichts hinreichend charakterisiert? Wie Bild 5 zeigt, kann davon keine Rede sein. Die Objekte in diesem Bild sind einmal mit diffusem Licht beleuchtet und einmal mit gerichtetem (streifend).

Lesbarkeit_Lichteinfall

Bild 5 Erscheinungsbild von Schrift bei unterschiedlichem Lichteinfall

Man nimmt also einen möglicherweise großen Fehler in Kauf, wenn man auf der Basis von Beleuchtungsstärke arbeitet. Dieser wird je kleiner umso unempfindlicher die Sehaufgabe gegenüber der Lichteinfallsrichtung ist. Dies ist z.B. weitgehend der Fall bei üblichem Büropapier, das mit matter Tinte beschriftet ist. Bereits Bleistiftschrift auf mattem Papier wird schlechter lesbar bei gerichtetem Lichteinfall. Die Gesamtwirkung hat Hartmann vor über 30 Jahren sogar quantifiziert (Bild 6)

Hartmann

Bild 6 Informationsübertragung in bit/s in Abhängigkeit vom Glanzgrad des Papiers und der Druckfarbe (nach Hartmann, 1977)

Man hat in der Praxis nicht immer einen Einfluss auf die optische Beschaffenheit des Sehguts, u.a. weil sie nach anderen Gesichtspunkten gewählt wird als nach der Verarbeitung an einem Arbeitsplatz und nur begrenzte Wahlmöglichkeiten existieren. So setzt hochqualitativer Druck mit bester Auflösung und Farbwiedergabe eine glänzende Oberfläche des Datenträgers voraus. Ein weiterer Grund besteht darin, dass man z.B. bei Illustrierten nicht zwischen Seiten mit Fotos und mit Text wählen kann oder will. Maschinenteile müssen zuweilen aus funktionellen Gründen glatte Oberflächen aufweisen.

Die in Bild 5 und Bild 6 illustrierten Effekte fallen je nach Art der Beleuchtung sehr unterschiedlich aus. So vermeidet man unerwünschten Glanz mit großflächiger Beleuchtung mit entsprechend geringer Leuchtdichte (z.B. Leuchtdecke). Die gleiche Beleuchtungsstärke wie die Leuchtdecke lässt sich mit Direktbeleuchtung und effizienten Lampen mit hoher Leuchtdichte zu einem Bruchteil der Kosten erzielen. Leider kann man dann nur einen Bruchteil der Arbeitsräume mit Arbeitsplätzen belegen, wie man in den Beleuchtungsnormen und sonstigen Empfehlungen der lichttechnischen Industrie lesen kann.

Die Bevorzugung der Größe Beleuchtungsstärke in der Beleuchtungstechnik kaschiert somit die mangelhafte Eignung mancher Beleuchtungsarten. Es handelt sich dabei um einen Versuch, trickreich die Physik des Lichtes zu umgehen. Dieser funktioniert dort, wo die notwendigen Voraussetzungen näherungsweise gegeben sind, hinreichend gut. Diese sind insbesondere matte Oberflächen für das Sehgut und dessen Umgebung sowie eine ebene Oberfläche. Genau genommen funktioniert das Ganze nur mit Proben aus Bariumsulfat, wie sie im Labor benutzt werden.

Beleuchtungsstärke und nicht ebene Objekte

Ein besonders tückisches Problem des Hantierens mit Beleuchtungsstärken wird wirksam, wenn das Sehobjekt nicht eben ist. Betrachtet man z.B. einen Ball auf dem Fussballrasen und berechnet dessen Kontrast aus dem Verhältnis der Reflexionsgrade (das Beispiel stammt aus einer nicht mehr gültigen LiTG-Schrift), erhält man einen doppelt so großen Wert, weil das Licht, das auf die vom Beobachter aus gesehene Rückseite fällt, für diesen unsichtbar bleibt. Bei dem in Bild 7 angedeuteten Beispiel würden sich die Beleuchtungsstärken der beiden Scheinwerfer addieren, wenn man der Logik des Umgangs mit dieser Größe folgt. Das tun sie nur für einen Beobachter, der von oben auf den Ball schaut und nur auf dem höchsten Punkt auf dem Ball.

Ball-und-Scheinwerfer

Bild 7 Ein Ball, der von zwei Seiten beleuchtet wird.

