Technik
Licht 6 | 2019

Leuchtdichtemesskameras im Fokus der Normung

Lesezeit: ca. 17 Minuten

VORSPANN: Mit der als Entwurf vorliegenden Norm DIN5032 Lichtmessung – Teil 10: »Leuchtdichtemesskamera, Begriffe, Eigenschaften und deren Kennzeichnung« wird die Reihe DIN5032 um die Beschreibung von Leuchtdichtemesskameras erweitert. Der vorliegende Artikel erläutert die Grundlagen der Leuchtdichtemesskameras beschreibt die Eigenschaften der Kamerasysteme sowie deren Kennzeichnung. Dies erfolgt in enger Anlehnung an die bisher verwendeten Leuchtdichtemesser. Anschließend dokumentiert der Artikel verschiedene Anwendungen von Leuchtdichtemesskameras und arbeitet die Vorteile der neuen Technik heraus.

1 Motivation

Im Zuge der Einführung von LED-basierten Lichtquellen wird die Leuchtdichte als lichttechnische Größe immer wichtiger. LEDs müssen ortsaufgelöst charakterisiert werden. Die so erfassten Daten werden einerseits bei der Entwicklung von LED-Modulen, -Lampen und -Leuchten benötigt, andererseits sind sie nötig, um später die mit diesen Lichtquellen beleuchteten Szenen in der Praxis zu evaluieren. Die Bewertung der Homogenität von Leuchtdichte und Farbe, die Verteilung von Kontrasten und die Bestimmung leuchtender Flächen und deren Leuchtdichte rücken deshalb in jüngster Zeit immer stärker in den Mittelpunkt. Im Interesse von Zeit- und Kosteneffizienz ist es zudem wichtig, möglichst viele Messwerte gleichzeitig zu erfassen und auch die örtlichen Beziehungen der Objekte untereinander zügig bestimmen zu können. Die so erfassten Werte und Zusammenhänge bilden die Grundlage für umfangreiche Analysen und sind Basis für realitätsnahe Visualisierungen. Ein wichtiges Messinstrument, um all diese Anforderungen zu erfüllen, sind Leuchtdichtemesskameras. Ihre Entwicklung begann Anfang der 1990er Jahre, nachdem neue Technologien in der Kameratechnik die Voraussetzung für die reproduzierbare Erfassung von Bilddaten ermöglichten.

Mit Leuchtdichtemesskameras (engl. ILMD für Imaging Luminance Measuring Device) können – je nach Auflösung der verwendeten Sensoren – Millionen von Messwerten gleichzeitig erfasst werden. Das Ergebnis lässt sich als Bild mit verschiedenen Darstellungsoptionen gut visualisieren. Die Auswertung kann sehr vielfältig gestaltet werden und zu einem beliebigen Zeitpunkt während oder nach der Messung erfolgen. Dies sind wesentliche Vorteile einer Leuchtdichtemesskamera gegenüber den Leuchtdichtemessern (engl. LMD für Luminance Measuring Device). Letztere stellen nämlich nur einen Messwert je Messung bereit.

2 Grundlagen

Dieses Kapitel erläutert Grundlagen der Leuchtdichtemesskameras in grober Annäherung an den Normentwurf.

2.1 Was ist Leuchtdichte?

Von den vier Grundgrößen der Lichttechnik (Lichtstrom, Lichtstärke, Beleuchtungsstärke und Leuchtdichte) ist die Leuchtdichte bisher von der Lichttechnik bzw. Lichtmesstechnik immer etwas stiefmütterlich behandelt worden. Genau genommen ist die Leuchtdichte aber diejenige physikalische Größe, die den Helligkeitseindruck in guter Näherung beschreibt. Die Charakterisierung von Szenen über Leuchtdichten hat sehr oft einen engen Bezug zum visuellen Eindruck.

Die Leuchtdichte wird für einen Punkt auf einer (gedachten) Oberfläche und für eine von diesem Punkt ausgehende Richtung bestimmt. Sie beschreibt, wieviel Lichtstrom pro Flächenelement und pro Raumwinkelelement von einem kleinen Flächenelement um diesen Punkt in einen kleinen Raumwinkel um den Richtungsvektor emittiert wird (Abb. 1). (siehe auch Titelbild dieser LICHT-Ausgabe)

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2.2 Was ist eine Leuchtdichtemesskamera?

