Digitale bildgebende Verfahren: Beleuchtung



Dieses Kapitel beschäftigt sich mit Themen, die im Zusammenhang mit der Beleuchtung von Objekten (synonym für "von Gegenständen"), die betrachtet oder photographisch abgebildet werden sollen, von Bedeutung sind.

Photometrische Grundbegriffe

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Die Photonenmenge respektive Strahlungsmenge   (für Quantität) ist ein einheitenloses Maß für die Anzahl der Photonen mit einer bestimmten Energie (respektive mit einer bestimmten Wellenlänge oder mit einer bestimmten Frequenz). Der Photonenstrom   (Maßeinheit 1/s respektive Hertz (abgekürzt: Hz)) ergibt sich aus der in einer bestimmten Zeit   untersuchten Photonenmenge:

 

Bei Strahlung mit der Wellenlänge   respektive der Frequenz   ergibt sich die Photonenenergie   (Maßeinheit Joule (abgekürzt: J)) aus der Beziehung:

 ,

wobei   die für die Lichtgeschwindigkeit und   für das Plancksche Wirkungsquantum stehen.

Strahlungsleistung

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Die Strahlungsleistung   (auch Strahlungsfluss genannt, Maßeinheit Watt (abgekürzt: W)) ergibt sich bei monochromatischer Strahlung wiederum aus dem Produkt von Photonenstrom und der Energie eines einzelnen Photons.

 

Entsprechend ergibt sich für die Strahlungsenergie:

 

Lichtstrom

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Der Lichtstrom   ergibt sich aus der Multiplikation der elektromagnetischen Strahlungsleistung   mit dem entsprechenden wellenlängenabhängigen photometrischen Strahlungsäquivalent  :

 

Das photometrische Strahlungsäquivalent   hat die Maßeinheit Lumen pro Watt, so dass für den Lichtstrom die Maßeinheit Lumen (abgekürzt: lm, lateinisch: Leuchte) resultiert.

Bezogen auf die spektrale Empfindlichkeit der menschlichen Netzhaut müssen das farbige Tagesehen (photopisches Sehen) mit den Zapfen und das monochrome Nachtsehen (skotopisches Sehen) mit den Stäbchen unterschieden werden. Die entsprechenden photometrischen Strahlungsäquivalente sind in der DIN 5031 festgelegt: das photometrische Strahlungsäquivalent für das Tagsehen   beträgt 683 Lumen pro Watt, und das photometrische Strahlungsäquivalent für das Nachtsehen   beträgt 1699 Lumen pro Watt.

Mit der physiologischen, wellenlängenabhängigen und einheitenlosen Bewertungsfunktion des menschlichen Auges   (auch Hellempfindlichkeitskurve oder relativer spektraler Hellempfindlichkeitsgrad) ergibt sich für das Tagsehen:

 

Und für das Nachtsehen mit der entsprechenden Bewertungsfunktion  :

 

Die Photonenmenge   kann also als Funktion des Lichtstroms   ausgedrückt werden:

 

Bei grünem Licht (  = 550 Nanometer) mit einem Lichtstrom von einem Lumen sind in jeder Nanosekunde demzufolge rund vier Milliarden Photonen beteiligt.

Der Wirkungsgrad einer Lichtquelle kann durch das Verhältnis des Lichtstroms mit der für die Lichterzeugung aufgewendeten Leistung   beschrieben werden, das auch Lichtausbeute   genannt wird (Maßeinheit Lumen pro Watt):

 

Beleuchtungsstärke

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Verhältnisse bei emittierender Fläche  , emittiertem Raumwinkel   und projizierter Fläche  
 
Verhältnisse bei emittierender Fläche  , projiziertem Raumwinkel   und projizierter Fläche  

Wird ein Lichtstrom auf eine entsprechende definierte geometrische Fläche   projiziert, kann die Beleuchtungsstärke der Projektion   innerhalb dieser Fläche ermittelt werden:

 

Emittiert eine definierte geometrische Fläche   einen Lichtstrom, wird von der spezifischen Lichtausstrahlung   (also eigentlich eine Leuchtstärke) dieser Fläche gesprochen, die sich entsprechend berechnet:

 

Die Beleuchtungsstärke und die spezifische Lichtausstrahlung haben die Maßeinheit Lumen pro Quadratmeter, was meist mit der Maßeinheit Lux (lateinisch: Licht, abgekürzt: lx) abgekürzt wird.

Die Beleuchtungsstärke kann unmittelbar mit einem Messgerät mit definierter Messfläche, einem sogenannten Luxmeter, ermittelt werden.

Raumwinkel

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Der Raumwinkel   (Maßeinheit Steradiant, abgekürzt: sr, Kunstwort aus griechisch στερεό für Körper und lateinisch radiant für sie strahlen) ist ein Maß für die Ausdehnung eines flächenhaften Objektes in Winkelkoordinaten.

In der Astronomie wird der Raumwinkel häufig in der Maßeinheit Quadratgrad (abgekürzt: deg²) angegeben:

 

Raumwinkel eines Kreiskegels

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Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Raumwinkel Ω im Mittelpunkt einer Kugel, der Mantelfläche A eines Kugelsegments auf der Kugeloberfläche und dem Radius r der Kugel.

