Lumen, Lux und Nits: Helligkeit eines LED-Leuchtkastens berechnen

Bei der Frage, ob ein Leuchtkasten „hell genug“ ist, werden Lumen, Lux, Candela und Nits oft vermischt. Diese Größen hängen zusammen, beschreiben aber unterschiedliche Eigenschaften.

Bei LED-Leuchtkästen ist der Unterschied entscheidend. Hoher Modullichtstrom kann trotzdem eine dunkel wirkende Grafik ergeben, wenn Abstrahlwinkel, Stofftransmission, Kastentiefe oder LED-Abstände nicht passen. Dieser Leitfaden erklärt die Berechnung, damit Sie Spezifikationen gezielt beurteilen können.

Das Wichtigste auf einen Blick

• Lumen (lm) beschreiben den gesamten sichtbaren Lichtstrom einer Quelle.
• Candela (cd) beschreiben die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung.
• Lux (lx) beschreiben die Beleuchtungsstärke: auftreffende Lumen je Quadratmeter.
• Nits (cd/m²) beschreiben die Leuchtdichte der betrachteten Oberfläche.
• Für eine streuende Leuchtkastenfront gilt näherungsweise: Leuchtdichte ≈ Beleuchtungsstärke × Transmission / π.

Die letzte Formel ist eine Näherung. SEG-Stoff, Acryl und bedruckte Grafiken sind keine perfekten mathematischen Diffusoren. Prüfen Sie das tatsächliche Material mit einem Luxmeter beziehungsweise Leuchtdichtemessgerät.

Welche Lichtgröße sollte der Einkauf spezifizieren?

1. Lumen: gesamter Lichtstrom

Der Lichtstrom in Lumen beschreibt das insgesamt abgegebene sichtbare Licht. Eine Angabe von 1000 Lumen für ein LED-Modul bezeichnet den Lichtstrom, der LEDs und Optik unter den Prüfbedingungen verlässt.

Lumen allein zeigen nicht, wie viel Licht den bedruckten Stoff erreicht. Klären Sie, ob die Angabe LEDs, das komplette Modul oder das fertige System betrifft. Rahmen und Grafik können Licht absorbieren, im Kasten wird Licht umgelenkt. Bereits berücksichtigte Verluste dürfen nicht nochmals abgezogen werden. Deshalb können Module mit ähnlichem Lichtstrom im gleichen Rahmen unterschiedlich wirken.

Nutzen Sie Lumen zur Abschätzung des Systemlichtstroms zusammen mit Abstrahlwinkel, Modulabstand, Kastentiefe und Messungen an der Oberfläche.

2. Candela: Licht in einer Richtung

Lichtstärke wird in Candela gemessen und beschreibt den gerichteten Lichtstrom. Für einen kleinen Raumwinkel gilt I = dΦ/dΩ. Der Mittelwert über einen endlichen Raumwinkel ist:

I_avg = Φ / Ω

Φ ist der Lichtstrom innerhalb des Raumwinkels Ω in Steradiant. Φ/Ω ist eine mittlere Lichtstärke, keine vollständige Lichtverteilungskurve; die Lichtstärke kann innerhalb des Strahls variieren.

Ein Raumwinkel ist Ω = A_sphere/r²; A_sphere ist eine Kugelfläche, nicht die ebene Grafikfläche. Eine vollständige Kugel umfasst 4π sr. Nur eine isotrope Quelle, die in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlt, hat I = Φ/(4π). Für gerichtete LED-Linsen gilt das nicht. Außerdem: 1000 mcd = 1 cd.

Bei gerichteten LED-Modulen kann eine schmale Linse Licht in der nutzbaren Richtung bündeln und Randlicht weiter über eine Stoffgrafik führen. Eine breitere Linse unterstützt die Mischung in kürzeren oder tieferen Kästen, erreicht bei großen randbeleuchteten Flächen aber möglicherweise weniger Reichweite.

Weitere Informationen enthält unser Leitfaden zu LED-Leuchtkasten-Linsenwinkeln.

3. Lux: Licht auf der Grafik

Die Beleuchtungsstärke in Lux beschreibt das auf einer Fläche ankommende Licht. Die einfache Flächenformel lautet:

E_avg = Φ_incident / A

Φ_incident ist der tatsächlich auf Fläche A auftreffende Lichtstrom, nicht der vom Modul abgegebene. Das Ergebnis ist ein Mittelwert; einzelne Messpunkte können abweichen.

Treffen 2000 Lumen gleichmäßig auf 2 Quadratmeter, beträgt die mittlere Beleuchtungsstärke etwa 1000 Lux. Im realen Kasten unterscheiden sich Ränder, Ecken und Mitte. Ein Raster mit 9 oder 25 Punkten ist deshalb aussagekräftiger als nur eine Messung in der Mitte.

Unser 25-Punkt-Test zur Leuchtkasten-Gleichmäßigkeit zeigt den Einfluss von Linsenwinkel, Stoffabstand und Messposition.