Eine Leuchtdichtemesskamera ist eine speziell konstruierte Kamera, die aus einem streulichtarmen Objektiv, einem Sensor und Elektronik besteht. (Abb. 2) Sie enthält einen speziellen Filter für die spektrale Anpassung des Gesamtsystems an die spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges für das Tagsehen V(λ).

Selbstverständlich muss sichergestellt werden, dass alle nichtidealen Effekte des optischen und des elektronischen Systems korrigiert werden. Dies kann entweder durch in die Kamera integrierte Firmware oder durch Software auf jenem Computer, der die Kamera für die Erfassung der Bilddaten ansteuert, umgesetzt werden. Zu den Korrekturen gehören z. B. das Dunkelsignal des Sensors, die Nichtlinearität und die richtungsabhängige Empfindlichkeit des Objektivs (auch Vignettierung genannt). Außerdem muss die Leuchtdichtemesskamera durch eine Justage und nachfolgende Kalibrierung auf internationale bzw. nationale Normale zurückgeführt werden, damit die die Leuchtdichtemessergebnisse in der Einheit cd/m² angegeben werden können. Bei der Justage werden verschiedene Faktoren berücksichtigt, wie z. B. aktuelle Sensortemperatur, Integrationszeit oder andere allgemeine Sensoreinstellungen. Diese Faktoren werden mit den bei der Aufnahme eines Leuchtdichtebildes erfassten Daten zusammengeführt. Durch diese Bilddatenkorrektur wird aus dem Kamerabild das finale Leuchtdichtebild.

2.3 Was misst eine Leuchtdichtemesskamera?

Wird mit einer Leuchtdichtemesskamera das Bild einer leuchtenden Oberfläche erfasst, so wird tatsächlich nicht direkt die Leuchtdichte bestimmt. Die Leuchtdichte kann für jeden Punkt der Oberfläche und von diesen Punkten aus in jede Richtung verschieden sein (Abb. 3). Die Leuchtdichtemesskamera erfasst aber nur das Licht, dass von der Szene durch das Objektiv in das System eintritt. Das kann gut mit der Funktionsweise des Auges verglichen werden. Auch das Auge bildet die beobachtete Szene über Iris und Linse auf der Netzhaut ab – ähnlich wie ein Objektiv mit einer Blende das Licht auf einem Sensor abbildet (Abb. 4). Es entsteht eine Projektion der Leuchtdichteverteilung als Bild auf dem jeweiligen Empfänger.

Für den relativ häufig auftretenden Fall, dass die Richtungsabhängigkeit der Leuchtdichte nicht sehr stark ausgeprägt ist, kann das eine gute Näherung für die Beschreibung der Leuchtdichteverteilung auf der beobachteten Oberfläche sein. In anderen Fällen muss bei der Auswahl der Kamera und bei den Aufnahmeverfahren das Wissen über die zu erwartende Richtungsverteilung der Leuchtdichte berücksichtigt werden.

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Das um die nichtidealen Effekte korrigierte und mit dem Kalibrierfaktor bewertete Ergebnisbild dieser Projektion wird Leuchtdichtebild genannt und liegt in der Regel maximal in der Auflösung des Kamerasensors vor.

2.4 Welches Aufnahmeverfahren wofür?

Damit eine Leuchtdichteaufnahme eine korrekte Bewertung zulässt, müssen alle relevanten Bildbereiche gut ausgesteuert sein. Es sollten keine überbelichteten Bildanteile auftreten und das Signal-Rauschverhalten muss ausreichend gut sein. Um die Leuchtdichtedaten einer Szene gemäß dieser Vorgaben zu erfassen, werden in der Regel mehrere Kamerabilder zu einem Leuchtdichtebild zusammengesetzt. Abb. 5 demonstriert dieses Vorgehen am Beispiel eines LED-Moduls.

Durch die Wahl des Aufnahmeverfahrens kann man auf die Zielstellung der Applikation eingehen. Will man weitgehend homogene Flächen vermessen, dann werden – um das Systemrauschen zu reduzieren – mehrere Kamerabilder mit gleichbleibender Integrationszeit erfasst und ausgewertet (Einzelaufnahme bzw. Mehrfachaufnahme). Bilder unterschiedlicher Integrationszeit werden hingegen miteinander kombiniert, um trotz hoher Kontraste den gesamten Kontrastumfang einer Szene im Leuchtdichtebild abbilden zu können. Dieses Verfahren wird als HighDyn oder HDR (High Dynamic Range) bezeichnet.