Der kanonische Raumwinkel eines geraden Kreiskegels   kann leicht aus dem Öffnungswinkel   oder aus dem Verhältnis der bestrahlten oder strahlenden, kreisrunden Mantelfläche eines Kugelsegments   zu ihrem Quadratradius   berechnet werden:

 

Siehe hierzu auch: Öffnungswinkel

Emittiert eine Lichtquelle in den gesamten Raumwinkel oder wird ein Punkt aus dem gesamten Raumwinkel beleuchtet (der Öffnungswinkel beträgt dann 360° beziehungsweise  ), dann ist der Wert des Raumwinkels   maximal, nämlich:

 

Die Radien der Kugelsegmente   und   können hierbei wie folgt aus dem Durchmesser der emittierenden Fläche   beziehungsweise aus dem Durchmesser der projizierten Fläche   und dem Abstand zwischen der ebenen Grundfläche und Scheitelpunkt des Kugelsegments   bestimmt werden:

 

beziehungsweise

 

Die Mantelflächen der dazugehörigen Kugelsegmente   und   ergeben sich dann zu:

 

beziehungsweise

 

Raumwinkel einer rechteckigen Pyramide

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Zum Raumwinkel einer Pyramide

Falls der Raumwinkel senkrecht zur optischen Achse nicht kreisrund, sondern rechteckig begrenzt ist, kann er mit den Pyramidengrundseiten   und   sowie der Pyramidenhöhe   berechnet werden:

 

Alternativ können auch die beiden senkrecht aufeinander stehenden Öffnungswinkel   und   verwendet werden, um den Raumwinkel zu berechnen:

 

Lichtstärke

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Soll die Emission von einer punktförmigen Lichtquelle oder die Beleuchtung eines Punktes beschrieben werden, wird in der Photometrie der Lichtstrom auf den Raumwinkel   des Punktes der Lichtemission beziehungsweise des Punktes des Lichteinfalls bezogen, so dass die Lichtstärke   mit der Maßeinheit Lumen pro Steradiant resultiert, die in der Regel durch die Maßeinheit Candela (lateinisch: Kerze, abgekürzt: cd) ausgedrückt wird:

 

Eine herkömmliche Haushaltskerze emittiert praktisch fast in den gesamten Raumwinkel   und hat eine Lichtstärke von zirka einem Candela. Der Lichtstrom   einer solchen Kerze beträgt somit:

 

Leuchtdichte

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Soll die Emission von einer flächenhaften Lichtquelle mit der Fläche   in den Raumwinkel   oder die Beleuchtung einer Fläche   aus dem Raumwinkel   beschrieben werden, wird in der Photometrie die Leuchtdichte   verwendet, die gemeinhin als Helligkeit interpretiert wird. Bei senkrechter Beobachtung der zu untersuchenden Fläche ergibt sich die Leuchtdichte mit der Maßeinheit Candela pro Quadratmeter beziehungsweise Lux pro Steradiant oder im englischsprachigen Raum auch abgekürzt mit Nit (vom lateinischen Verb "nitere", zu Deutsch "leuchten").

Für emittierende Flächen gilt:

 

Und für beleuchtete Flächen entsprechend:

 

Bei konstantem Lichtstrom innerhalb einer optischen Abbildung nimmt die Lichtstärke mit steigendem Abbildungsmaßstab zu, wohingegen die Beleuchtungsstärke mit steigendem Abbildungsmaßstab abnimmt. Siehe auch Abbildungsmaßstab.

Die Leuchtdichte ändert sich durch eine geometrischen Abbildung jedoch nicht, sie wird in der Regel jedoch durch die Absorption oder Zerstreuung in den dafür erforderlichen optischen Komponenten etwas vermindert. Die Invarianz der Leuchtdichte bei optischen Abbildungen wird mit Hilfe der folgenden Skizze deutlich:

 
Zur Invarianz der Leuchtdichte bei einer optischen Abbildung eines in den Raumwinkel   leuchtenden Objekts mit der Fläche   in der Objektweite   (Emitter, links) über eine kreisförmige Querschnittsfläche mit dem Durchmesser   in einen Raumwinkel mit einem Bild der Fläche   in der Bildweite   (Projektion, rechts).

Die Flächen von Emitter   (links) und Projektion P   (rechts) ergeben sich aus ihren quadratischen Flächen, die durch die Objektgröße   und die Bildgröße   bestimmt sind:

 
 

Die kreisförmige Querschnittsfläche   in der Hauptebene der optischen Abbildung (blau) ergibt sich aus deren Durchmesser  :

 

Damit können unter Berücksichtigung der Objektweite   und der Bildweite   die beiden entsprechenden Raumwinkel bestimmt werden:

 
 

Die Leuchtdichten des Emitters   und in der Projektion   lauten:

 
 

Der Lichtstrom   bleibt erhalten, wenn bei der optischen Abbildung kein Licht absorbiert wird.

Sowohl die Bildweite   als auch die Bildgröße   können durch den Abbildungsmaßstab   ausgedrückt werden, wenn dieser auf die Objektweite   und die Objektgröße   angewendet wird:

 
 

Eingesetzt für die Leuchtdichte in der Projektionsebene   ergibt sich schließlich:

 

Die Leuchtdichte in der Projektionsebene   ist also mit der Leuchtdichte des abgebildeten Objekts   identisch, und insbesondere ist die Leuchtdichte in der Projektionsebene unabhängig vom Abbildungsmaßstab  .

Aus der Beziehung zwischen zwei verschiedenen Leuchtdichten kann ein Kontrastwert bestimmt werden. Siehe auch Modulation.

Geometrischer Fluss

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Das Verhältnis aus Lichtstrom   und Leuchtdichte   wird manchmal auch als geometrischer Fluss   oder als Lichtleitwert bezeichnet:

 

Abstandsgesetz

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Das Verhältnis einer zusammenhängenden Teilfläche   der Kugeloberfläche zum Quadrat des Kugelradius   entspricht dem Raumwinkel   dieser Teilfläche, der von Mittelpunkt dieser Kugel umfasst wird, in der Maßeinheit Streradiant:

  beziehungsweise  

Die Oberfläche einer Kugel   ergibt sich aus:

 

Daraus folgt unmittelbar, dass die gesamte Kugel von ihrem Mittelpunkt aus gesehen den vollen Raumwinkel   von   Steradiant umfasst.