4. Nits: Leuchtdichte der sichtbaren Fläche

Leuchtdichte wird in Candela je Quadratmeter, auch Nits, gemessen. Dieser Wert kommt der üblichen Bedeutung von „Helligkeit“ beim Betrachten einer Leuchtkastenfront am nächsten.

Für eine ideale lambertsche Reflexionsfläche gilt:

L = ρE / π

L ist die Leuchtdichte in cd/m², ρ der Reflexionsgrad und E die Beleuchtungsstärke.

Bei hinterleuchteten oder randbeleuchteten Stoffgrafiken ist die Transmission wichtiger als die Reflexion. Eine praktische Näherung lautet:

L ≈ T x E / π

T ist die effektive Transmission. Die Näherung setzt annähernd lambertsch austretendes Licht voraus; E bezeichnet die Beleuchtungsstärke auf der Grafikinnenseite. Bedruckte Stoffe, Acryl und mehrlagige Grafiken haben unterschiedliche Richtungscharakteristiken. Prüfen Sie die Leuchtdichte im vorgesehenen Betrachtungswinkel.

Warum steht π in der Leuchtdichteformel?

Leuchtdichte ist gerichtete Lichtstärke je projizierter Fläche: für eine gleichmäßige Fläche L = I/(A cosθ). Bei senkrechter Betrachtung gilt θ = 0 und L = I/A. Sie ist kein Bildgrauwert; die wahrgenommene Helligkeit hängt auch von Beobachter und Umgebung ab.

Für eine lambertsche Fläche ergibt die Integration von dΦ = L cosθ dA dΩ über die Halbkugel die spezifische Lichtausstrahlung M_v = πL. Bei Reflexion gilt M_v = ρE, bei Transmission näherungsweise M_v = TE. E/π gilt somit nur für einen idealen lambertschen Reflektor mit ρ = 1. T und ρ sind Anteile zwischen 0 und 1.

Eine praktische Formel zur Leuchtkastenplanung

Für die Planung lässt sich die Formel umstellen:

Erforderliche innere Beleuchtungsstärke ≈ Ziel-Leuchtdichte × π / Transmission

Anschließend schätzen Sie den erforderlichen LED-Lichtstrom:

Erforderlicher LED-Lichtstrom ≈ Ziel-Leuchtdichte × π × Fläche / (Transmission × optischer Nutzungsgrad)

Der optische Nutzungsgrad η ist der Anteil des angegebenen Modullichtstroms, der die Innenseite der nutzbaren Grafikfläche erreicht. Verwenden Sie dieselbe Messgrenze wie bei der veröffentlichten Lumenangabe: bereits enthaltene Linsenverluste nicht erneut abziehen. T berücksichtigt separat den Durchgang durch die Grafik.

Beispiel: LED-Leuchtkasten mit 2 m × 1 m

Angenommene Werte eines Stoffleuchtkastens:

• Grafikfläche: 2 m × 1 m = 2 m²
• Ziel-Leuchtdichte: 700 cd/m²
• Effektive Stofftransmission: 35%
• Geschätzter optischer Nutzungsgrad: 60%

Daraus ergibt sich folgender geschätzter LED-Lichtstrom:

700 x 3,14 x 2 / (0,35 x 0,60) ≈ 20 900 lm

Die entsprechende innere Beleuchtungsstärke ist 700 × π / 0,35 ≈ 6 280 lx. Dies ist ein Rechenbeispiel mit angenommener Transmission und Nutzung, keine allgemeine Vorgabe für jeden 2 m × 1 m Leuchtkasten. Prüfen Sie die Annahmen mit dem tatsächlichen Druck, Rahmen, Umfeld und Modullayout.

Warum Abstand und Winkel wichtig sind

Ein vereinfachtes Modell betrachtet eine ideale Punktlichtquelle über einer Ebene. Die Beleuchtungsstärke eines Punktes hängt dabei von Abstand und Winkel ab:

E = I(α) cosθ / r²

I(α) ist die Lichtstärke in Richtung des Messpunktes, θ der Winkel zwischen einfallendem Licht und Flächennormale und r der Abstand von der Quelle zum Punkt.

Liegt die Quelle senkrecht über der Ebene in Höhe z und wird der Punkt unter α zur Vertikalen gesehen, gilt r = z / cosα. Daraus folgt:

E = I(α) cos³α / z²

Das Punktquellenmodell gilt für eine ausreichend entfernte kompakte Quelle mit tatsächlicher Lichtstärke I(α) je Richtung. Lange LED-Bars und dicht angeordnete LEDs in flachen Kästen benötigen ein verteiltes Quellenmodell oder Nahfelddaten; die Formel allein prognostiziert keine Gleichmäßigkeit. Zu Ecken und entfernten Rändern steigen Weglänge und ungünstiger Einfallswinkel. Geeignete Linsen, Abstände und Beleuchtung von zwei Seiten können den Abfall reduzieren.

Für die isotrope Quelle in der Zeichnung gilt E_M = Φ cos³α/(4πz²). Auf einem idealen lambertschen Reflektor gilt L_M = ρE_M/π. Ein kleines reflektierendes Flächenelement ΔA liefert I_patch = L_M ΔA cosβ zum Betrachter im Austrittswinkel β. Ein mathematischer Punkt besitzt keine endliche abstrahlende Fläche.

