Was ist Licht – Grundsätzliches für die Beleuchtungstechnik

Licht umgibt uns ständig. Es macht Leben zum großen Teil erst möglich.
Wir und unsere ganze Kultur sind darauf fixiert. Es strukturiert unser Leben durch den Wechsel von Tag und Nacht. Gibt uns Orientierung und lässt uns Farben erkennen.
Durch die Erfindung der künstlichen Lichtquellen haben wir uns auch die Nacht und Innenräume nutzbar gemacht. Ob im Wohnbereich und – besonders – bei der Arbeit, ohne künstliche Beleuchtung würden wir mit starken Einschränkungen leben müssen.

Um künstliche Beleuchtung besser planen und verstehen zu können, ist es hilfreich, zu verstehen, wie Licht funktioniert.
Im Folgenden haben wir das schwierige Thema stark komprimiert und hoffen, die wesentlichen Aspekte wiederzugeben.

Wie entsteht Licht

Licht entsteht durch Energieumwandlung. In unserer größten Lichtquelle der Sonne z.B. durch das verschmelzen von Wasserstoffatomen zu Helium. Dabei wird Wärme und Licht abgestrahlt die beide auf die Erde treffen und unseren Planeten maßgeblich gestalten.
In künstlichen Lichtquellen z.B einer Glühlampe wird ein Metalldraht zum glühen gebracht – auch hier werden Wärme und Licht an die Umgebung abgegeben. Die LED basiert auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz aus einem Halbleiterkristall. Auch hier entsteht Wärme (wenn auch in geringerem Maße) und Licht.

Wellenlängen des Lichtes

Die Physik des Lichtes

Licht ist sowohl Welle als auch Teilchen (Welle-Teilchen-Dualismus)
Einige Eigenschaften des Lichtes können als Teilchen, andere als Welle und wieder andere mit beidem erklärt werden.
Reflexion und Brechung können sowohl als Welle oder Teilchen erklärt werden Interferenz, Beugung und Polarisation sind nur mit der Welleneigenschaft des Lichtes zu erklären.
Der photoelektrische Effekt allerdings ist nur mit der Teilcheneigenschaft des Lichtes zu erklären. Hier schlägt Licht mit einer (und nur mit einer) Mindestenergie Elektronen aus einem Festkörper. Erhöht man die Lichtmenge, werden mehr Elektronen aus dem Körper geschlagen. Allerdings erhöht sich dabei nicht die Geschwindigkeit der Elektronen – dazu braucht man Licht mit höherer Energie (Richtung Ultraviolett). Dies nennt man Welle-Teilchen-Dualismus und der beruht auf der Heisenbergschen Unschärferelation. Ort oder Impuls eines Teilchens können nicht exakt zusammen bestimmt werden. Z.B. wird der Ort exakt bestimmt ist die Intensität des Impulses nicht messbar. (Weitere Informationen dazu finden sich z.B. bei Wikipedia)

Wichtig für uns in der Beleuchtung ist die Welleneigenschaft des Lichtes.
Das optische Licht – welches für die Beleuchtungstechnik maßgeblich ist – liegt im Bereich von 700nm bis zu 400nm. Vor den 700nm liegt die Mikrowellenstrahlung und die Infrarotstrahlung. Nach den 400nm liegen Ultraviolette Strahlung und Röntgenstrahlung.
nm steht dabei für Nanometer – die Einheit der Schwingung der Lichtwelle in milliardstel Meter (Gemessen jeweils vom Wellenberg bis zum nächsten Wellenberg)
Die Energie der Lichtwelle nimmt mit zunehmender Wellenlänge ab. Das heißt rotes Licht mit 700nm ist energieärmer als blau/violettes Licht mit 400nm.

Ausbreitung des Lichtes

Licht breitet sich gleichmäßig von der Lichtquelle aus. Die Geschwindigkeit liegt im Vakuum bei c=299.792.458 m/sec. (Lichtgeschwindigkeit)
Trifft es z.B. auf einen Körper, kann Ausbreitung aber gestört werden.

Absorption

Trifft Licht auf z.B. eine schwarze Fläche kann es teilweise oder ganz „geschluckt“ bzw. absorbiert werden. Die absorbierte Strahlung wird in Wärme gewandelt.

Licht-Absorption

Reflexion und Körperfarben

Trifft das Licht auf einen Körper wird es (außer der Teil welcher absorbiert wird) zurückgeworfen.
Dabei ist Einfallwinkel und Ausfallwinkel immer gleich. Unter anderem interessant für die Beleuchtung ist hier, dass von Körpern bestimmte Wellenlängen des Lichtes absorbiert werden und andere reflektiert werden. Dadurch entstehen die Farben der Gegenstände. Wird z.B. von einer Körperoberfläche hauptsächlich Licht im roten Wellenlängenbereich zurückgeworfen, erscheint der Körper rot. Mann spricht hier von Körperfarben. Wahrnehmen können wir dann nur die Roten, zurückgeworfenen Wellenlängen.