Wird eine beliebige Teilfläche   auf einer Kugel mit dem Radius   mit radialen Strahlen auf eine konzentrische Kugel mit doppeltem Radius   projiziert, ergibt sich, dass der Raumwinkel   erhalten bleibt, die projizierte Teilfläche auf der Kugel mit dem doppelten Radius jedoch vier Mal so groß ist wie die Teilfläche auf der Kugel mit dem einfachen Radius  .

Photometrische Größen, die sich geometrisch ausschließlich auf den Raumwinkel beziehen, sind für solche Teilflächen invariant, wie zum Beispiel die Lichtstärke  :

 

Diejenigen photometrischen Größen, die sich bei konstantem Raumwinkel   jedoch auf eine vom Radius   abhängige Fläche

 

beziehen, wie zum Beispiel die Beleuchtungsstärke  , verhalten sich bei verändertem Abstand von der Lichtquelle (und bei somit verändertem Radius) umgekehrt proportional zu den Teilflächen auf den jeweiligen Kugeloberflächen und gleichzeitig umgekehrt proportional zu den Quadraten der dazugehörigen Kugelradien. Dieser Sachverhalt wird durch das Abstandsgesetz beschrieben:

 

Belichtung

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Die Belichtung   ist ein Maß für die Beleuchtungsstärke   während der Belichtungszeit  . Im allgemeinen Fall mit zwischen den Zeitpunkten   und   variierender Beleuchtungsstärke ergibt sich das folgende Integral:

 

Die Maßeinheit der Belichtung ist demzufolge die Luxsekunde (abgekürzt: lx s).

Wenn die Beleuchtungsstärke zeitlich konstant ist, also

 ,

dann vereinfacht sich die Berechnung der Belichtung wie folgt:

 

Die Anzahl der Photonen   mit einer bestimmten Wellenlänge  , die während der Belichtung   auf die Fläche   fallen, ergibt sich dann wie folgt:

 

Beim Tagsehen kann bei einer Wellenlänge   von 555 Nanometern zum Beispiel   gewählt werden, so dass sich ergibt:

 

Beim Nachtsehen liegt das Empfindlichkeitsmaximum des menschlichen Auges bei einer Wellenlänge   von 507 Nanometern, so dass sich   ergibt:

 

Belichtungswert

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Im Zusammenhang mit der Photographie wird die Leuchtdichte   oft in einen einheitenlosen Belichtungswert   (nach DIN 19017) oder   (englisch: exposure value) umgerechnet. Mit dem Belichtungswert als Exponent der Basis 2 kann die Leuchtdichte auf eine Referenzleuchtdichte   bezogen werden:

 

Die Referenzleuchtdichte ergibt sich aus einer empirisch zu ermittelnden Konstante  , die je nach Messverfahren beziehungsweise Vorzugswerten zwischen 10,6 und 16,9 (oft 12,5 oder 14,0, nach DIN 19017 13,3 bis 16,9) Candelasekunden pro Quadratmeter liegt:

 

Sie bezieht sich heute auf eine Belichtungszeit   von einhundert Sekunden (früher eine Sekunde):

 
mit
 

Somit beträgt die entsprechende Referenzleuchtdichte je nach Messverfahren:

 

Die Leuchtdichte   kann auch mit der am Objektiv einer Kamera gegebenen beziehungsweise eingestellten Blendenzahl   (siehe auch Abschnitt Blendenzahl) und der Belichtungszeit   bestimmt werden:

 

  steht hierbei für den maßeinheitenlosen Belichtungsindex (englisch: exposure index, E.I.), der typischerweise mit den ISO-Hauptwerten …, 50, 100, 200, 400, … oder auch Zwischenwerten angegeben wird und der auf eine verwendete Filmempfindlichkeit beziehungsweise eine äquivalente Bildsensorempfindlichkeit abgestimmt werden kann. Der Belichtungsindex ist umgekehrt proportional zur Belichtung   und ist unabhängig von den Eigenschaften des verwendeten Films oder Bildsensors. Als Bezugswert für die Belichtung   wird nach ISO 2721 ein Wert von 10 Luxsekunden angenommen:

 

Die Leuchtdichte   kann daher auch wie folgt zeitunabhängig über die oben definierte Beleuchtungsstärke   (trotz des ähnlichen Formelzeichens nicht zu verwechseln mit dem einheitenlosen Lichtwert des APEX-Systems   oder dem einheitenlosen Belichtungswert  ) berechnet werden:

 

Ferner können natürlich auch die erforderliche Belichtungszeit t oder die erforderliche Blendenzahl k ermittelt werden, wenn alle anderen Parameter bekannt sind:

 
 

Der Belichtungswert   kann wie folgt aus der ermittelten Leuchtdichte   oder bei maximal ausgenutzter Leuchtdichte aus den Aufnahmeparametern berechnet werden:

 

Und entsprechend:

 
 
 

APEX-System

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Die einheitenlosen Leitwerte des APEX-Systems sind wie folgt definiert (vergleiche hierzu auch die ehemalige Norm DIN 19017, die ISO 2720 sowie das APEX-System (Additive System of Photographic Exposure)):

Der Blendenleitwert (englisch: aperture value):

 

Der Zeitleitwert (englisch: time value) wird auf eine Sekunde bezogen:

 

Der Lichtwert (englisch: exposure value, nicht zu verwechseln mit Beleuchtungsstärke   oder dem Belichtungswert  ):

 

Der Empfindlichkeitsleitwert (englisch: sensitivity value):

 

Der Helligkeitsleitwert   (englisch: brightness value, umgangssprachlich auch "Helligkeitswert"):

 

Und entsprechend:

 
 
 

Beziehungsweise:

 
 

Astronomie

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Wenn ein Stern den Lichtstrom   erzeugt, wird dessen Licht in der Regel in den gesamten Raum emittiert. Die Lichtstärke des Sterns   ergibt sich somit zu:

 