2.5 Typen von Leuchtdichtemesskameras

Im Entwurf zur DIN 5032-10:2019 [1] werden zwei Typen von Leuchtdichtemesskameras definiert:

  • Typ I: Leuchtdichtemesskameras ohne weitere geometrische Informationen. Hier werden die Auswertungen in der Regel visuell vorgenommen (manuelles Positionieren der Auswertebereiche) oder aber die Auswertungen werden über die gemessenen Leuchtdichten gesteuert (z. B. durch die Verwendung von Leuchtdichteschwellen).
  • Typ II: Zusätzlich zu den Leuchtdichteinformationen liegen für die einzelnen Pixel bzw. für das gesamte Leuchtdichtebild geometrische Informationen vor (z. B. Raumwinkelanteil pro Pixel, Winkelinformationen bezogen auf das Kamerakoordinatensystem oder geometrische Informationen bezogen auf das Objektkoordinatensystem). Derart kalibrierte Kameras werden z. B. bei der Erfassung von Daten im Bereich der Blendungsanalyse oder in Nahfeldgoniophotometern [3] eingesetzt.

3 Auswahlkriterien für Kameras

Bei der Auswahl einer Leuchtdichtemesskamera stellen sich in der Regel die folgenden Fragen:

  • Welche Auflösung in Pixel muss die Kamera zur Verfügung stellen?
  • Welchen Winkelbereich (FOV) soll die Kamera mit einer Aufnahme erfassen können?
  • Welcher Leuchtdichtebereich tritt in der Applikation auf und welche Leuchtdichten werden für die Auswertung benötigt?
  • Welche Kontraste müssen in einem Bild gemessen werden?
  • Welche Strahlungsfunktionen treten in der Applikation auf und hat dies Auswirkungen auf die geforderte Güte der spektralen Anpassung an die V(λ)-Funktion.
  • Wie hoch sind die Anforderungen an die Homogenität der Leuchtdichte im Bild?

Einige dieser Fragen (z. B. Auflösung des verwendeten Sensors) lassen sich einfach aus den Datenblättern der Leuchtdichtekameras ableiten. Bei anderen Fragestellungen sind genauere Messvorschriften zu beachten, die mit dem Entwurf zur DIN503210 [1] vorliegen.

4 Kennwerte

In Analogie zu DIN EN 13032-1:2012-06 [2] bzw. ISO/CIE 19476:2014-06 [4] für Beleuchtungsstärke- und Leuchtdichtemesser (LMD) werden im Entwurf zur DIN 5032-10 [1] Kennwerte für die Leuchtdichtemesskameras definiert. Jedem Kennwert sind Messvorschriften zugeordnet, die unter speziell festgelegten Randbedingungen zu einem Zahlenwert (inkl. der Angabe der Messunsicherheit) führen. Die Kennwerte haben folgende Eigenschaften:

  • Bezeichnung mit dem Symbol fx, wobei das x die Art des Kennwertes beschreibt
  • Definitionen und Beschreibungen zu den Randbedingungen für die Messung des Kennwertes
  • Angabe von was? in % (inkl. Messunsicherheit)
  • 0% für ideale Messsysteme????

Achtung: Kennwerte sind keine Fehler, auch wenn dies das Symbol und die historische Definition und Verwendung in den 1970er Jahren ggf. nahelegt. Nur unter speziellen Annahmen können diese Kennwerte zur Bestimmung der Messunsicherheit von Messungen bzw. zur Abschätzung von möglichen Korrekturfaktoren herangezogen werden. Im Folgenden soll anhand von drei Beispielen die Bestimmung von Kennwerten demonstriert werden:

4.1 Spektrale Anpassung

Der wohl bekannteste Kennwert aus DIN EN 13032-1:2012-06 [2] ist der Kennwert f1‚. Er beschreibt die Abweichung der relativen spektralen Empfindlichkeit von der V(λ) Funktion. f1‚ wird auf Basis der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) eines Messsystems definiert, die auf eine speziell festgelegte und gewichtete Art und Weise mit der Zielfunktion V(λ) verglichen wird.