Bei dunklen Ecken hilft dieser Beitrag: Dunkle Ecken im Leuchtkasten beheben.

Lumen, Lux und Nits: häufige Fehler

• Fehler 1: nur nach Watt kaufen. Watt beschreiben den Stromverbrauch. LED-Effizienz, Optik und Layout bestimmen das nutzbare Licht auf der Grafik.
• Fehler 2: Lumen als Flächenhelligkeit verstehen. Lumen beschreiben die Quelle, nicht die fertige Front.
• Fehler 3: nur die Mitte messen. Eine helle Mitte kann dunkle Ränder und Streifen verdecken. Messen Sie mehrere Punkte.
• Fehler 4: die Grafik ignorieren. Weißer Stoff, bedruckter Stoff, dichte Farbschichten und beidseitige Grafiken haben unterschiedliche Transmission.
• Fehler 5: überall gleiche Modulabstände verwenden. Flache randbeleuchtete Rahmen und tiefere hinterleuchtete Kästen benötigen unterschiedliche Anordnungen.

Leuchtkästen richtig messen

Für einen zuverlässigen Helligkeitstest messen Sie den fertigen Aufbau statt nur das unmontierte LED-Modul.

• Reale Rahmentiefe und tatsächliches Grafikmaterial verwenden.
• Das LED-System vor der Messung aufwärmen.
• Ein Raster mit 9 oder 25 Punkten statt nur der Mitte messen.
• Abstand zwischen LEDs und Stoff dokumentieren.
• Randlicht, Hinterleuchtung oder Beleuchtung von zwei Seiten festhalten.
• Beleuchtungsstärke mit Luxmeter und sichtbare Leuchtdichte möglichst mit einem Leuchtdichtemessgerät messen.
• Mittlere Helligkeit und Gleichmäßigkeitsverhältnis prüfen.

Für die innere Beleuchtungsstärke platzieren Sie den Luxsensor in der inneren Grafikebene. Messen Sie die fertige Front in cd/m² mit einem Leuchtdichtemessgerät aus der vorgesehenen Position. Lux vor dem Kasten messen Nits nicht direkt. Berechnen Sie Gleichmäßigkeit aus derselben Messgröße; dokumentieren Sie Minimum, Mittelwert und Minimum/Mittelwert.

LED-Module für die Berechnung auswählen

Sind Ziel-Leuchtdichte und Grafikfläche bekannt, wird die Produktauswahl konkreter. Der passende Modultyp hängt von der Beleuchtungsrichtung ab:

• Für allgemeine Projekte: Booth Lights LED-Leuchtkastenmodule.
• Für flache oder seitlich beleuchtete Rahmen: Randlicht-LED-Bars.
• Für direkte Hinterleuchtung hinter der Grafik: LED-Module zur Hinterleuchtung.
• Für die gesamte Standbeleuchtung: LED-Messeleuchten.

Bei unklarer Bauart lesen Sie den Auswahlleitfaden zu Randlicht und Hinterleuchtung.

Fazit für die Planung

Leuchtkastenhelligkeit ist keine einzelne Zahl. Lumen beschreiben die Quelle, Lux das ankommende Licht und Nits die sichtbare Front. Eine brauchbare Berechnung berücksichtigt Fläche, Stofftransmission, optische Verluste, Abstand, Abstrahlwinkel und Modulabstand.

Booth Lights betrachtet Helligkeit deshalb als Systemergebnis. Beginnen Sie mit der Ziel-Leuchtdichte, schätzen Sie den Lichtbedarf, wählen Sie den Modultyp und prüfen Sie mit Messungen, bevor Sie das Design skalieren.

Fragen aus dem Einkauf zur Leuchtkastenhelligkeit

Kann man Lumen direkt in Nits umrechnen?

Es gibt keine allgemeine Umrechnung. Sie benötigen nutzbare Grafikfläche, Transmission, optischen Nutzungsgrad und Winkelcharakteristik. Die Rechnung schätzt eine diffuse Front; prüfen Sie den kompletten Aufbau.

Wie viele Lumen braucht ein SEG-Leuchtkasten?

Beginnen Sie mit Ziel-Leuchtdichte und tatsächlichen Rahmenmaßen. Nutzen Sie gemessene oder begründete T- und η-Werte und prüfen Sie Linsenwinkel, Modulabstand und Druckstoff. Das Beispiel ist eine Planungsschätzung.

Für einen Layoutvorschlag senden Sie Rahmenbreite, -höhe und -tiefe, ein- oder doppelseitige Bauweise, Grafikmaterial, Ziel-Leuchtdichte und Versorgungsspannung über unsere Kontaktseite.

Technische Referenzen

Bearbeitet aus Booth Lights Fotometrieunterlagen und Helligkeitsberechnungen. Definitionen: CIE: Lichtstrom, Lichtstärke, Beleuchtungsstärke, Leuchtdichte; IES: lambertsche Leuchtdichteeinheiten.