Wird der Stern mit einem Teleskop der Öffnungsweite   beobachtet, dann tritt nur ein winziger Bruchteil der Strahlung in das Teleskop mit der Querschnittsfläche  :

 

Der sehr kleine objektseitige Raumwinkel  , den ein solches Teleskop vom Stern erfasst, der sich in der Entfernung   befindet, ergibt sich zu:

 

Der Anteil des Lichtstroms  , der vom als punktförmig angenommenen Stern in das Teleskop eintritt, ergibt sich dann folgendermaßen:

 

Der bildseitig erfasste Raumwinkel   ergibt sich aus der Brennweite des Teleskops  , da ein Stern wegen seiner sehr großen Entfernung in die Brennebene abgebildet wird:

 

Somit ist die Lichtstärke   im Brennpunkt des Teleskops:

 

Aus dem Lichtstrom   im Teleskop kann dann mit dem bildseitig erfassten Raumwinkel   die Leuchtdichte   des Sterns in einem Flächenelement   der Bildebene des Teleskops berechnet werden:

 

In der Bildebene verteilt sich das Licht des Sterns fast vollständig auf das Beugungsscheibchen mit dem Durchmesser   und der Fläche  :

 
 

Somit ergibt sich für die durch den Stern verursachte Leuchtdichte   des Sterns:

 

Die Leuchtdichte hängt also nur vom im Teleskop erfassten Lichtstrom   der beobachteten Sterne ab, welcher proportional zur Fläche der Apertur des Objektivs ist.

Für die visuelle Beleuchtungsstärke   in der Bildebene gilt entsprechend:

 

Je kürzer die Brennweite   und je größer die Öffnungsweite   sind, desto größer ist also die Beleuchtungsstärke   im Beugungsscheibchen des Brennpunkts:

 

Scheinbare Helligkeit

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In der Astronomie wird die Beleuchtungsstärke in der Regel als die scheinbare (visuelle) Helligkeit   mit der Maßeinheit "Magnitude" (Größenklasse, abgekürzt mit "mag" oder mit einem hochgestellten "m") angegeben.

Ein astronomisches Objekt in Richtung der optischen Achse mit der scheinbaren visuellen Helligkeit   bewirkt in der senkrecht dazu stehenden Bildebene in der Bildmitte die Beleuchtungsstärke:

 

Anhand der Basis   wird deutlich, dass sie die Beleuchtungsstärke verhundertfacht, wenn die scheinbare Helligkeit um fünf Magnituden abnimmt:

 

Damit glit dann:

 

Kleine scheinbare Helligkeiten verursachen also eine größere Beleuchtungsstärke als große scheinbare Helligkeiten. Besonders helle Objekte wie die Sonne, der Mond, der Planet Venus oder der hellste Stern des Nachthimmels, Sirius, erreichen sogar negative scheinbare Helligkeiten.

Umgekehrt kann auch die scheinbare visuelle Helligkeit aus der Beleuchtungsstärke berechnet werden:

 

Beleuchtungsstrahlengänge

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Ein Objekt (Gegenstand) muss beleuchtet werden, damit er mit einem Objektiv abgebildet werden kann. Der entsprechende Strahlengang mit einem Leuchtmittel (gegebenenfalls einem Reflektor zur Ausnutzung des rückwärtig abgestrahlten Lichts) und meist auch einem Kondensor zur Bündelung der beleuchtenden Strahlen heißt Beleuchtungsstrahlengang. Im Gegensatz dazu wird bei der Abbildung des Objekts mit einem Objektiv vom Abbildungsstrahlengang gesprochen. Die beiden Strahlengänge können, wie zum Beispiel bei Projektoren üblich, verkettet werden (siehe auch Kapitel Projektoren).

Kondensor

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Prinzip eines Kondensors: die Lichtquelle befindet sich im Brennpunkt des Kollektors Fkoll im Abstand fkoll von der Hauptebene Hkoll, der Wärmefilter W absorbiert die Wärmestrahlung der Lichtquelle und wird durch den kühlenden Luftstrom von oben (blau) nach unten (rot) gekühlt, und das Kondensorelement mit der Hauptebene Hkond bündelt den Beleuchtungsstrahlengang in den Abbildungsstrahlengang rechts vom Kondensor.

In Beleuchtungsstrahlengängen können einfache Kollektoren eingesetzt werden, um wie mit einem optisch korrigierten Kollimator eine punktförmige Lichtquelle ins Unendliche abzubilden. Ein nachfolgender lichtsammelnder Kondensor kann im sich anschließenden konvergenten Strahlengang ein Objekt beleuchten und in der Hauptebene des Abbildungsstrahlengangs ein Bild der Lichtquelle erzeugen. Das zu beleuchtenden Objekt wird in der Regel dicht hinter die Kondensorlinse gebracht.

Die optische Güte solcher Kollektoren und Kondensoren muss in der Regel nicht übermäßig groß sein, so dass diese relativ kostengünstig hergestellt werden können, wie zum Beispiel mit plankonvexen Linsen. Oft werden zwei solche plankonvexe Linsen verwendet, deren ebene Flächen nach außen gewandt sind, also mit den Scheitelpunkten der konvexen Flächen in der Mitte einander zugewandt. Zur Optimierung des Kondensors wird für den Kollektor häufig eine asphärische Linse verwendet.

Zwischen der Kollektor- und der Kondensorlinse befindet sich bei Lichtquellen, die auch im infraroten Wellenlängenbereich emittieren, zur Vermeidung von Wärme im nachfolgenden Abbildungsstrahlengang und im zu beleuchtenden Objekt häufig noch eine planparallele Platte mit wärmestrahlungsabsorbierenden Eigenschaften, die durch einen quer zur optischen Achse verlaufenden Luftstrom gekühlt werden kann, oder eine Küvette mit einer entsprechenden Flüssigkeit, die zum Beispiel in einem Kühlkreislauf kontinuierlich ausgetauscht wird.