Wichtig für die Beleuchtung ist auch, dass (logischerweise) nur Wellenlängen zurückgeworfen werden können, die im Spektrum des Lichtes vorher vorhanden waren. Dies kann die natürliche Farbwiedergabe der Oberflächen stören. Ist im ausgestrahlten Licht kein rotwellenlägniges Licht vorhanden, kann der angestrahlte Körper natürlich auch nicht rot erscheinen – der Körper wirk dunkel. In der Beleuchtungstechnik versucht man dies mit dem Color Rendering Index (CRI) oder Ra wiederzugeben. Leuchten mit einem hohen CRI (>80) sind für Büroanwendungen geeignet. Für Arbeitsbereiche wird der CRI in der Arbeitsstätten-Richtlinie angegeben.

Licht - Reflektion Körperfarben

Brechung

Trifft Licht auf einen transparenten Körper, wird es mehr oder weniger gebrochen. Das heißt der Eintrittswinkel wird verändert je nach Brechungsindex des Materials. Bei Glas und besonders bei Milchglas ist dieser Effekt sehr gut zu beobachten.

Licht - Brechung

Dispersion

Eine Unterart der Brechung in der z.B. in einem Prisma Licht in seine Wellenlängen zerlegt wird. Die verschiedenen Spektralfarben des Lichtes werden sichtbar.

Licht - Dispersion

Interferenz

Lichtspiele wie auf Seifenblasen oder einer Ölschicht auf Wasser entstehen durch unterschiedliche Brechung des Lichtes in hauchdünnen Flächen.

Licht - Interferenz

Licht in der Beleuchtungstechnik

Kenntnisse über das Verhalten des Lichtes helfen uns, künstliches Licht besser einzusetzen. Licht aus der LED ist relativ schmalbandig und energiereich (blaue LEDs).

Breitbandigeres bzw. andersfarbiges Licht wird mittels einer Phosphorschicht auf der LED erzeugt. Optiken über der LED richten das Licht. Je breitbandiger das Licht, desto besser die Farbwiedergabe.
Licht trifft im zu beleuchtenden Raum auf Wände, Böden und Einrichtung. Es wird dort reflektiert und absorbiert. Dies verändert die Beleuchtung erheblich. Tageslicht wird im Glas gebrochen und im Raum reflektiert und kann so erhebliche Teile des Raumes gut beleuchten.

Wahrnehmung von Licht (Tag- und Nachtsehen)

Licht wird durch das menschliche Auge aufgenommen. Durch die Pupille wird – wie bei einem Kameraverschluss – mehr oder weniger Licht auf die Netzhaut gelassen.

Ist die Beleuchtungsstärke im Raum hoch, lässt die Pupille wenig Licht durch, Nachts ist sie voll geöffnet. Auf der Netzhaut sind Zäpfchen für die Farbwahrnehmung zuständig und Stäbchen für die Hell-Dunkel-Kontraste. Die Zäpfchen funktionieren nur bei ausreichender Beleuchtung gut – der Grund warum wir in der Dämmerung kaum Farben wahrnehmen.

Zäpfchen funktionieren am besten bei 555nm. Farben werden hier deutlich wahrgenommen (photopisches Sehen). Bei abnehmender Beleuchtung nimmt auch die Funktion der Zäpfchen ab.
In der Dämmerung oder Nachts leisten die Stäbchen die meiste Arbeit (skotopisches Sehen). Diese funktionieren bei einer Wellenlänge von 507nm am besten.
In den Zwischenzeiten (Dämmerung) redet man von mesopischem Sehen.

Alle Informationen werden durch den Sehnerv ins Gehirn geleitet wo die Informationen interpretiert werden. Geringe Beleuchtungsstärken können auch hier ausgeglichen werden – was aber auf die Dauer anstrengend ist. Mit zunehmendem Alter kann sich das Auge nicht mehr so schnell auf verschiedene Beleuchtungsstärken einstellen. Man braucht mehr Licht für Tätigkeiten, die in der Jugend noch bei geringeren Lichtverhältnissen einfach zu bewerkstelligen waren.
In der Arbeitsstättenrichtlinie wird versucht, Beleuchtungsstärken für verschiedene Tätigkeiten anzugeben, die für die jeweilige Tätigkeit den meisten Menschen angenehm sind und die die Arbeit bestmöglich unterstützen.

Licht -Tag- und Nachtsehen