Mit der Berechnung der normierten relativen spektralen Empfindlichkeit s*rel(λ) aus der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ):

Gl (1)

kann der Kennwert f1‚folgendermaßen bestimmt werden:


Gl (2)

f1‚ lässt keine Rückschlüsse auf die notwendige Korrektur für spezielle Strahlungsfunktionen zu, die in der Applikation notwendig sind. Gewisse Abhängigkeiten lassen sich aber ableiten, wie im Anhang C.3.5 von CIE S 025/E:2015 [5] demonstriert wird.

f1‚ wird für Leuchtdichtemesskameras genau so definiert wie bisher. Es ist aber zu beachten, dass der Hersteller des Messsystems die Eigenschaften seines Systems für das ganze Bildfeld realisieren muss und ggf. entsprechende Abhängigkeiten angeben sollte.

4.2 Orts- und richtungsabhängige Empfindlichkeit

Im Gegensatz zu Leuchtdichtemessern, die nur einen Messwert in ihrem definierten Messfeldwinkel liefern, muss bei Leuchtdichtemesskameras sichergestellt werden, dass die Messwerte überall im Bildfeld in der gleichen Art und Weise bestimmt werden. Für die Überprüfung dieser Anforderung wurde ein Messregionen-Raster mit 13 Bewertungsregionen (R1 bis R13) definiert (Abb. 6). Am Beispiel der ortsabhängigen Empfindlichkeit einer Leuchtdichtemesskamera soll dieses Verfahren demonstriert werden (siehe Abb. 7a und 7b).

Ähnlich wie bei einer Kalibrierung wird die Kamera auf ein Leuchtdichtenormal fokussiert, welches nur einen kleinen Bereich in der Bildmitte der Leuchtdichtemesskamera ausleuchtet.
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Für den Test der Homogenität mit Hilfe kleiner Lichtquellen kann die Kamera auf einem Goniometer so positioniert werden, dass die Eintrittspupille des Objektivs genau im Schnittpunkt der Goniometerachsen liegt. Durch Schwenken der Kamera kann das Leuchtdichtenormal nun so im Bild positioniert werden, dass dies der im Entwurf zur DIN 5032-10 [1] geforderten Anordnung entspricht. Die Positionen können nacheinander erfasst werden und werden dann zur Auswertung zu einem Gesamtbild zusammengesetzt (Abb. 7b). Für die 13 definierten Regionen kann die Kenngröße f22 (orts-/richtungsabhängige Empfindlichkeit bei Spotbeleuchtung) folgendermaßen bestimmt werden:

Gl. (3)

Die Messwerte sind dabei die Mittelwerte der Leuchtdichten in den eingezeichneten Regionen des zusammengesetzten Auswertebildes.

4.3 Streulicht für Negativkontrast

Für Anwendungen, bei denen in einem Bild helle und dunkle Bereiche bewertet werden müssen, ist das Streulicht im optischen System oft die limitierende Eigenschaft der Leuchtdichtemesskamera. Um diese Eigenschaft zu bewerten, wurde der Kennwert f24 (Streulichteinfluss bei Negativkontrast) eingeführt. Hierfür wird eine helle Fläche vermessen, die fast das gesamte Bildfeld ausfüllt. Im Inneren der hellen Fläche wird z. B. mit einer Blende oder einer Streulichtfalle ein (idealer) dunkler Bereich realisiert. Dieser dunkle Bereich soll etwa 1% der Bildfeldgröße entsprechen (Abb. 8). Aus dem Verhältnis der Leuchtdichte im dunklen Bereich, die im Wesentlichen durch Streulicht im optischen System der Leuchtdichtemesskamera entsteht, zur Leuchtdichte in der hellen Umgebung kann der Kennwert bestimmt f24 werden.

Die Gleichung für die Bestimmung des Kennwertes lautet:

Gl 4

Werden Objekte mit höheren Kontrasten und der gewählten Verteilung von hellen und dunklen Bildbereichen bewertet, dann werden mehrheitlich die Kameraeigenschaften und nicht direkt die Objekteigenschaften bewertet. Um derartige Objekte trotzdem betrachten zu können, müssen spezielle Verfahren zur Unterdrückung von Streulicht (per Hardware und/oder Software) einbezogen werden. Die zu erfassende Szene muss im Hinblick auf die Reduktion von Streulicht speziell gestaltet werden. Auch in diesem Fall ist der Kennwert nur ein Hinweis auf bestimmte Eigenschaften. Er kann in der Applikation nur begrenzt für die direkte Vorhersage von Abweichungen verwendet werden.