Durchlicht

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Beleuchtung durch Transmission

Der verkettete Strahlengang kann zur Beleuchtung und Bildaufnahme von durchsichtigen Objekten in Transmission eingesetzt werden, wie zum Beispiel bei der Hellfeldmikroskopie.

Auflicht

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Beleuchtung durch Reflexion mit teildurchlässigem Spiegel
 
Helligkeit im Objektiv beziehungsweise im Bild des Objektes bei Beleuchtung mit teildurchlässigem Spiegel in Abhängigkeit vom Transmissionsgrad   des Spiegels

Das Licht des Beleuchtungsstrahlengangs wird mit dem Transmissionsgrad   des teildurchlässigen Spiegels hindurchgelassen und mit dem komplementären Wert   auf das Objekt reflektiert. Das Licht des Objektstrahlengangs wird ebenfalls mit dem Transmissionsgrad   des teildurchlässigen Spiegels hindurchgelassen, so dass für den verketteten Strahlengang insgesamt der folgende Transmissionsgrad   resultiert:

 

Die maximale Helligkeit ergibt sich dann aus der folgenden Bedingung:

 

Daraus folgt das Maximum bei  , und für die maximale Transmission   im verketteten Strahlengang gilt dann:

 

Bei der Auflichtmikroskopie wird das Objekt meist von mehreren Seiten außerhalb des Bildwinkels oder bei verketteten Strahlengängen mit Hilfe von teildurchlässigen Spiegeln beleuchtet, und die am aufzunehmenden Objekt reflektierten Strahlen tragen in diesem Fall zur Bildgebung bei. In der Photographie werden zur Beleuchtung häufig Scheinwerfer oder Blitzlichter eingesetzt. Für Nahaufnahmen gibt es Klammer- oder Ringblitzgeräte, die außerhalb des Bildfeldes aber dennoch nahe am aufnehmenden Objektiv angebracht werden können.

Streuung

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Beleuchtung durch Diffusion (Streuung)

Anders verhält es sich bei seitlicher Beleuchtung, wenn keine hindurchgelassenen oder reflektierten Strahlen zur Abbildung beitragen, sondern das Streulicht des aufzunehmenden Objekts verwendet wird, wie zum Beispiel in der Dunkelfeldmikroskopie oder bei optischen Computermäusen, die die Arbeitsfläche beleuchten und das Bild des Streulichts der Arbeitsfläche auswerten. Je nachdem wie groß die Streuzentren im Verhältnis zur Wellenlänge des verwendeten Lichtes sind, ergeben sich verschiedene Möglichkeiten der Streuung, von denen die wichtigsten in der folgende Tabelle dargestellt sind:

Streuung von Licht
Art der Streuung Anwendungsfall Beschreibung
Raman-Streuung Wellenlänge deutlich größer als das Streuobjekt Streuung an Molekülen oder Atomen durch Wechselwirkung mit den Elektronenhüllen
Mie-Streuung Wellenlänge in der Größenordnung des Streuobjektes Komplexe Verteilung des gestreuten Lichtes
Lichtbrechung in Kugel Wellenlänge deutlich kleiner als das Streuobjekt Vorwärtsstreuung in der Regel stärker als Rückwärtsstreuung
Thomson-Streuung Streuung an freien Elektronen Elastische Stöße zwischen Photonen und Elektronen mit Verlängerung der Photonenwellenlänge

Bei der Raman-Streuung können drei Fälle unterschieden werden:

Raman-Streuung
Art der Streuung Beschreibung
Rayleigh-Streuung Wellenlänge, Kohärenz und Photonenenergie bleiben erhalten; Vorwärtsstreuung bei langwelligem Licht, Rückwärtsstreuung bei kurzwelligem Licht
Stokes-Streuung Wellenlänge wird größer (Verschiebung nach rot); ein Teil der Photonenenergie wird an das Streuobjekt abgegeben
Anti-Stokes-Streuung Wellenlänge wird kleiner (Verschiebung nach blau); die zusätzliche Photonenenergie wird vom Streuobjekt aufgenommen

Lichtquellen

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Photographisch aufgenommenes Sonnenlichtspektrum.

Als Lichtquellen werden im Allgemeinen sehr helle Leuchtmittel verwendet, wie zum Beispiel Kohlebogenlampen, Halogenmetalldampflampen oder Hochleistungs-Leuchtdioden. Da die Projektionen meist von Menschen betrachtet werden, die weißes Licht von thermischen Strahlern gewohnt sind, ist es hierbei wichtig, dass das weiße Lichtspektrum ungefähr dem kontinuierlichen Sonnenlichtspektrum entspricht.

Sichtbare Spektrallinien, wie sie bei Leuchtdioden oder Niederdruck-Gasentladungslampen auftreten, können hierbei als sehr störend empfunden werden und werden daher mit Leuchtstoffen verändert und verbreitert. Diese Leuchtstoffe verändern dabei gegebenenfalls auch die Wellenlänge des einfallenden Lichtes, um ein mehr oder weniger kontinuierliches Spektrum zu erzeugen. Bei getakteten Lichtquellen, bei denen zu einem Zeitpunkt immer nur innerhalb eines begrenzten Längenwellenbereichs beleuchtet wird (Drehscheiben mit Farbsegmenten oder nacheinander ein- und ausgeschaltete Leuchtdioden oder Laser) können nicht nur fluoreszierende (kurzes Nachleuchten), sondern auch phosphoreszierende Leuchtstoffe (langes Nachleuchten) eingesetzt werden, um für menschlichen Betrachter eine bessere Farbmischung hervorzurufen.

