Untersucht die Physik und Wahrnehmung der Bühnenbeleuchtung, verfolgt historische Theorien des Lichts und erklärt photometrische Einheiten, Optik (Reflexion, Brechung, quadratisches Abstandsgesetz) und menschliche visuelle Reaktion, mit praktischen Anleitungen für Designer, Techniker und Choreografen, um klarere, konsistentere Bühnenbilder zu schaffen
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Vladimir Lukasevich (1956–2014) war ein herausragender Lichtdesigner, der sich der Szenografie und der Arbeit mit Licht widmete. Dieser Text ist das Ergebnis seiner akribischen Recherche und verallgemeinerten Bühnenerfahrung.
Wir veröffentlichen dieses Material mit dem Ziel, den Wert seiner Ideen und seines Wissens einem breiten Publikum zu vermitteln, mit gebührendem Respekt für die Persönlichkeit und den Beruf des Autors.
! Alle ausschließlichen Rechte am Originaltext liegen bei der Familie von Vladimir Lukasevich !
Die Veröffentlichung erfolgt mit Zustimmung der Rechteinhaber.
Der präsentierte Text ist für Bildungszwecke gedacht.
Möge die Erinnerung an diesen begabten Künstler in seinen Werken weiterleben und eine neue Generation von Theaterfachleuten inspirieren.
Dieser Abschnitt, Teil 2: Physik und Wahrnehmung, erklärt die physikalischen und wahrnehmungsbezogenen Grundlagen der Bühnenvision. Er führt den Leser durch die Natur und Geschichte des Lichts (Korpuskel- vs. Wellentheorien, elektromagnetische Theorie), die photometrischen Größen, die in der Beleuchtungsarbeit verwendet werden (Lichtstrom, Intensität, Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte, Austrahlung), und praktische optische Gesetze (Reflexion, Brechung, Transmission, quadratisches Abstandsgesetz).
Er verknüpft physikalische Messungen mit der menschlichen Wahrnehmung und gibt praktische Beispiele, die für die Bühnenbeleuchtung relevant sind (z.B. Seitenbeleuchtung beim Tanz).
Der Text weist auch auf Figuren und Gleichungen hin, die wörtlich aus dem Original eingefügt werden müssen, und endet mit Referenzen sowie Anmerkungen des Übersetzers/Herausgebers über Terminologie und potenzielle Fallstricke.
Wie bereits erwähnt, enthüllt ein Lichtdesigner, ähnlich wie ein Bildhauer eine Komposition offenbart, indem er das Unnötige aus einem Block Stein entfernt, eine Bühnenkomposition dem Publikum, indem er Objekte und Figuren aus der Dunkelheit herausarbeitet. In diesem Sinne schafft Bühnenbeleuchtung eine "Bühnenvision". Dieser Prozess der "Bühnenvision" ist mehrstufig und komplex, und nicht alle seine Schritte sind eindeutig verstanden oder erschöpfend untersucht. Schließlich wird die Natur des Lichts bis heute nicht eindeutig behandelt: als Kompromiss zwischen konkurrierenden Theorien wird es akzeptiert als eine Erscheinung der "Welle-Teilchen-Dualität".
Wenn wir den Prozess der "Bühnenvision" in seine Komponenten zerlegen, erhalten wir die folgende Abfolge: Eine Lichtquelle emittiert Lichtenergie; diese Energie erreicht die Netzhaut, nachdem sie von auf der Bühne befindlichen Oberflächen reflektiert und im Auge gebrochen wird.