Anmerkung: Es werden im Entwurf zur DIN 5032-10 [1] nur die Kennwerte definiert und Hinweise zu deren Bestimmung gegeben. Es wird auf der Basis der Kennwerte keine Klasseneinteilung eingeführt, wie dies für Leuchtdichtemesser nach DIN 5032-7 [6] bzw. im kürzlich vorgestellten technischen Report CIE 231:2019 [7] der Fall ist. Die Eignung von Leuchtdichtemesskameras für bestimmte Applikationen muss durch die Festlegung der Grenzwerte einzelner Kennwerte beschrieben werden und kann derzeit nicht durch Klassen erfolgen.

5 Anwendung

Im Folgenden werden anhand einiger Beispiele Anwendungen von Leuchtdichtemesskameras aufgezeigt. Für den Vergleich der Applikationen werden die Anforderungen an die Leuchtdichtemesskameras in Form einer Anforderungsmatrix erläutert.

Anwendung

Geometrie
Typ I / II

Örtliche Auflösung

Spektrale Anpassung

Dynamik

Kontrast

Homogenität

Symbolmessung

I

++

+++

+++

Straßenbeleuchtung

I

++

+

+

++

Lichtverschmutzung

I/II

+

-/+

++

++

Indirekte LvK-Messung

II

-/+

++

+

+++

+++

Blendungsbewertung

II

+++

+

++

+

+

5.1 Symbolmessung

Anfang der 1990er Jahre wurden hinterleuchtete Symbole im Nachtdesign für Fahrzeuge in der Regel mit Leuchtdichtemessern analysiert, wobei der Bearbeiter das hinterleuchtete Symbol nach und nach manuell abrasterte, dann aus den erfassten Leuchtdichtemesswerten einen Mittelwert bestimmte sowie die Position und den Wert für die minimale bzw. maximale Leuchtdichte erfasste. Das war zeitaufwändig, fehleranfällig, sehr vom Bearbeiter abhängig und ließ sich nur schlecht dokumentieren. Durch die Einführung der Leuchtdichtemesskameras konnte die Messung stark verbessert werden. Die Messergebnisse ließen sich nun sehr gut dokumentieren und waren unabhängig vom Bearbeiter. Ein weiterer Vorteil ergab sich aus der Möglichkeit, die einmal erfassten Daten (Leuchtdichtebild) jederzeit erneut und ggf. mit anderen Schwerpunkten auswerten zu können.

Die Auswertung kann in Analogie zu einem Leuchtdichtemesser erfolgen, d. h. für die Bestimmung der minimalen bzw. maximalen Leuchtdichte in einem Symbol wird eine vorgegebene Spot-Größe verwendet und der Spot wird durch die Software automatisch in jede mögliche Position innerhalb des Symbols gelegt, um die Messwerte zu analysieren. Hierbei kann auch ein definierter Abstand zum Rand des Symbols eingestellt werden. Durch parametrierbare Algorithmen wird von der Software automatisch bestimmt, welche Bildpunkte im Leuchtdichtebild zum Symbol gehören und welche nicht.

Region 2

Mittelwert

Min

Max

Leuchtdichte / cd/m²

267

70

402

x-Position / Pixel

1129

1375

y-Position / Pixel

1382

1358

Homogenität (Min/Max)

17,4

Die Vermessung von kleinen Symbolen stellt hohe Anforderungen an die Messsysteme. Zum einen erfordern kleine Strukturen in der Regel hohe Auflösungen der Kamerasysteme, insbesondere, wenn ganze Instrumente mit vielen Symbolen gleichzeitig erfasst und ausgewertet werden sollen. Zum anderen muss die spektrale Anpassung der Systeme sehr exakt sein, damit die farbigen Symbole entsprechend der V(λ)Funktion richtig bewertet werden können.

5.2 Straßenbeleuchtung

Bei der Bewertung der Straßenbeleuchtung z. B. nach DIN EN 13032-1:2012-06 [8] muss die Leuchtdichte der Fahrbahn aus Sicht des Fahrers in einem Streckenabschnitt, der 60 bis 120 m vom Standpunkt des Beobachters entfernt ist, bestimmt werden. Hierzu werden die Straßenleuchtdichten in einem vorgegebenen Raster gemessen. Aus den Messwerten werden Mittelwerte (das Niveau) und Gleichförmigkeit bestimmt. Während so eine Messung mit Punktmessgeräten oft mehrere Stunden oder Tage in Anspruch nimmt, ist sie mit einer Leuchtdichtemesskamera mit überschaubarem zeitlichen und personellen Aufwand realisierbar und kann sehr gut dokumentiert werden,

Mit Hilfe der projektiven Entzerrung, einem Standardverfahren der digitalen Bildverarbeitung, kann man sozusagen aus der Vogelperspektive auf die Straße schauen und das geforderte Raster der Norm sehr einfach realisieren und auswerten (Abb. 14a).