Manche Menschen können selbst bei mehreren Dutzend Farbwechseln pro Sekunde in bestimmten Situationen (zum Beispiel an kontrastreichen Kanten oder sich schnell bewegenden Bildern) die verschiedenen Einzelfarben unterscheiden, so dass es bei der Wahrnehmung zum sogenannten Regenbogeneffekt kommt.

Lichtspektren

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Je nach Erzeugungsart des Lichtes gibt es eine Reihe von typischen Merkmalen der dazugehörigen Lichtspektren. Diese Spektren enthalten häufig unsichtbare Anteile im Ultravioletten (unterhalb von 380 Nanometern) oder im Infraroten (oberhalb von 780 Nanometern). Im folgenden werden einige häufig auftretende Lichtspektren qualitativ erläutert.

Laser erzeugen monochromatisches Licht, dessen Verteilung sich durch eine sehr geringe Bandbreite auszeichnet.

Leuchtdioden

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Leuchtdioden erzeugen monochromatisches Licht, dessen Verteilung sich durch eine geringe Bandbreite von typischerweise 20 bis 40 Nanometern auszeichnet. Je heißer die Leuchtdiode im Betrieb ist, desto breiter wird die Spektrallinie. Je nach Kühlung der Leuchtdiode kann diese Bandbreite begrenzt oder sogar herabgesetzt werden.

Die Farbe von Leuchtdioden hängt vom verwendeten Halbleiter ab, und die verfügbaren Wellenlängen liegen im Bereich zwischen 200 und 1000 Nanometern. Bei der Wellenlänge um 555 Nanometer, im Grünen, bei der die Sonne ihre maximale Emissionsintensität erreicht, ist der Wirkungsgrad der im Markt angebotenen Leuchtdioden nur relativ gering ("green gap"). Daher ist es schwierig, helle Lichtquellen mit den drei Primärfarben rot, grün und blau mit Leuchtdioden zu kombinieren. Aus diesem Grund ist es üblich, die grünen Anteile in einem Lichtspektrum, das ausschließlich mit Leuchtdioden erzeugt werden soll, durch die Kombination einer hellen blauen Leuchtdiode mit einem orange oder gelb leuchtenden Leuchtstoff zu generieren.

Leuchtstoffe

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Leuchtstoffe, die eine Lumineszenz zeigen, erzeugen je nach chemischer Zusammensetzung der beteiligten Farbstoffe verschiedene Lichtspektren, die meist einen größeren Wellenlängenbereich umfassen. Die Farbstoffmoleküle des Leuchtstoffes werden durch Licht bestimmter Wellenlänge angeregt und emittieren bedingt durch inelastische Verluste innerhalb der Moleküle Photonen größerer Wellenlänge (Stokes-Lumineszenz).

Besteht die Anregung der Farbstoffmoleküle nur für kurze Zeit, wird von Fluoreszenz gesprochen. Hier finden sowohl die Anregung als auch die Emission meist innerhalb von Mikrosekunden über erlaubte Übergänge in den Elektronenniveaus statt. Die Bezeichnung leitet sich vom chemischen Stoff Calciumfluorit (CaF2) ab, das im Mineral Fluorit (auch Flussspat)) enthalten ist, bei welchem dieser Effekt häufig durch blaues Leuchten beobachtet werden kann, wenn es mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird.

Geben die Elektronen ihre Anregungsenergie indirekt ab, dauert der Vorgang deutlich länger und kann stundenlang anhalten. In diesem Fall wird von Phosphoreszenz gesprochen. Der Name leitet sich vom chemischen Element Phosphor ab, bei dem ein solcher Effekt beobachtet werden kann, der allerdings auf der Aktivierung chemischer Reaktionen beruht. Dennoch hat sich der Begriff Phosphoreszenz allgemein für den Effekt des langen Nachleuchtens von Stoffen etabliert.

Leuchtstoffe können also auch durch ultraviolettes Licht zum Leuchten im sichtbaren Bereich angeregt werden. Solche Farbstoffe werden beispielsweise eingesetzt, um weißes Papier oder weiße Textilien im Sonnenlicht heller erscheinen zu lassen. Der ultraviolette Anteil im Sonnenspektrum wird durch geeignete Farbstoffe (Aufheller) in sichtbare Anteile umgewandelt. Im Extremfall kann der von einer solchen Oberfläche reflektierte sichtbare Lichtstrom   sichtbaren Lichts sogar stärker sein, als der sichtbare Lichtstrom der zur Beleuchtung verwendeten Lichtquelle, da die elektromagnetischen Strahlungsleistung   unsichtbare Anteile enthält, die in sichtbare Anteile umgewandelt werden.

Wird eine Lichtquelle, die im Blauen oder Ultravioletten kurzwellig emittiert, mit einem geeigneten Leuchtstoff kombiniert, der bei einer längeren Wellenlänge luminesziert, so entsteht ein Lichtspektrum dass auch längere sichtbare Wellenlängen enthält und einem menschlichen Beobachter dann je nach Leuchtstoff mehr oder weniger weißlich erscheinen kann. Dieses Prinzip wird bei zahlreichen Leuchtmitteln für die Beleuchtung von Räumen oder auch für Projektoren und Taschenlampen angewendet. Als Lichtquelle werden hierfür sehr häufig leistungsstarke, im Blauen emittierende Leuchtdioden verwendet.

Für sehr lichtstarke Leuchtmittel werden zunehmend auch im Blauen emittierende Laser verwendet. Die Leistungsdichte im Leuchtmittel kann dann allerdings so groß sein, dass es nach einer gewissen Benutzungsdauer zu einer Beeinträchtigung oder gar der Zerstörung des Leuchtstoffes oder seines Trägermaterials kommen kann. Falls die Energiedichte so groß werden kann, dass eine thermische Beeinträchtigung des Leuchtstoffes droht, besteht die Möglichkeit, die im Leuchtstoff deponierte Energie räumlich zu verteilen, indem der Leuchtstoff auf einen beweglichen Träger aufgebracht und dieser während der Lichterzeugung bewegt wird, wie zum Beispiel mit einer rotierenden Trägerscheibe.