Die Netzhaut wandelt die empfangene Energie über einen photochemischen Mechanismus in elektrische Impulse um; diese Impulse wandern entlang des Sehnervs zum Gehirn, das mehr tut, als diese Signale nur zu lesen — es interpretiert sie auf eine bestimmte Weise. Es ist sehr wichtig zu verstehen, dass diese Phasen nicht streng linear miteinander verbunden sind. Die bloße Tatsache, dass das Bild, das auf unserer Netzhaut entsteht, umgekehrt ist, wir es jedoch dennoch korrekt wahrnehmen, zeigt, dass die eingehenden Signale vom Gehirn auf unbewusste Weise interpretiert werden. Dies ist ein kleines, aber aussagekräftiges Beispiel; unten erörtern wir Eigenschaften der Wahrnehmung detaillierter. Im Moment ist es wichtig zu beachten, dass jede Phase des Sehens vom Mechanismus dieser Phase abhängt. Eine Lichtquelle emittiert Energie, die in unserem Kontext auf viele Arten transformiert wird, bevor sie das Auge des Betrachters erreicht, geregelt durch physikalische Gesetze — Reflexion, Brechung, Transmission, Beugung usw. — dann, beim Erreichen des Auges, wird sie entsprechend den physiologischen Besonderheiten des Sehens transformiert, und danach wird sie auch vom Gehirn interpretiert, wobei nicht nur psychologische, sondern, wie wir später sehen werden, auch soziale Erfahrungen der Person, die wir den Betrachter nennen, berücksichtigt werden. Es ist wahrscheinlich unmöglich für einen Lichtdesigner, jede Facette der Psychophysiologie der visuellen Wahrnehmung in der Tiefe zu studieren — das ist die Aufgabe anderer Berufe — aber das Wissen um die Hauptgesetze und Merkmale der gesamten Kette des "Bühnenvisionsprozesses" ermöglicht einem Designer, bessere und präzisere Entscheidungen bei der Suche nach Mitteln zur Erreichung ihrer Ziele zu treffen.
Frühe Vorstellungen über die Natur des Lichts tauchten bei antiken griechischen und ägyptischen Denkern auf. Als optische Instrumente erfunden und verbessert wurden (parabolische Spiegel, das Mikroskop, das Teleskop), entwickelten und verwandelten sich diese Vorstellungen.
Am Ende des siebzehnten Jahrhunderts entstanden zwei Theorien über das Licht: die Korpuskulartheorie (Isaac Newton) und die Wellentheorie (Robert Hooke und Christiaan Huygens).
Gemäß der Korpuskulartheorie ist Licht ein Strom von Teilchen (Korpuskeln), die von leuchtenden Körpern ausgesendet werden. Newton glaubte, dass die Bewegung der Lichtkorpuskeln den Gesetzen der Mechanik gehorchte. So wurde die Reflexion des Lichts analog zur Reflexion eines elastischen Balls von einer planaren Oberfläche verstanden. Die Brechung wurde als eine Änderung der Geschwindigkeit der Korpuskel erklärt, wenn sie von einem Medium in ein anderes übergehen. Für den Fall der Brechung an der Grenze Vakuum–Medium führte die Korpuskulartheorie zu einer Formulierung des Brechungsgesetzes, das eine Beziehung zwischen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum (c) und der Lichtgeschwindigkeit im Medium (v) implizierte.
Die Wellentheorie, im Gegensatz zur Korpuskeltheorie, behandelte Licht als ein Wellenphänomen, ähnlich wie mechanische Wellen. Die Grundlage der Wellentheorie war das Prinzip von Huygens: Jeder Punkt, den eine Welle erreicht, wird zum Zentrum sekundärer Wellenfronten, und die Einhüllende dieser Wellenfronten gibt die Position der Wellenfront zum nächsten Zeitpunkt an. Mit Hilfe des Prinzips von Huygens wurden die Gesetze der Reflexion und Brechung erklärt.
Für den Fall der Brechung an der Vakuum-Medium-Grenze führte die Wellentheorie zu einer anderen Schlussfolgerung bezüglich der Beziehung zwischen v und c. Das aus der Wellentheorie abgeleitete Brechungsgesetz stand im Widerspruch zu Newtons Ergebnis: Die Wellentheorie sagte v < c voraus, während die Korpuskeltheorie v > c vorhersagte.
So gab es zu Beginn des 18. Jahrhunderts zwei gegensätzliche Ansätze zur Erklärung der Natur des Lichts: Newtons Korpuskeltheorie und Huygens' Wellentheorie. Beide erklärten die gradlinige Ausbreitung des Lichts sowie die Gesetze der Reflexion und Brechung. Das gesamte 18. Jahrhundert war ein Jahrhundert des Kampfes zwischen diesen Theorien. Doch zu Beginn des 19. Jahrhunderts änderte sich die Situation grundlegend. Die Korpuskeltheorie wurde verworfen und die Wellentheorie triumphierte. Viel Verdienst daran haben der englische Physiker Thomas Young und der französische Physiker Augustin-Jean Fresnel, die Interferenz und Beugung studierten. Eine vollständige Erklärung dieser Phänomene konnte nur auf der Grundlage der Wellentheorie gegeben werden. Bedeutende experimentelle Bestätigung der Wellentheorie kam 1851, als Jean Foucault die Lichtgeschwindigkeit im Wasser maß und einen Wert erhielt, der zeigte, dass v < c.
Obwohl die Wellentheorie Mitte des 19. Jahrhunderts allgemein anerkannt war, blieb die Frage nach der Natur der Lichtwellen ungelöst.
In den 1860er Jahren stellte James Clerk Maxwell die allgemeinen Gesetze des elektromagnetischen Feldes auf, was ihn zu dem Schluss führte, dass Licht eine elektromagnetische Welle ist Eine wichtige Bestätigung dieser Ansicht war das Zusammentreffen der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum mit dem aus den elektromagnetischen Konstanten abgeleiteten Wert
Die elektromagnetische Natur des Lichts wurde durch die Experimente von Heinrich Hertz zu elektromagnetischen Wellen (1887–1888) weiter bestätigt. Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts, nach den Experimenten von Peter N. Lebedev zur Messung des Lichtdrucks (1901), etablierte sich die elektromagnetische Theorie des Lichts fest
Eine wesentliche Rolle bei der Klärung der Natur des Lichts spielte die experimentelle Bestimmung seiner Geschwindigkeit. Ab dem späten siebzehnten Jahrhundert wurden zahlreiche Versuche unternommen, die Lichtgeschwindigkeit mit verschiedenen Methoden zu messen (astronomische Methoden wie die von Ole Rømer verwendeten und Methoden von Armand Fizeau, Albert A. Michelson). Moderne Lasertechniken ermöglichen es, die Lichtgeschwindigkeit mit extrem hoher Genauigkeit zu messen, basierend auf unabhängigen Messungen der Wellenlänge λ und Frequenz ν (c = λ · ν). Dieser Ansatz lieferte einen Wert, dessen Genauigkeit die früheren Ergebnisse um mehr als zwei Größenordnungen übertrifft
Licht spielt eine außerordentlich wichtige Rolle in unserem Leben. Die überwältigende Mehrheit der Informationen über die umgebende Welt erreicht den Menschen durch Licht. In der Optik — dem Zweig der Physik, der sich mit Licht beschäftigt — bezieht sich der Begriff „Licht“ in der Regel nicht nur auf sichtbares Licht, sondern auch auf benachbarte Bereiche des elektromagnetischen Spektrums: Infrarot (IR) und Ultraviolett (UV). Physikalisch unterscheidet sich Licht nicht grundlegend von elektromagnetischer Strahlung in anderen Spektralbereichen — die Teile des Spektrums unterscheiden sich nur in Wellenlänge λ und Frequenz ν
Für die Messung von Wellenlängen im optischen Bereich verwenden wir die Einheiten Nanometer (nm) und Mikrometer (µm):
1 nm = 10⁻⁹ m = 10⁻⁷ cm = 10⁻³ µm
Sichtbares Licht erstreckt sich ungefähr von 400 nm bis 780 nm oder 0,40 µm bis 0,78 µm
Die elektromagnetische Theorie des Lichts erklärte viele optische Phänomene wie Interferenz, Beugung, Polarisation usw. Diese Theorie vervollständigte jedoch nicht unser Verständnis des Lichts. Zu Beginn des zwanzigsten Jahrhunderts wurde klar, dass die elektromagnetische Theorie allein Phänomene auf atomaren Ebenen nicht erklären konnte, die auftreten, wenn Licht mit Materie interagiert. Zur Erklärung von Phänomenen wie der Schwarzkörperstrahlung, dem photoelektrischen Effekt und dem Compton-Effekt war die Einführung von Quantenkonzepten erforderlich. Die Wissenschaft kehrte zur Idee der Teilchen zurück — Lichtquanten. Die Tatsache, dass Licht in einigen Experimenten Wellen-Eigenschaften und in anderen Teilchen-Eigenschaften zeigt, bedeutet, dass Licht eine komplexe duale Natur hat, die allgemein als Welle-Teilchen-Dualität charakterisiert wird
Eine grundlegende photometrische Größe ist der Lichtstrom, der durch den Buchstaben F bezeichnet wird.
Der Lichtstrom ist ein Maß für die Strahlungsleistung, gewichtet durch die spektrale Empfindlichkeit des menschlichen Auges; er ist definiert als die Menge an Lichtenergie, die pro Zeiteinheit durch eine Flächeneinheit strömt.
Ein Lumen ist definiert als 1/683 Watt monochromatischer Strahlung mit einer Frequenz, die einer Wellenlänge von 555 nm entspricht, die den Höhepunkt der photopischen Lichtausbeutefunktion (der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges unter gut beleuchteten Bedingungen) darstellt. Der Wert 1/683 wurde historisch festgelegt, als konventionelle Lichtquellen mit Kerzen verglichen wurden, und ist seither durch internationale Vereinbarungen kodifiziert.
Die Einheit des Lichtstroms ist das Lumen (lm) (lateinisch — „Licht“): 1 lm ist der Lichtstrom, der von einer Punktquelle mit einer Lichtstärke von 1 Candela in einen Raumwinkel von 1 Steradiant emittiert wird (bei gleichmäßiger Verteilung innerhalb dieses Raumwinkels): 1 lm = 1 cd × 1 sr.
Wenn wir eine punktförmige Quelle nehmen, die gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlt, und eine kleine Fläche A in den Weg der von dieser Quelle kommenden Welle stellen, können wir die Energie messen, die in der Zeit t durch die Fläche A strömt.
Energie pro Zeiteinheit wird als Strahlungsleistung oder Strahlungsfluss bezeichnet. Die Leistung der Lichtenergie wird durch den Lichtstrom charakterisiert.
Beispiele — Lichtstrom einiger Lichtquellen:
Licht aus Quellen – sei es ein einfaches Streichholz oder eine moderne elektrische Lampe – breitet sich typischerweise mehr oder weniger gleichmäßig in alle Richtungen aus. Mithilfe von Spiegeln oder Linsen können wir jedoch Licht lenken und es in einen bestimmten Raumabschnitt konzentrieren. Dieser Raumabschnitt wird durch einen Raumwinkel charakterisiert. Obwohl das Konzept des Raumwinkels keine direkte sprachliche Verbindung zum Licht hat, ist es in der Lichttechnik so weit verbreitet, dass es unverzichtbar ist.
Ein Raumwinkel ist ein Teil des Raums, der von einer kegelförmigen Oberfläche begrenzt wird, deren Scheitelpunkt am Punkt der Lichtquelle liegt.
Das Maß eines Raumwinkels mit seinem Scheitelpunkt im Zentrum einer Kugel ist das Verhältnis der Fläche der von ihm überdeckten kugelförmigen Oberfläche zum Quadrat des Kugelradius.
Die Einheit des Raumwinkels ist das Steradiant (sr).
1 sr ist der Raumwinkel, der eine Fläche auf der Kugel überdeckt, die dem Quadrat des Kugelradius entspricht. Ein Kegel mit einem Raumwinkel von 1 sr hat einen Scheitelwinkel von ungefähr 65,5°. Die Einheit des Raumwinkels ist das Steradiant (sr).
Wenn eine Quelle punktförmig ist und in alle Richtungen strahlt, wird ihr voller Raumwinkel durch die gesamte Kugeloberfläche bestimmt. (Die in der Berechnung verwendeten Längen- und Flächeneinheiten müssen konsistent sein.)
Betrachten Sie, wie viel Lichtstrom in einen soliden Winkeleinfall fällt:
Der Lichtstrom pro Einheit des soliden Winkels, wenn der Fluss gleichmäßig innerhalb dieses soliden Winkels verteilt ist, wird als Lichtstärke der Quelle (I) bezeichnet.
Das radiometrische Analogon — Strahlungsintensität — wird ähnlich definiert. Für eine punktförmige Quelle, deren Abmessungen im Vergleich zur Entfernung zum Beobachtungspunkt vernachlässigbar sind, ist die energetische Strahlungsintensität I_e gleich dem Verhältnis von Strahlungsfluss Φ_e zu dem soliden Winkel Ω, in dem die Strahlung verteilt ist:
I_e = Φ_e / Ω
Die Einheit der Strahlungsintensität ist Watt pro Steradiant (W/sr).
Die photometrische Größe Lichtstärke ist die räumliche Dichte des Lichtstroms in eine bestimmte Richtung.
Die Einheit der Lichtstärke ist die Candela (cd) (vom lateinischen candela — „Kerze“).
1 cd entspricht der Lichtstärke einer punktförmigen Quelle, die einen Lichtstrom von 1 lm gleichmäßig verteilt innerhalb eines Raumwinkels von 1 sr abstrahlt. 1948 führte die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) einen Lichtstandard ein, der auf einem speziellen Emitter basiert, bei dem Platin durch hochfrequente Ströme erhitzt und geschmolzen wird. Die Candela wird durch die Lichtstärke eines solchen Emitters in senkrechter Richtung von einer Fläche von 1/600 000 m² bei der Platin-Schmelztemperatur T = 2045 K und Standarddruck 101325 Pa definiert.
Historisch diente die Kerze (cd) als Haupteinheit der Lichtstärke; eine Spermazetikerze hatte eine Intensität von ≈ 1,005 cd.
Der gesamte Lichtstrom, der in alle Richtungen emittiert wird, charakterisiert eine emittierende Quelle und kann nicht durch optische Systeme erhöht werden — sie verteilen den Strom nur um, konzentrieren mehr in einigen Richtungen und reduzieren ihn in anderen. So erhöhen Projektoren die Lichtstärke entlang ihrer Achse, während sie Quellen mit bescheidenerer Intensität verwenden.
```Oft wird die Lichtstärkeverteilung einer Quelle grafisch dargestellt. Die räumliche Verteilung der Lichtstärke wird eindeutig durch den photometrischen Körper bestimmt — den Teil des Raumes, der durch die Oberfläche begrenzt wird, die durch die Spitzen der Radiusvektoren der Lichtintensität verläuft. Wenn wir den photometrischen Körper mit einer Ebene schneiden, die durch den Ursprung verläuft, erhalten wir die Intensitätsverteilungskurve (auch Lichtverteilungskurve oder LDC genannt) für diese Ebene als planare Polardiagramm
In einem kartesischen Koordinatensystem stellt die horizontale Achse Winkel relativ zur Achse der maximalen Abstrahlung dar; die vertikale Achse stellt die Lichtstärke dar. In Polarkoordinaten ist die Achse der maximalen Intensität vertikal und Winkel werden davon aus gemessen. Linien gleicher Intensität bilden konzentrische Kreise; gemessene Intensitätswerte bei jedem Winkel werden geplottet und dann verbunden, um die charakteristische „Blütenblatt“-Form zu bilden.
Ein lineares Koordinatensystem ist geeignet für Quellen mit kleinen Raumwinkeln (d. h. schmale Strahlen, wie Scheinwerfer), bei denen die horizontale Skala begrenzt werden kann (zum Beispiel −20° bis +20° anstelle von −90° bis +90°). Wenn eine Quelle asymmetrisch ist — wie es bei einer langen linearen Lampe der Fall ist — werden LDCs für zwei Ebenen (vertikal und horizontal) angegeben. Dann wird das räumliche „Blütenblatt“-Diagramm im Querschnitt ellipsenförmig.
Beleuchtungsstärke ist der auf eine Fläche fallende Lichtstrom pro Flächeneinheit. Wenn ein Lichtstrom Φ auf die Fläche S fällt, entspricht die mittlere Beleuchtungsstärke E dieser Fläche (bezeichnet mit E) E = Φ / S. Die Einheit der Beleuchtungsstärke ist das Lux (lx).
1 lx ist die Beleuchtungsstärke, die durch einen Lichtstrom von 1 lm erzeugt wird, der gleichmäßig über eine Fläche von 1 m² verteilt ist.
Wenn der Lichtstrom von einer Punktquelle Φ beträgt und aus einer Entfernung r auf eine Fläche fällt, die in einem Winkel θ zur Lichtrichtung orientiert ist, dann wird die Beleuchtungsstärke E für eine Punktquelle durch die Inverse-Quadrat-Beziehung kombiniert mit dem Kosinus des Einfallswinkels angegeben:
E = I · cos θ / r²
Wenn mehrere Quellen eine Oberfläche aus verschiedenen Richtungen beleuchten, ergibt die Gesamtbeleuchtungsstärke an einem Punkt die Summe der Beleuchtungsstärken jeder Quelle:
E = E₁ + E₂ + E₃ + … + Eₙ.
Dies ist das Gesetz der Additivität: Die Gesamtbeleuchtungsstärke entspricht der algebraischen Summe der Beiträge aller Quellen.
Durch natürliche Quellen erzeugte Beleuchtungsstärken (ungefähr):
Angenommen, die Beleuchtungsstärke auf einem Schreibtisch beträgt 100 lx. Auf dem Schreibtisch liegen Blätter aus weißem Papier, eine schwarze Mappe und ein Buch mit grauem Einband. Die Beleuchtungsstärke all dieser Objekte ist gleich, dennoch nimmt das Auge das Papier als heller wahr als das Buch und das Buch als heller als die Mappe. Das heißt, unser Auge beurteilt die Helligkeit von Objekten nicht nur anhand der Beleuchtungsstärke, sondern durch eine andere Größe — die Leuchtdichte.
Die Leuchtdichte einer Fläche S in einer bestimmten Richtung ist das Verhältnis der von dieser Fläche in dieser Richtung ausgesandten Lichtstärke zur Fläche der Projektion dieser Fläche auf eine Ebene senkrecht zur gewählten Richtung. Die Projektionsfläche entspricht der tatsächlichen Fläche multipliziert mit dem Kosinus des Winkels zwischen der Fläche und der Projektionsebene. Während der Lichtstrom, die Lichtstärke und die Beleuchtungsstärke spezielle Einheitsnamen haben (Lumen, Candela, Lux), ist die Einheit für Leuchtdichte einfach Candela pro Quadratmeter (cd/m²) — im älteren Schrifttum umgangssprachlich manchmal als „Nit“ bezeichnet. Das SI verwendet cd/m² für Leuchtdichte.
Was bestimmt die Leuchtdichte von Objekten? Viele praktische Quellen sind nicht punktförmig und ihre Dimensionen sind sichtbar; für solche Quellen verwenden wir das Konzept der Quellleuchtdichte. Das Konzept der Leuchtdichte gilt auch für reflektierende Oberflächen und Bildschirme, die als Quellen behandelt werden können, sofern die Lichtstärke unter Berücksichtigung der Reflexionseigenschaften der Oberflächen bestimmt wird.
Die Leuchtdichte variiert mit der Richtung für eine gegebene Quelle — sie charakterisiert die Emission in einer bestimmten Richtung.
Für eine diffus reflektierende (matte) Oberfläche steht die Leuchtdichte in einfachem Verhältnis zur Beleuchtungsstärke:
L = ρ · E / π,
wobei ρ die Reflexion (der Anteil des einfallenden Flusses, der von der Oberfläche reflektiert wird) ist.
Leuchtdichte ist die einzige photometrische Größe, die das Auge direkt wahrnimmt; bei Abwesenheit von Absorption im Ausbreitungsmedium hängt die Leuchtdichte nicht von der Entfernung ab.
Die Beziehung, die die Leuchtdichte des Objekts L, die Beleuchtungsstärke E_eye, die dieses Objekt auf die Pupille des Auges erzeugt, und den festen Winkel Ω, der vom Objekt gesehen vom Auge eingeschlossen wird, verknüpft, kann geschrieben werden als:
L = E_eye / Ω.
Daher, wenn sich das Auge von einem Objekt entfernt, nimmt die Beleuchtungsstärke E_eye auf der Pupille ab, und der eingeschlossene feste Winkel Ω nimmt ebenfalls ab, aber die Leuchtdichte L des Objekts bleibt unverändert.
Typische Leuchtdichten (Größenordnung):
Die Leuchtdichte (M) charakterisiert den Lichtstrom, der eine leuchtende Oberfläche pro Flächeneinheit verlässt.
Die Leuchtdichte ist zahlenmäßig gleich dem Lichtstrom, der von einer kleinen betrachteten Fläche (einem gleichleuchtenden Element) emittiert wird, geteilt durch die Fläche dieses Elements.
Die Einheit der Leuchtdichte ist Lumen pro Quadratmeter (lm/m²), was dimensionsmäßig mit Lux identisch ist. Eine häufig verwendete Definition nimmt als Einheit die Leuchtdichte einer Oberfläche, die 1 lm pro m² emittiert.
In einem homogenen transparenten Medium sind Lichtstrahlen gerade Linien.
Die geradlinige Ausbreitung des Lichts wird durch die Bildung von Schatten veranschaulicht. Wenn ein undurchsichtiges Objekt im Weg der Lichtstrahlen liegt, dann:
Dies erzeugt einen geometrischen Schatten. Da sich Licht geradlinig ausbreitet, wird die Form des geometrischen Schattens die Kontur des Objekts ähneln.
Je kleiner die Abmessungen der Lichtquelle sind, desto schärfer und klarer ist der Umriss des Schattens auf einem Bildschirm oder Hintergrund. Bei größeren Quellen wird der Schatten unscharf, da Strahlen von verschiedenen Punkten der Quelle leicht verschobene Schatten erzeugen, deren Überlagerung einen weicheren Rand ergibt.
Lichtstrahlen kreuzen sich, ohne einander zu beeinflussen; jeder Strahl beleuchtet den Raum unabhängig.
1. Der einfallende Strahl, der reflektierte Strahl und das Lot auf die reflektierende Fläche am Auftreffpunkt liegen alle in derselben Ebene.
2. Der Reflexionswinkel ist gleich dem Einfallswinkel: α = β.
Reflexionskoeffizient — das Verhältnis des von einer Oberfläche reflektierten Lichtstroms zu dem Lichtstrom, der auf sie von einer gegebenen Lichtquelle oder Leuchte auftrifft. Je höher der Reflexionskoeffizient, desto heller erscheint die Oberfläche. In dem obigen Schreibtischbeispiel hat das Papier eine höhere Reflexion als der Buchdeckel, der wiederum eine höhere Reflexion als der Ordner aufweist. Die Reflexion hängt sowohl von den Materialeigenschaften als auch von der Oberflächenbeschaffenheit ab.
Reflexion kann innerhalb eines bestimmten Raumwinkels gerichtet (spiegelnd) oder diffus sein. Nehmen wir gewöhnliches weißes Papier: Es erscheint aus jedem Blickwinkel ähnlich hell, d.h. seine Leuchtdichte ist für alle Richtungen ungefähr gleich — das ist diffuse Reflexion.
Diffuse oder gestreute Reflexion tritt auf bei mattem Papier, den meisten Stoffen, matten Farben, Kalkfarbe, rauen Metallen usw. Wenn wir eine raue Metalloberfläche polieren, ändert sich der Reflexionscharakter: Wenn sehr gut poliert, reflektiert das gesamte einfallende Licht in eine einzige Richtung und der Reflexionswinkel entspricht dem Einfallswinkel — das ist spiegelnde Reflexion. Spiegelnde und diffuse Reflexionen sind die beiden Extreme; Zwischenfälle (gerichtet gestreute oder gemischte Reflexion) treten bei schlecht polierten Metallen, Seide, glänzendem Papier und mattiertem Glas auf.
Für diffus reflektierende Oberflächen steht die Leuchtdichte in einem einfachen Verhältnis zur Beleuchtungsstärke:
L = ρ · E / π.
Für gerichtet gestreute oder gemischte Oberflächen benötigt man die tatsächlichen Reflexionsindikatrices (bidirektionale Reflexionsverteilungsfunktionen — BRDFs), um die Leuchtdichte vorherzusagen.
Die vier oben beschriebenen photometrischen Größen — Lichtstrom, Lichtstärke, Beleuchtungsstärke und Leuchtdichte — sind entscheidend für das Verständnis des Verhaltens von Lichtquellen und Leuchten. Aber um die photometrischen Eigenschaften von Materialien vollständig zu charakterisieren, muss man auch Koeffizienten wie Rückstrahlvermögen, Transmittanz und Absorptionsvermögen kennen.
Der Anteil des Lichts, der durch ein Material hindurchtritt, wird durch die Transmittanz (Transmissionskoeffizient) charakterisiert, und der absorbierte Anteil wird durch den Absorptionskoeffizienten charakterisiert. Für jedes Material gilt, dass die Summe aus Reflexion, Transmittanz und Absorption gleich Eins ist. Es gibt kein echtes Material, bei dem einer dieser drei Koeffizienten gleich 1 ist. Hohe diffuse Reflexion findet man in frischem Schnee, chemisch reinem Bariumsulfat und Magnesiumoxid. Die höchste spekulare Reflexion wird in poliertem Silber und speziell behandeltem Aluminium gefunden.
Wenn ein Lichtstrahl auf die Grenze zwischen zwei transparenten Medien mit unterschiedlicher optischer Dichte trifft (zum Beispiel Luft und Wasser), wird ein Teil des Lichts reflektiert und ein Teil tritt in das zweite Medium ein. Beim Eintritt in das zweite Medium ändert der Strahl an der Grenze die Richtung — das ist die Brechung.
Wenn Licht aus einem optisch weniger dichten Medium in ein dichteres Medium fällt, ist der gebrochene Winkel immer kleiner als der Einfallswinkel.
Transmissionswerte werden typischerweise für eine Referenzdicke (gewöhnlich 1 cm) tabelliert. Hochtransparente Materialien umfassen reinen Quarz und bestimmte Qualitäten von PMMA (Acryl). Die Lichtübertragung, wie die Reflexion, kann spekulär (gerichtet), diffus (z.B. Milchglas), gerichtet gestreut (z.B. geätztes Glas) oder gemischt sein.
Die meisten Materialien reflektieren, übertragen und absorbieren Licht bei unterschiedlichen Wellenlängen unterschiedlich — diese Wellenlängenabhängigkeit bestimmt ihre Farbe. Spektrale Eigenschaften der Reflexion, Transmission und Absorption sind erforderlich, um photometrische Eigenschaften vollständig zu beschreiben. Alle drei Koeffizienten sind dimensionslos und werden normalerweise als Brüche oder Prozentsätze ausgedrückt.
Das erste Gesetz der Photometrie — das quadratische Abstandsgesetz — wurde von Johannes Kepler im Jahr 1604 formuliert.
wobei:
Dieses Gesetz ist wahrscheinlich das am intensivsten genutzte Prinzip von Lichtdesignern. Ob bewusst oder intuitiv, es ist in unserer Entscheidungskette präsent. Wenn wir den Typ des Instruments wählen, das an einem bestimmten Ort platziert werden soll, oder den Montagepunkt für eine Lampe auswählen, oder das Bild bewerten, das wir erstellt haben, müssen wir immer im Hinterkopf behalten, wie unterschiedlich die Sicht für Zuschauer im Parkett gegenüber dem Balkon sein wird.
Das Schlüsselwort in der Formulierung des Gesetzes ist relativ: Das Gesetz ist sinnvoll für den Vergleich der Beleuchtungsstärke in zwei verschiedenen Entfernungen. Einheiten (Fuß oder Meter) ändern nicht die qualitativen Beziehungen. Praktisch bedeutet das quadratische Abstandsgesetz:
Ein weiterer praktischer Schluss für den Lichtdesigner ist, wie der Installationspunkt einer Leuchte je nach Beleuchtungszielen ausgewählt werden kann
Unten ist eine Tabelle (aus der Quelle), die zeigt, wie sich der Lichtpegel mit der Entfernung ändert (horizontale Skala in Metern).
Was gibt uns diese Information, abgesehen von dem, was bereits gesagt wurde? Wir können verstehen, wie Licht ein Objekt in verschiedenen Entfernungen beeinflusst. Es gibt uns auch Einblicke, wie sich die Beleuchtungsstärke und damit die scheinbare Helligkeit verändern, wenn sich ein Objekt (zum Beispiel ein Schauspieler) auf eine Lichtquelle zu- oder von ihr wegbewegt. Wenn sich ein Subjekt entlang der Achse eines gerichteten Strahls mit konstanter Geschwindigkeit von der Quelle entfernt, fällt die anfängliche Beleuchtungsstärke schnell ab, aber weiter entfernt wird die Veränderung langsamer. Gemäß dem Abstandsquadratgesetz sinkt die absolute Beleuchtungsstärke schneller, wenn man sich von der Quelle entfernt. Die Veränderung der Beleuchtungsstärke, die durch das Bewegen einer festen Entfernung verursacht wird, ist jedoch kleiner, wenn sich das Subjekt bereits weit von der Quelle entfernt befindet, als wenn es sich in der Nähe befindet.
Ein praktisches Ballettbeispiel: Wenn Seitenbeleuchtung — unerlässlich in vielen Ballettproduktionen — sehr nahe an der Bühne montiert ist, kann man selbst bei Tänzern, die Schulter an Schulter stehen, große Unterschiede in der Seitenbeleuchtungshelligkeit sehen. Um eine solche Ungleichmäßigkeit zu vermeiden, sollte die Seitenbeleuchtung so weit wie möglich vom Spielbereich entfernt oder die Leuchten durch Geräte mit höherer Leistung ersetzt werden. Dieses kleine Beispiel zeigt, wie wichtig das Abstandsquadratgesetz für einen Lichtdesigner sein kann.
VERWENDETE REFERENZEN