Spalte/Zeile

S1cd/m²

S2cd/m²

S3cd/m²

S9cd/m²

S10cd/m²

LMaxcd/m²

LMincd/m²

LMittelcd/m²

U1

U0

6

3,5

3,06

1,95

2,02

2,02

3,8

1,89

1,99

0,498

0,559

5

1,8

1,95

1,29

1,33

1,34

2,23

1,2

0,538

4

1,7

1,96

1,57

1,6

1,74

2,02

1,57

0,777

3

1,5

1,67

1,81

1,82

2,13

2,13

1,5

0,708

2

1,1

1,3

1,61

1,81

2,28

2,28

1,11

0,488

1

1,4

2,11

2,92

3,26

3,83

3,83

1,37

0,358

Für die Dokumentation und ggf. weitere Auswertungen stehen dann sowohl das Original als auch das entzerrte Bild zur Verfügung.

Werden die Daten mit einem etwas anderen Blickwinkel erfasst, dann können die ortsaufgelösten Leuchtdichtemesswerte zur Bestimmung von Blendungskennzahlen (z. B. TI = Threshold Increment) verwendet werden.

k(Alter)

Adaptation

Schwelle

Größe

Summe

LS1

LS2

LS3

LS4

LS5

10

4,946

768

L(mittel) (cd/m²)

11480

6310

4072

3042

1634

Omega (sr)

220e-6

129e-6

38,7e-6

23,4e-6

15,2e-6

13,4e-6

Theta (°)

14,71

7,835

5,398

4,264

3,649

E(vert) (lx)

1,85

1,44

0,2419

0,09486

0,04596

0,02189

L(Schleier) (cd/m²)

0,18

0,067

0,0394

0,0325

0,0253

0,0165

TI-Wert (%)

3,26

1,2

0,713

0,589

0,458

0,298

Verändert man bei der Auswertung den Blickwinkel, so kann man ohne eine erneute Aufnahme feststellen, wie blickwinkelempfindlich TI ist. Dies wird an einem sogenannten TI-Bild demonstriert (Abb. 16). Im unteren mittleren Teil befindet sich der originale Blickwinkel für den die Auswertung nach Norm erfolgt ist.

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5.3 Blendungsbewertung

Eine weitere Anwendung, bei der sowohl die gemessenen Leuchtdichten als auch die örtlichen Beziehungen der Lichtquellen zueinander eine Rolle spielen, ist die Blendungsbewertung. Hier hat sich insbesondere das UGR-Verfahren durchgesetzt. Folgend wird kurz die Rolle der Leuchtdichtekamera bei der Blendungsbewertung beschrieben. Details der Blendungsbewertung und des UGR-Verfahrens im speziellen sind an entsprechender Stelle nachzulesen.

Als Basis für die UGR-Auswertung dient das Leuchtdichtebild, hier zum Beispiel ein Hörsaal, mit markierten Lichtquellen. Diese Lichtquellen werden zusammen mit den Positionen, die über die geometrische Kalibrierung der Kamera bekannt sind, in der Auswertung verwendet. Tabelle 5 verwendet den Positionsindex nach Guth und listet die Werte, die sich aus der Bildauswertung ergeben. Mit dem kürzlich erschienenen Technischen Report CIE 232:2019 [10] kann diese Art der Auswertung auch auf Leuchten mit sehr kleinen Lichtquellen erweitert werden.

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Messgröße

LQ1

LQ2

LQ3

LQ15

LQ16

LMittel (cd/m²)

23950

21270

23340

16220

22180

Omega (sr)

851e-6

980e-6

712e-6

250e-6

345e-6

Theta (°)

68,81

68,3

69,35

53,46

70,81

Positionsindex

26,75

29,4

24,7

8,581

20,97

5.4 Lichtverschmutzung

Lichtverschmutzung ist die ungewollte Abstrahlung von künstlichem Licht, die allgemein zur Aufhellung der Umgebung beiträgt. Dieses Licht beeinträchtigt die Tier- und Pflanzenwelt und kann das menschliche Wohlbefinden bzw. die Gesundheit stören (z.B. die circadianen Rhythmik oder die Tiefschlafphasen). Außerdem verhindert dieses Licht die Himmelsbeobachtung in der Nähe von Großstädten.