Wenn das Lichtspektrum des Leuchtmittels zeitlich nicht konstant sein muss oder soll, können trotz konstanter Beleuchtung durch die Lichtquelle bei beweglichen Leuchtstoffträgern mehrere nebeneinanderliegende Leuchtstoffe mit verschiedenen Eigenschaften kombiniert werden.

Gasentladungen

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Gasentladungen erzeugen ein diskretes Lichtspektrum mit mehreren Spektrallinien, die den Energieniveaudifferenzen der Gasatome oder Gasmoleküle entsprechen. Je heißer das leuchtende Gas ist, desto breiter werden die Spektrallinien.

 
Gewinnung des Wasserstoffemissionsspektrums mit einem optischen Prisma: Die Lichtquelle auf der linken Seite mit zum leuchten angeregtem Wasserstoff wird über eine Sammellinse in einen Spalt abgebildet. Der Spalt wird durch eine Kollimatorlinse nach Unendlich abgebildet, und diese Strahlen werden durch ein Dreiecksprisma geschickt. Dieses Prisma spaltet das einfallende Licht je nach Wellenlänge in verschiedene Richtungen auf (Dispersion); rotes, langwelliges Licht wird schwächer abgelenkt als violettes, kurzwelliges Licht. Mit einer weiteren Linse werden die fünf sichtbaren Spektrallinien der Balmer-Serie auf einen Schirm (rechts unten) abgebildet, wo sie in der geometrischen Form des Spalts erkennbar werden.
 
Der sichtbare Bereich des Wasserstoffspektrums mit den Linien der Balmer-Serie. Die Wellenlängen des emittierten Lichtes werden von links (violett) nach rechts (rot) immer größer, die Frequenzen immer kleiner. Solche Lichtspektren können beispielsweise durch die Brechung von Licht, das aus einer Lichtquelle stammt, an einem Prisma gewonnen werden (siehe Bild darüber). Je nach wellenlängenabhängigem Brechungsindex (Dispersion) des optischen Glases, aus dem das Prisma besteht, ergeben sich für verschiedene Wellenlängen unterschiedliche Brechungswinkel.

Solche Gasentladungslampen können verwendet werden, um farbiges Licht zu erzeugen. Hierbei werden oft Edelgase, wie Neon oder Krypton, oder Metalldämpfe verwendet, wie zum Beispiel Quecksilber oder Natrium.

Findet die Gasentladung in einem durchsichtigen Gefäß statt, das mit einem Leuchtstoff beschichtet ist, können die kurzwelligen Lichtteilchen der Gasentladung eingesetzt werden, um im Leuchtstoff längerwellige Photonen zu generieren. Je nach Abstimmung zwischen dem Gasentladungsspektrum und dem Emissionsspektrum des Farbstoffes können die spektralen Lichtverteilungen in einen sehr großen Bereich variiert und angepasst werden. Dieses Prinzip wird bei herkömmlichen Leuchtstofflampen angewendet.

Bei Hochdruckgasentladungslampen befindet sich der Metalldampf (meist Quecksilber oder Natrium) während des Betriebs unter hohem Druck in einem Glaskolben, wobei während der Gasentladung hohe Temperaturen herrschen. Die Spektrallinien der Atome sind daher stark verbreitert, und hierdurch entsteht ein quasi-kontinuierliches Spektrum, so dass zur Erzeugung von weißlichem Licht auf den Einsatz von zusätzlichen Leuchtstoffen verzichtet werden kann.

Bei Höchstdruckgasentladungslampen befindet sich das Gas (meist Argon oder Xenon) bereits bei Zimmertemperatur unter einem hohen Druck in einem dickwandigen Glaskolben. Wird die Gasentladung gezündet, steigt dieser Druck während des Betriebs noch weiter an und erreicht unter Umständen mehrere hundert Bar. Die Spektrallinien sind in diesem Fall so stark verbreitert, dass das resultierende Lichtspektrum dem kontinuierlichen Spektrum der Sonne recht ähnlich kommt. Ferner haben Höchstdruckgasentladungslampen in der Regel nur eine lichtemittierende Fläche von wenigen Quadratmillimetern, so dass sie als gute Annäherung an eine Punktlichtquelle verwendet werden können, was beispielsweise in Beleuchtungsstrahlengängen mit einem Kollimator wünschenswert ist. Höchstdruckgasentladungslampen werden daher sehr häufig in Projektoren mit hohem Lichtstrom eingesetzt.

Schwarze Körper

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Schwarze Körper reflektieren kein Licht, sondern emittieren nur aufgrund ihrer Körpertemperatur Photonen. Das Licht hat eine kontinuierliche Verteilung, und sehr große Teile des kontinuierlichen Spektrums liegen im Infraroten. Der Wirkungsgrad für sichtbares Licht von glühenden Leuchtmitteln aus Festkörpern (in der Regel werden in einem evakuierten Glaskolben wegen des hohen Schmelzpunktes Drähte aus Wolfram verwendet) ist daher sehr gering und liegt typischerweise im Bereich von 5 bis 10 Prozent. Auch die Sonne ist näherungsweise ein Schwarzer Körper mit einem kontinuierlichem Spektrum, dessen maximale Intensität bei 555 Nanometern liegt. Das gleiche gilt für die Anoden von Kohlebogenlampen, die sich durch den Beschuss mit Elektronen aus dem Lichtbogen stark aufheizen und dadurch zum Leuchten angeregt werden.