Was ein Beobachter von dem Sehobjekt Ball sieht, hängt insbesondere davon ab, aus welcher Richtung dieser den Ball betrachtet. Ist sein Auge auf der linken Seite unter dem Scheinwerfer platziert, sieht er einen gelblichen Mond. Wenn es auf der Gegenseite platziert ist, sieht er einen bläulichen Mond, allerdings keinen, der gleichmäßig ausgeleuchtet wird. Blickt der Beobachter von vorne auf den Ball, sieht er je nach Aufstellung der beiden Scheinwerfer von zwei Mondsicheln in gelb und blau bis zu zwei Halbmonden in diesen Farben.

Addieren tun sich die Wirkungen der beiden Scheinwerfer lediglich auf dem obersten Punkt, und das auch hinsichtlich der Mischung der Farben. In Wirklichkeit kann es sogar vorkommen, dass das Licht aus der entgegensetzten Richtung das Sehen eher stört als fördert. Der Effekt wird bei jeder halbwegs guten Kamera berücksichtigt (Einstellung Gegenlichtaufnahme), nur nicht bei der Berechnung der Beleuchtungsstärke.

Wenn solche Probleme auf die Sportstätten beschränkt blieben, müsste man nicht allzu viele Worte darüber verlieren. Leider ist dem nicht so. Den Zustand, der den Beleuchtungstechnikern als Grundlage dient, gibt es fast nur im Labor, nachdem dessen Vorbild (Blatt Papier vor dem Sachbearbeiter auf dem Bürotisch) weitgehend Historie geworden ist. Sehr häufig ist Arbeitsgut dreidimensional, und auch die meisten Gegenstände in Arbeitsumgebungen. Für diese nutzen die Vorstellungen wie Horizontal-, Vertikal- oder zylindrische Beleuchtungsstärke nichts, weil Licht nur geradeaus fliegt. Am schlimmsten trifft es die Bewertung des Tageslichts, wie unten dargelegt wird.

Zu den Begriffen um die Beleuchtungsstärke

Die in den Bildern 2 und 3 als theoretische Konstrukte dargestellte Beleuchtungsstärke wird in der Beleuchtungstechnik in unterschiedlicher Art und Weise benutzt. So wird häufig von „Beleuchtungsstärke“ gesprochen, wenn die sog. Horizontalbeleuchtungsstärke gemeint ist. Allerdings ist der angegebene Wert ein Mittelwert über den betrachteten Raumteil und würde daher den Laborvorstellungen entsprechen, wenn die Lichtquellen gleichmäßig über die Decke verteilt wären (Bild 8).

Lichteinfallsrichtungen

Bild 8 Lichteinfall in die Arbeitsebene bei gleicher Beleuchtungsstärke aber unterschiedlich verteilten Lichtquellen

Sofern das Sehobjekt flach in der Arbeitsebene liegt und vollkommen matt ist, können die entstehenden Sehverhältnisse als gleich angenommen werden, ohne dass der Unterschied der Beleuchtungen bedeutsam wird. Beleuchtet man hingegen dreidimensionale Objekte wie einen menschlichen Kopf, wird man an den drei eingezeichneten Stellen (Bild 8 rechts) sehr unterschiedliche Bilder sehen. Bei einem Kopf, der mit der Nase nach rechts gesehen wird, wird links das Gesicht schräg von oben beleuchtet, rechts der Hinterkopf. Befindet sich der Kopf in der Mitte, werden nur die Haare und die Nasenspitze beleuchtet. (Was man leider in vielen Hotelbadezimmern erlebt, besonders prickelnd, wenn man sich rasieren muss.)

Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, hat man die sog. Vertikalbeleuchtungsstärke definiert. Diese wird, wie der Name andeutet, in einer vertikalen Ebene gemessen (Bild 9)
HorizontalVertikal
Bild 9 Messebenen für die Horizontal- und Vertikalbeleuchtungsstärke

So sehr man sich über den sog. Vertikalanteil der Beleuchtungsstärke freut,  allzu viel bedeutet sie nicht bei dreidimensionalen Sehobjekten. Wenn man sich drei Köpfe an den drei Pfeilen in Bild 8 vorstellt (Bild 10), bedeutet eine höhere Vertikalbeleuchtungsstärke lediglich einen flacheren Lichteinfall. Viel mehr ist es nicht.

Köpfe_Beleuchtet

Bild 10 Lichteinfall auf ein dreidimensionales Objekt

Was man von den drei Köpfen überhaupt beleuchtet sieht, hängt zudem von der Beobachterposition ab. Wer von links in gleicher Augenhöhe die drei Köpfe betrachtet, wird von dem ersten nichts sehen, vom zweiten einen Hinterkopf, der von unten nach oben heller wird, und von dem rechten Kopf den Hinterkopf etwa gleichmäßig hell. Befindet sich der Beobachter rechts, wird er vom ersten Kopf auf seiner Seite nichts sehen, wen  kein Streulicht da ist. Auch bei Streulicht sieht er nur wenig, wie man bei jeder Gegenlichtaufnahme erleben kann. Beim mittleren Kopf wird er einen Teil der Haare beleuchtet sehen, das Gesicht optisch verfremdet mit tiefen Schatten um die Augen und einer langen Nase. Nur der linke Kopf wird etwa „normal“ beleuchtet erscheinen.

Um die Wirkung auf ein dreidimensionales Objekt treffend bestimmen zu können, müsste man für jede Beobachterposition eine entsprechende Ebene der Vertikalbeleuchtungsstärke angeben. Da dies allenfalls bei einer Bühnenbeleuchtung sinnvoll getan werden kann, hat man eine Größe definiert, die allgemein benutzt werden kann, die „zylindrische“ Beleuchtungsstärke. Diese ist zwar eindeutig definiert, jedoch können sich nur wenige etwas darunter vorstellen. ( Auf der Oberfläche eines senkrecht stehenden fiktiven Zylinders als Bezugsfläche gemessene Beleuchtungsstärke (Formelzeichen Ez))

Da das Problem antizipiert wurde, hat man diverse grafische Abbildungen geschaffen, um die Größe zu erklären. Die vermutlich verständlichste von ihnen ist in Bild 11 wiedergegeben.
ZylindrischeGesicht
Bild 11 Darstellung der Größe „zylindrische“ Beleuchtungsstärke, die sich aus den Vertikalbeleuchtungsstärken
um das Sehobjekt herum errechnet. (Quelle: Trilux, leicht bearbeitet)

Das Bild ist vermutlich deswegen gut verständlich, weil der Zeichner den angestrebten Sinn der so definierten Größe (Gesichter sichtbar machen) in das Bild integriert hat. Leider ist ihm dabei ein Fehler unterlaufen, der aber nicht dem Zeichner anzulasten ist: Eingezeichnet ist die halb-zylindrische Beleuchtungsstärke, weil die hintere Hälfte fehlt. Allerdings handelt es sich nicht um einen Fehler des Zeichners, sondern um die Fragwürdigkeit der definierten Größe. Für das Erkennen des abgebildeten Gesichts sind die eingezeichneten Lichteinfälle (Pfeile mit der Bezeichnung Ev) wichtig, während ein Lichteinfall aus der hinteren Hälfte eher schädlich wäre. Warum dann eine Definition, die den Lichteinfall rundherum einbezieht?

Wie sehr solche Vorstellungen selbst Fachleute in die Irre führen können, kann man an ihren Taten erkennen. So hat eine hochkarätige Expertengruppe in ASR A3.4, das ist das vom Arbeitsministerium veröffentlichte Regelwerk für die sicherheitsgerechte Beleuchtung von Arbeitsstätten, Werte für die Vertikalbeleuchtungsstärke empfohlen, was im Prinzip sehr zu begrüßen ist. Allerdings müsste dazu die Ebene angegeben werden, die man in dem Regelwerk vergeblich sucht.

Wie dieser Fehler entstanden ist, kann man verstehen, wenn man den Vorgänger der Regel ASR A3.4, BGR 131 (BG-Regel Natürliche und künstliche Beleuchtung von Arbeitsstätten), analysiert. Dort war die sog. zylindrische Beleuchtungsstärke angegeben worden, deren Definition unten angegeben wird. So richtig das Bemühen auch war, so erfolglos ist sie geblieben, weil nur wenige Planer in der Lage sind, diese Größe zu verstehen. Deswegen musste sie ersetzt werden durch eine annähernd gleichwertige Größe,  die Vertikalbeleuchtungsstärke. Da die zylindrische wie die horizontale keine Angabe der Messebene benötigt, wurde in der neuen Vorschrift halt diese vergessen. Eine Grundgröße, die zu einem nicht ausführbaren Regelwerk führt, bedeutet sicherlich eine nie erreichte Qualität.