Die Auswirkungen dieser Reflexionen sind z. B. aus der Luft sehr gut visualisierbar bzw. auch quantitativ zu bewerten. Als Ergebnis dieser Analyse lassen sich jene Bereiche einer Stadt identifizieren, in denen die Lichtemission verringert werden muss (z.B. durch die Installation geeigneter Leuchten oder das Ausschalten von Werbe- und Fassadenbeleuchtung nach 22:00 Uhr).

5.5 Indirekte Bestimmung der Lichtstärkeverteilung

Die indirekte Bestimmung der Lichtstärkeverteilung ist für die Charakterisierung von Scheinwerfern ein etabliertes Verfahren. Mit dieser Methode lassen sich schnell und mit verhältnismäßig geringem messtechnischen Aufwand Kennwerte eines Scheinwerfers ermitteln. Abb. 20 zeigt dazu die Messanordnung.


Der Scheinwerfer (headlamp) rechts im Bild beleuchtet die Messwand (links im Bild). Durch ein spezielles Raumlayout wird das Streulicht im Raum möglichst geringgehalten, sodass man aus den mit Hilfe der Leuchtdichtemesskamera (ILMD, rechts im Bild unterhalb des Schweinwerfers) bestimmten Leuchtdichten auf der Messwand auf die Beleuchtungsstärken auf der Wand schließen kann. Das erfordert nicht nur eine Leuchtdichtekalibrierung der Kamera, sondern auch die Charakterisierung der Wand und der Raumeigenschaften. Weiterhin muss durch die Winkelkalibrierung der Kamera (Leuchtdichtemesskamera Typ II erforderlich) und entsprechender Transformationen die Zuordnung von Orten (x,y) auf der Wand in Richtungen (ϑ,ϕ) bzgl. des Scheinwerfer-Koordinatensystems erfolgen.

Die indirekte Lichtstärkemessung hat gegenüber einer direkten Lichtstärkemessung mit einem Goniophotometer zahlreiche Vorteile. Die Messung ist schneller, kann besser visualisiert werden und erfordert einen geringeren messtechnischen Aufwand. Eine Kombination von Goniophotometer und indirekter Lichtstärkeverteilungsmessung verbindet die höhere Messgenauigkeit der Goniophotometer im Bereich der dunklen Bereiche oberhalb der Hell-Dunkel-Grenze mit den Vorteilen der indirekten Lichtstärkeverteilungsmessung. Zudem lässt sich der Winkelbereich der Kameramessung durch die Bewegung des Messobjektes mit dem Goniometer erweitern [17].

6 Zusammenfassung

Der Normentwurf zu DIN 5032-10 [1] erläutert die Funktionsweise von Leuchtdichtemesskameras und deklariert die Kennzeichnung von Leuchtdichtemesskameras in weitgehender Analogie zu bisherigen Leuchtdichtemessern DIN5032-7 [6] beschrieben ist. Durch Anwendung dieser Norm können die Messvorschriften vielfältiger Applikationen, in denen die Leuchtdichtemesskameras schon heute unersetzlich sind, Anforderungen an die Leuchtdichtemesskameras z.B. in Sinne von EN13032-4 [11] bzw. CIE S 025:2015 [5] formulieren. Dies wird die Akzeptanz der Leuchtdichtemesskameras weiter verbessern und auch neue Anwendungsfelder erschließen.

7 Ausblick

Eine spezielle Anwendung von Leuchtdichtemesskameras sind Nahfeldgoniophotometer [12]. Mit diesen Messsystemen kann auf Basis der ortsaufgelösten Leuchtdichtemesstechnik in Verbindung mit einem Goniometer die Lichtstärkeverteilung einer Lichtquelle bestimmt werden und es können mit Hilfe der erfassten Leuchtdichtebilder sogenannte Strahlendaten zur Verfügung gestellt werden, die als Grundlage vieler Applikations- und Optikentwicklungen benötigt werden. Zeitgleich mit dem hier beschriebenen Normentwurf DIN 5032-10 [1] für Leuchtdichtemesskameras wird der Normentwurf DIN 5032-11: Nahfeldgoniophotometer: Messmethode und Geräteeigenschaften [3] erscheinen. In der weiteren Normung wird der Einsatz bildgebender Verfahren von Leuchtdichtemesskameras durch die ortsaufgelöste Farbmessung auf der Basis von Filterradkameras bzw. Hyperspektralkameras erweitert werden.

8 Literatur

[1]Entwurf 5032-10:2019: Lichtmessung – Teil 10: »Leuchtdichtemesskamera, Begriffe, Eigenschaften und deren Kennzeichnung«

[2]DIN EN 13032-1:2012-06: Licht und Beleuchtung – Messung und Darstellung photometrischer Daten von Lampen und Leuchten, Teil 1: Messung und Datenformat

[3]Entwurf DIN 5032-11:2019: Lichtmessung – Teil 11: Nahfeldgoniophotometer: Messmethode und Geräteeigenschaften

[4]ISO/CIE 19476:2014-06: Characterization of the Performance of Illuminance Meters and Luminance Meters, CIE S 023/E:2013

[5]CIE S 025/E:2015: Test Methods for LED Lamps, LED Luminaires and LED Modules

[6]DIN 5032-7:2017-02: Lichtmessung – Teil 7: Klasseneinteilung von Beleuchtungsstärke- und Leuchtdichtemessgeräten

[7]CIE 231:2019: CIE Classification System of Illuminance and Luminance Meters

[8]DIN EN 13032-1:2012-06: Licht und Beleuchtung – Messung und Darstellung photometrischer Daten von Lampen und Leuchten – Teil 1: Messung und Datenformat

[9]DIN EN 13201-2:2016-06: Straßenbeleuchtung – Teil 2: Gütemerkmale

[10]CIE 232:2019: Discomfort caused by glare from luminaires with a non-uniform source Luminance

[11]DIN EN 13032-4:2015-08: Licht und Beleuchtung – Messung und Darstellung photometrischer Daten von Lampen und Leuchten – Teil 4: LED-Lampen, -Module und -Leuchten

[12]Riemann, M.; Schmidt, F.; Poschmann, R.: Zur Bestimmung der Lichtstärkeverteilung von Leuchten innerhalb der fotometrischen Grenzentfernung mittels eines bildauflösenden Goniofotometers. LICHT 7/8 1993, S. 592 – 596

[13]Krüger, U.: Ausgewählte Aspekte der ortsaufgelösten Erfassung stationärer Licht- und Farbverteilungen, Der Andere Verlag, 2004

[14]Porsch, T., Funke, C., Schmidt, F., & Schierz, C. (2015). Measurement of the Unified Glare Rating (UGR) based on using ILMD. Manchester: CIE 216:2015, pp.745-750

[15]Porsch, T.; Schmidt, F.; Funke, C.; Schierz, C.: Ist eine objektive Beschreibung der Störempfindung bei künstlicher Beleuchtung möglich? LICHT 7/8 2015, S. 70–74

[16]Porsch, T.; Walkling, A.; Schmidt, F.; Schierz, C.: Measurement of the threshold increment (TI) in road lighting, based on unsing ILMD, Tagungsband »Lighting Quality and Energy Efficiency«, CIE x039:2014, S. 237–243. Kuala Lumpur, Malaysia

[17]Schwanengel, C.; Schmidt, F.; Reiners, T.; Diem, C.: Das Beste aus zwei Welten – Kombination von Goniophotometrie und digitaler Bildverarbeitung, Den Haag, Tagung LICHT 2016

Autor: Udo Krüger, TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH, Ilmenau, www.technoteam.de
Der Autor hat als Leiter des Arbeitskreises »Leuchtdichtemesskamera« im DIN-Ausschuss Photometrie FNL3 (NA058-00-03AA) seit 2009 an der Entstehung der vorgestellten Norm mitgewirkt. Parallel dazu wurden die Ergebnisse der deutschen Normungsarbeit auch in das Technical Commitee TC2-59 »Characterization of imaging luminance measurement devices (ILMDs)« der CIE eingebracht, das vom Autor seit 2007 geleitet wird. Sie werden wahrscheinlich noch in diesem Jahr als technischer Report der CIE veröffentlicht.

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 6 | 2019

Erschienen am 26. August 2019