Durch Hinzufügung eines Halogens, wie zum Beispiel Iod oder Brom, kann das Metallgas in einer Glühlampe stabilisiert werden. Bei dem im Betrieb einsetzenden Wolfram-Halogen-Kreisprozess schlägt sich das unvermeidlich verdampfende Wolfram des Glühdrahtes dann nicht auf der Innenseite des Glaskolbens nieder, sondern auf dem heißen Wolframdraht. Die entsprechenden Leuchtmittel werden als Halogenlampen bezeichnet und haben eine größere Lebensdauer und einen höheren Wirkungsgrad als herkömmliche Wolframdrahtlampen.

Divergenz

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Geometrische Divergenz

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Zur geometrischen Divergenz

Ohne Berücksichtigung von Beugungseffekten breiten sich die Randstrahlen eines Strahlenbündels vom Ursprung ( ,  ) entlang der optischen z-Achse geradlinig aus (siehe Abbildung). In diesem Fall kann die geometrische Divergenz des Strahlenbündels   mit HIlfe eines an der Stelle   gemessenen Strahlradius   wie folgt angegeben werden (die Näherung gilt für kleine Divergenzwinkel im Bogenmaß):

 

Gaußsche Divergenz

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Zur Gaußschen Divergenz

Bei kleinen Strahldurchmessern muss die Beugung berücksichtigt werden. Das Strahlprofil ist hierbei nicht mehr scharf begrenzt, sondern bildet ein Gaußsches Profil (Glockenkurve) mit dem Maximum der Lichtintensität auf der optischen Achse. Dies bedeutet jedoch, dass der Strahl senkrecht zur Ausbreitungsrichtung unendlich ausgedehnt ist. Für mathematische Berechnungen wird üblicherweise der Randstrahl verwendet, bei dem die Amplitude der Lichtwelle mit der Wellenlänge   um den Faktor   beziehungsweise bei dem die Intensität um den Faktor   abgenommen hat.

Befindet sich die engste Stelle eines Strahlenbündels, die sogenannte Strahltaille mit dem Durchmesser  , im Ursprung eines Zylinderkoordinatensystems ( ) und breitet sich das Licht in Richtung der optischen z-Achse durch ein Medium mit der Brechzahl   aus (siehe Abbildung), heißt die Länge entlang der optischen Achse, bei der der Lichtstrahl die doppelte Querschnittsfläche beziehungsweise das Wurzel-2-fache des Durchmessers der Strahltaille erreicht hat, Rayleigh-Länge  :

 

Daraus ergibt sich die Gaußsche Divergenz   für paraxiale Strahlen:

 

Im Fernfeld (also für  ) vereinfacht sich diese Beziehung zu:

 

Falls die Wellenlänge hinreichend klein gegenüber dem Durchmesser der Strahltaille ist (also für  ) und   im Bogenmaß bestimmt ist, vereinfacht sich diese Gleichung noch weiter zur folgenden Näherung:

 

Strahldivergenz

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Die Strahldivergenz   ist definitionsgemäß doppelt so groß wie die Divergenz   und beschreibt den Winkel zwischen gegenüberliegenden Randstrahlen:

 

Projektionen

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Kontrastverhältnis

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Bei Projektoren wird häufig das einfache Verhältnis   zwischen der größten Leuchtdichte   und der kleinsten Leuchtdichte   angegeben (siehe auch Kapitel Leuchtdichte), die in der Projektionsebene erreicht werden können:

 

Dieses Kontrastverhältnis steht folgendermaßen in Bezug zu Modulation  :

  beziehungsweise  

Siehe hierzu auch: Modulation

Es ist zu beachten, ob die minimale und maximale Helligkeit gleichzeitig an verschiedenen Stellen einer Projektion oder mit verschiedenen Helligkeitseinstellungen des Gerätes in zwei verschiedenen Projektionen gemessen wurden.

Manche Geräte haben im Objektiv eine gesteuerte Blende, mit denen die Gesamthelligkeiten der jeweils zu projizierenden Bilder entsprechend ihrer Bildinhalte in Echtzeit angepasst werden können, um den Kontrast aufeinanderfolgender Bilder zu erhöhen.

Lichtstrom

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Zur Ermittlung des Lichtstroms eines Projektors   werden in   angrenzenden Feldern die   Beleuchtungsstärken   an der Stelle des Projektionsschirms bestimmt, auf die dazugehörigen Flächeninhalte   bezogen und über die gesamte Projektionsfläche summiert.

 

Siehe hierzu auch: Lichtstrom

 
Beispiel einer Lichtstrombestimmung mit drei mal drei gleich großen, aneinandergrenzenden rechteckigen Teilflächen   mit neun Messpunkten in den Schwerpunkten der Teilflächen bei rechteckiger Projektion

Werden wie in der Norm DIN EN 61947 - Teil 1   gleich große, angrenzende Teilflächen   mit der Gesamtfläche

  beziehungsweise  

betrachtet, vereinfacht sich die Formel für den Lichtstrom zu:

 

Siehe hierzu auch: Beleuchtungsstärke

 
Beispiel einer Lichtstrombestimmung mit neun gleich großen, aneinandergrenzenden Teilflächen   mit neun Messpunkten in den Schwerpunkten der Teilflächen bei kreisförmiger Projektion

Nicht nur bei rechteckigen Projektionen, sondern auch bei kreisförmigen Projektionen kann die Kreisfläche zur Lichtrommessung entsprechend in neun gleich große Teilflächen aufgeteilt werden. Die Teilflächen sind in diesem Fall gleich, wenn die Radien im Verhältnis   stehen. Die Messungen finden dann in den Schwerpunkten der Teilflächen statt, die auf Kreisradien im Verhältnis   liegen.

Erforderlicher Lichtstrom

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Wenn eine Projektionsfläche mit dem Flächeninhalt   durch eine vorgegebene Hintergrundbeleuchtung mit der Beleuchtungsstärke   erhellt ist, kann der erforderliche Lichtstrom eines Projektors   aus dem gewünschten Kontrastverhältnis   beziehungsweise aus der gewünschten Modulation   berechnet werden: