Tactical Lights verstehen – Lumen, Lux, Candela und Co.

light-bulb-376926_1280Premiere! Das erste Review auf dem Knife-Blog, das sich nicht ausschließlich um Messer dreht, steht bevor. Genau gesagt geht es im nächsten Review überhaupt nicht um Messer, sondern um Licht. Ohne Licht hilft auch das beste Messer nicht allzu viel, deshalb greift man zu einer möglichst starken Lichtquelle. Tactical Lights haben Konjunktur und die Hersteller überbieten sich mit Superlativen. Hilft die Lumenzahl einer Taschenlampe zu beurteilen, ob das Licht für die zugedachte Aufgabe ausreicht?  Daher befasst sich dieser Beitrag ausschließlich mit den verwirrenden Zusammenhängen von Lux, Lumen, Watt, Lichtstrom und Candela , im nächsten Review wird sich dann zeigen, ob die getestete Lampe die Nacht zum Tag machen kann.

Taktische Lampen oder „Tac Lights“ haben ihren Ursprung bei Militär und BOS (Behörden, Ordnung, Sicherheit), also Polizei- und Einsatzkräften. Sie können als normale Taschenlampe, Zielbeleuchtung an Waffen, Suchscheinwerfer oder zum Blenden eines Gegners dienen. Mittlerweile übertreffen Hochleistungsdioden die Leuchtkraft von Taschenlampenbirnchen um das Zigtausendfache und in den letzten Jahren ist mit dieser Produktkategorie ein ganzer neuer Industriezweig entstanden. Die Leistungsfähigkeit dieser Lampen hat ihren Preis, starke LED Taschenlampen können mehrere hundert Euro kosten. Die Hersteller buhlen mit klangvollen Produktnamen um die Gunst der Käufer und werfen mit dem Begriff „Lumen“ und vierstelligen Zahlen um sich. Was aber verbirgt sich hinter dem Zahlen-Getöse und welche physikalischen Grundlagen und Zusammenhänge sollte man als Käufer eines „Tac Lights“ kennen?


Werbung


Die Angabe einer Lumenzahl bei Taschenlampen ähnelt der in dicken Lettern auf der Verpackung eines Gaming-Notebooks ausgewiesen Taktung des Prozessors in Gigahertz. Die Zahl ist ein isolierter technischer Wert, der für sich allein betrachtet noch nicht viel über die tatsächliche Leistung aussagt. Im Beispiel des Notebooks sind Leistung und Qualität der Grafikkarte, des Mainboards sowie Größe und Arbeitsgeschwindigkeit der Speichermodule ebenso wichtig wie die schiere Rechengeschwindigkeit des Prozessors.

Bei der tatsächlichen Leistung einer Taschenlampe ist es nicht anders. Neben der absoluten Lichtleistung ist die Lichtverteilung genauso wichtig wie die Zeit, die man eine Lampe mit der angegebenen Maximalleistung betreiben kann. Irgendwann wird jede Hochleistungstaschenlampe wegen Überhitzung von einer elektronischen Schutzschaltung abgeschaltet und dann geht für einige Minuten nichts mehr. Ungünstig, wenn die als Zielbeleuchtung unter der Glock montierte Hightech Xenon-Lampe gerade dann ausgeht, wenn ein Täter seine Waffe auf einen richtet. Letztlich entscheidet der Einsatzzweck darüber, ob man möglicherweise mit einer schwächeren Lampe im Vorteil ist. Zum Beispiel, wenn man im Polizeidienst auf der Suche nach Täter oder mögliche Opfer des Nachts ein Waldstück absuchen muss, ist die Ausdauer der mitgeführten Lampe wichtiger als die reine Lichtleistung.

light-cone-314072_1280

Licht ist kompliziert! Verdammt kompliziert sogar. Schon der Einstieg ins Thema bringt einen in Kontakt mit Differentialgleichungen, der Berechnung von Raumwinkeln und quantenphysikalischen Phänomenen. Wer weder Mathematik noch Physik studiert hat oder zumindest eine Eins in Mathe auf dem Abiturzeugnis vorweisen kann, wird mit dem Verständnis der Materie hart kämpfen müssen. Daher halte ich die Betrachtung der technischen Grundlagen so knapp wie möglich und die Fachleute mögen verzeihen, dass die unumgängliche Vereinfachung im wissenschaftlichen Sinne zwangsläufig unpräzise sein muss.

Jede Lichtquelle gibt Licht in alle Richtungen ab. Jede Kerze, Glühbirne oder LED gibt ihr Licht in alle Richtungen ab. Diese in alle Richtungen ausgehenden Lichtstrahlen werden Lichtstrom genannt und in Lumen gemessen. Die Einheit Lumen besitzt des Einheitenzeichen „lm“; der Begriff selbst hat seinen Ursprung im lateinischen Wort für Leuchte. Machen wir ein Gedankenexperiment. In der Mitte einer dunklen und leeren Lagerhalle positionieren wir eine von der Decke hängende 100 Watt Glühbirne als Lichtquelle. Im Abstand von 5, 10 und 20 Meter stellen wir drei gleichgroße Kartons mit identischen Oberflächen auf, die jeweils eine ihrer Seiten der Glühbirne zuwenden. Der von der Glühbirne in alle Richtungen abgegebene Lichtstrom ist in Richtung aller Kartons gleich, trotzdem werden sie uns vom Mittelpunkt aus betrachtet unterschiedlich hell erscheinen.

Die Erklärung ist einfach und kompliziert zugleich: durch die steigende Entfernung fächern die Lichtstrahlen weiter auf und je weiter ein Objekt von der Lichtquelle entfernt ist, desto weniger Licht bekommt es ab. Die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung ist der Quotient aus dem von der Lichtquelle in diese Richtung ausgesandten Lichtstrom  und dem durchstrahlten Raumwinkel. Das Licht, das in einen bestimmten Raumwinkel gestrahlt wird misst man in Candela (Einheitenkürzel „cd“) aber für die Beurteilung einer Taschenlampe hat eine Angabe in Candela keinen praktischen Nutzen.


Werbung


Uns interessiert die Beleuchtungsstärke, also die Lichtstärke, die auf ein Objekt trifft. Die Beleuchtungsstärke wird in Lux (Einheitenkürzel „lx“) gemessen. Einfach gesagt steht Lumen für die absolute Leistung einer Lichtquelle und Lux bezeichnet die Lichtmenge, die bei einem Objekt ankommt. Die Physiker formulieren komplizierter: „Die Beleuchtungsstärke E(v) auf einer beleuchteten Fläche ist die Flächendichte des einfallenden Lichtstroms“. E(v), gibt also an, welcher Lichtstrom auf eine gegebene Fläche fällt. Mit zunehmender Entfernung nimmt die Beleuchtungsstärke auf ein Objekt im Quadrat der Entfernung ab. Anders gesagt, möchte ich ein Objekt in der doppelten Entfernung genauso hell beleuchten muss ich den Lichtstrom vervierfachen. Im eigenen Keller funktioniert das noch relativ gut wenn man mit einer 1000 Lumen starken Lampe ein Objekt in drei Meter Entfernung anstrahlt. Möchte man die gleiche Beleuchtungsstärke bei einem Objekt in sechs Metern Entfernung erzielen, benötigt man eine Lampe mit 4000 Lumen. Daraus folgt: für ein Objekt in knapp 100 Meter Entfernung ist bereits ein Lichtstrom von über 1.000.000 Lumen nötig, was aber bereits einem mittelprächtigen Flakscheinwerfer entspricht.

Doch damit nicht genug. Licht lässt sich fokussieren, zum Beispiel durch eine Linse. Leuchttürme fokussieren einen Lichtstrahl, damit der Beobachter auf einem Schiff das Licht schon aus größerer Entfernung wahrnehmen kann. Die Reflektoren in Taschenlampen fokussieren nicht optisch, sondern mechanisch. Sie verwehren dem Licht die gleichmäßige Ausbreitung und reflektieren den Teil des Lichts, der in die ungewollte Richtung entkommen will. So ziemlich jede Taschenlampe beinhaltet dieses Prinzip allerdings gibt es bei Reflektoren erhebliche Qualitätsunterschiede. Ein sehr guter Reflektor ist logischerweise effektiver als ein schlechter – folglich kommt mehr Licht am Objekt an, obwohl Lichtquelle und Entfernung gleich geblieben sind.

LED’s oder Leuchtdioden (Light emitting diode) haben den Reflektor quasi standardmäßig eingebaut. Die Diode selbst besteht aus einem Halbleiterkristall (z.B. Galliumverbindung), der in die kegelförmige Vertiefung eines leitenden Metalls eingelötet wird. Das Licht wird erzeugt, indem ein Strom in Durchlassrichtung durch die Diode fließt. Der elektrische Aufbau einer LED entspricht einer normalen pn-Halbleiterdiode. Durch die angelegte Spannung wechseln Elektronen auf ein höheres Valenzband, sind dort aber instabil und springen zurück. Bei diesem Rekombination genannten Vorgang gibt das Elektron die zuvor aufgenommene Energie in Form von Licht (Photonen) wieder ab und der Vorgang beginnt erneut.

Jede Taschenlampe strahlt ihr Licht in einem bestimmten Öffnungswinkel ab. Je kleiner dieser Öffnungswinkel ist, desto mehr Licht kommt bei einem Objekt an aber desto kleiner ist gleichzeitig die beleuchtete Fläche (sic!) . Normalerweise nehmen wir als „Helligkeit“ einer Taschenlampe die Menge des reflektierten Lichts eines Objektes war. Das kann ein Pfahl, eine Hauswand oder ein Mensch sein, der sich in einer bestimmten Entfernung befindet. Völlig unwissenschaftlich aber uneingeschränkt lebensnah bezeichnen wir eine Lampe als heller, wenn ein und dasselbe Objekt mehr Licht reflektiert als bei der Beleuchtung durch eine andere Lampe. An dieser Stelle kann sich die Fokussierung positiv oder negativ bemerkbar machen, bei starkem Fokus reflektiert das Objekt viel Licht und erscheint hell, gleichzeitig bleibt ein benachbartes Objekt im Dunkeln und wird übersehen.

Eine weitere Größe ist die optische Durchdringbarkeit des Mediums zwischen Lichtquelle und beleuchteten Objekt. Dieses Medium ist erst einmal ganz banale „Luft“, also unsere Atmosphäre. Die optischen Eigenschaften der  Atmosphäre ändern sich allerdings in Abhängigkeit von Temperatur, Feuchtigkeit und Staubpartikel. Extrembeispiel: Nebel. Die Wassertröpfen in der Luft reflektieren und streuen das Licht, so dass die Beleuchtungsstärke am Objekt abnimmt. Ähnlich wie Wassertröpfen wirken Feinstaubpartikel. Taschenlampentests in Peking werden also nur selten zu erfreulichen Ergebnissen führen. Die veränderlichen Eigenschaften der Luft erklären, warum Tests mit derselben Lichtquelle an verschiedenen Tagen zu unterschiedlichen Ergebnisse führen.


Werbung


Die Beispiele haben gezeigt, dass die schiere Lichtleistung – also die Lumenzahl – keinen Aufschluss darüber gibt, wie hell uns eine Lampe im praktischen Einsatz erscheint. Wahrgenommen wird nur eine situationsabhängige, momentane Beleuchtungsstärke, in die folgende Kenngrößen einfließen:

  • Lichtleistung in Lumen,
  • Abstrahlwinkel der LED,
  • Effektivität von Reflektor und Linsen,
  • Durchdringbarkeit des optischen Mediums,
  • Entfernung des beleuchteten Objektes,
  • Reflektionseigenschaften des beleuchteten Objektes.

Die Reflektionseigenschaften des beleuchteten Objektes spielen mindestens eine so große Rolle wie Feuchtigkeit und Feinstaub. Um einen Tennisball in 20 Metern Entfernung ausreichend zu beleuchten genügt eine Lampe aus dem Supermarkt, ein Stück Kohle bleibt in dieser Entfernung selbst mit einer Monsterlampe unsichtbar. Eine Möglichkeit, Lumen unter Berücksichtigung von Abstrahlwinkel und Entfernung in Lux umzurechnen, befindet sich auf den Webseiten von LEDs.de : Lumen-Lux-Rechner

Allen bisherigen Betrachtungen führen zu der Erkenntnis, dass Tests mit ein und derselben Lampe an unterschiedlichen Orten von verschiedenen Personen fast zwangsläufig zu unterschiedlichen Ergebnissen führen müssen. Auch die Ergebnisse von Vergleichstests, die eine Person mit verschiedenen Lampen durchführt, haben nur geringe Aussagekraft. Das gilt für meine zukünftigen Tests und Ergebnisse genauso wie für allen andern Tests, die nicht unter definierten Laborbedingungen stattfinden.

Fiat lux! – Es werde Licht! Ein paar typische Beleuchtungsszenarien:

Operationsfeld-Beleuchtung: 120.000 lx
Sommertag in der Sonne: 100.000 lx
trüber Sommertag: 20.000 lx
Sommertag im Schatten: 8.000 lx
trüber Wintertag: 3.000 lx
Vollmondnacht 0,25 lx
Neumondnacht (Sternenlicht): 0,01 lx.


Alle genannten Marken, Logos und Namen sind Eigentum der jeweiligen Inhaber.

Bildnachweis:
Alle Bilder sind Eigentum des Autors oder Public Domain.