Die „zylindrische“ Beleuchtungsstärke, wie sie definiert und oben erläutert wurde, ist mit Rücksicht auf die Unberechenbarkeit der Sehgeometrie (Beleuchtung – Sehobjekt – Beobachter) entstanden. Wenn sich Menschen in einem großen Raum befinden und andere Menschen bzw. Objekte aus beliebigen Richtungen betrachten wollen, kann man mit Hilfe der zylindrischen Beleuchtungsstärke die Sehverhältnisse etwa überschlägig vorhersagen. Dort, wo man diese recht genau bestimmen möchte, z.B. bei einer Theaterbühne mit einseitigem Aufbau der Zuschauerränge, liefert nur die halb-zylindrische Beleuchtungsstärke hinreichend gute Information. (Anm.: Diese Information ist nur hinreichend für die allgemeine Situation. Kommt es auf einzelne Gesichter oder Objekte an, bedient sich der Bühnenbeleuchter ganzer Scheinwerferbatterien.)

In kleinen Arbeitsräumen, und das ist für den größten Teil deutscher Büros der Fall) liefert die zylindrische Beleuchtungsstärke in Raummitte höhere Werte als in Wandnähe, weil aus der Richtung der Wände wenig Licht einfällt. Die Sichtbarkeit von Gesichtern, das Hauptargument für die zylindrische Beleuchtungsstärke, kann aber dort besser sein, wenn das Gegenlicht fehlt oder gering ausfällt. Wer also mit dieser Größe hantiert, z.B. um einen Arbeitsraum nach ASR A3.4 zu beurteilen, kann Fehler in mehrerer Hinsicht begehen.

Berechnung von Beleuchtungsstärken in DIN EN 12464-1

Während man in früheren Normen (z.B. DIN 5035-2) Beleuchtungsstärken für den ganzen Raum bzw. für Teile davon angab, die mit Hilfe einer eigens dafür geschaffenen Norm (DIN 5035-6) gemessen wurden, differenzieren heutige Normen (z.B. DIN EN 12464-1) zwischen dem Bereich der Sehaufgabe, für die die Anforderungen gelten, dem unmittelbaren Umgebungsbereich um die Sehaufgabe herum, und dem Hintergrundbereich.

Die Begründung steht zwar nicht unmittelbar klar beschrieben in der neuen Norm, man kann sie aber zuverlässig aus den Zielsetzungen der Normen ableiten. So war das Ziel von DIN 5035 vorwiegend Allgemeinbeleuchtung zu erstellen, bei der überall die gleiche Beleuchtungsqualität herrschen sollte. Daher ist eine Messung gemäß DIN 5035-6 folgerichtig. Hingegen gelten die Anforderungen von 12464-1 für den Bereich der Sehaufgabe. Daraus werden die Anforderungen für die Umgebung abgeleitet mit dem Ziel, dass dieser so beleuchtet sein muss, dass die beiden Bereiche miteinander harmonieren. Der an den Umgebungsbereich angrenzende Bereich (Hintergrundbereich genannt) muss (sic!) mit einem Wartungswert der Beleuchtungsstärke von 1/3 des Wertes für den unmittelbaren Umgebungsbereich beleuchtet werden.

So weit, so gut. Bis hierher entspricht das Konzept der Daumenformel 10:3:1 für die Leuchtdichten für die Sehaufgabe, deren Umgebung und den Hintergrund. Aber die Illustration des Konzepts in der Norm DIN EN 12464-1 zeigt deutlich , dass die Autoren der Norm an etwas anderes gedacht haben müssen als an Beleuchten, um das Sehen (der Aufgabe) zu ermöglichen (Bild 12)

Umgebungsbereich_12464-1

Bild 12 Darstellung der Bereiche, für die unterschiedliche Anforderungen gelten (DIN EN 12464-1:2011, S. 11)

Der in diesem Bild fehlende Beobachter kann, wenn er nicht gerade Stiel- oder Facettenaugen hat, nur den Bereich vor ihm sehen. Da er sich für die Erledigung einer Aufgabe im unmittelbaren Umgebungsbereich aufhalten muss, können die Anforderungen nur für den Raum vor ihm gelten, was hinter ihm ist, ist aus dieser Sicht vollkommen egal. Trotzdem ergibt sich die Beleuchtungsstärke für den jeweiligen Bereich aus der Mittelung über die gesamte Fläche. Unsinniger kann man ein Konzept kaum illustrieren.

Oder doch? Das Bild 13 zeigt die Messpunkte für die Beleuchtungsstärke nach ASR A3.4, einem Regelwerk, für das gilt: „Die Technischen Regeln für Arbeitsstätten (ASR) geben den Stand der Technik, Arbeitsmedizin und Arbeitshygiene sowie sonstige gesicherte arbeitswissenschaftliche Erkenntnisse für das Einrichten und Betreiben von Arbeitsstätten wieder.“
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Bild 13 Messpunkte für die Beleuchtungsstärke in einem Arbeitsraum (ASR A3.4., GMBl 2011, S. 308)

Auch hier werden Beleuchtungsstärken auf Stellen, die sich definitiv hinter dem Benutzer befinden, in die Berechnung der Beleuchtungsstärke einbezogen. Sogar die Stelle, auf dem der Beobachter sitzt, muss berücksichtigt werden. Eine Steigerung des Unsinns findet dadurch statt, dass auch die Beleuchtungsstärke am Ort des eingezeichneten Bildschirms mit in die Berechnung eingeht. Bekanntlich leuchten die Bildschirme selber, und deren Inhalt wird durch Beleuchten mit Sicherheit nicht besser erkennbar.

Fazit

Die Beleuchtungsstärke ist nicht nur keine Basisgröße oder eine Grundgröße, sondern bereits im Laborfall eine abgeleitete. Anders als im Lichtlabor wird in der Praxis die „Beleuchtungsstärke“ nicht etwa direkt gemessen, sondern aus einer mehr oder weniger großen Zahl von Einzelmessungen errechnet. Selbst in Regelwerken, die Stand der Technik, Arbeitsmedizin und Arbeitshygiene sowie sonstige gesicherte arbeitswissenschaftliche Erkenntnisse angeben, kann man nicht nur fragwürdige, sondern sogar nachweislich falsche Angaben zu deren Berechnung finden, so auch in der Technische Regel ASR A3.4, die das Bundesarbeitsministerium veröffentlicht.

Die Beleuchtungsstärke ist eine Vektorgröße, aus der man mehr oder weniger geschickt und verständlich weitere Größen ableitet – z.B. die Horizontalbeleuchtungsstärke, Vertikalbeleuchtungsstärke oder zylindrische Beleuchtungsstärke – um sie handhabbar zu machen. Diese Größen, die viele (lichttechnische) Laien verstehen müssten, weil sie damit umgehen müssen, bleiben, wie in diesem Beitrag demonstriert, auch  bei „Experten“ weitgehend unverstanden, wenn nicht häufig missverstanden. Die eigentliche Ursache hierfür liegt darin, dass das Erfassen von Licht in technische Größen sehr aufwändig betrieben werden müsste, um der Natur von Licht gerecht zu werden. Da die Chancen hierfür nicht schlecht stehen, sondern eher sehr schlecht, bemühen sich Fachleute, sich auf wenige Größen zu beschränken.

Bedauerlicherweise können die verwendeten Größen die Wirkungen des Lichts auf den Menschen nicht ansatzweise beschreiben. Im Falle der Beleuchtungsstärke wurde in diesem Beitrag festgestellt, dass sie sogar Fachleute in die Irre führen kann.  Kein Wunder, dass in vielen Ländern der Erde Vorschriften existieren, die die Beleuchtungsstärke mit der Arbeitssicherheit  in Verbindung bringen. Einen Nachweis wird man allerdings vergeblich suchen, was nicht verwunderlich ist. So genügen selbst die in diesem Beitrag umfangreich dargestellten „Beleuchtungsstärken“ nicht aus, manche Wirkung hinreichend gut zu beschreiben.

Es ist seit langem überfällig, die Größe Beleuchtungsstärke in der praktischen Anwendung fallenzulassen. Dieser Schritt, in der Straßenbeleuchtung bereits vor Jahrzehnten vollzogen, wird in der Innenbeleuchtung gescheut, weil die einen – Hersteller – ihre Leistung über die Größe verkaufen, und die anderen – z.B. Arbeitsschützer – eine leicht messbare Größe haben wollen. Die wesentlich aussagefähigere Größe, Leuchtdichte, ist noch viel umständlicher zu messen als die Beleuchtungsstärke.

Haben Sie Fragen oder Anmerkungen?

2 comments on “Beleuchtungsstärke – Grundgröße oder Irreführung?

[…] auch Experten den Begriff falsch bzw. sogar sinnlos verwenden, hatte ich vor Langem dargestellt (hier). Hier geht es um sehr gefährliche Anwendungen durch Leute, die Experte auf anderen Gebieten […]

[…] auf Horizontalbeleuchtungsstärke getrimmt, was schon lange keinen Sinn mehr macht (s. hier oder da) Beleuchtung, Blendung, Licht, Tageslicht (function(d, s, id) { var js, fjs = […]

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