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Sichtweite von Taschenlampen und Reflektoren

6 September 2017
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Trustfire Taschenlampen Hypnose Hannover
Hallo TaschenlampenExperten,

im Anhang findet ihr einige Informationen zur Sichtweite von Taschenlampen und Reflektoren. Viel Spaß damit. Damit der Text auch von Google auffindbar ist, hier auch als Zitat, aber ohne die Bilder usw., deswegen zieht euch lieber das PDF.

Reichweite von Lichtquellen und Reflektoren

Motivation
Die Reichweite von Taschenlampen wird nach Ansi Nema FL-1 Standard so definiert, dass in der angegebenen Entfernung noch 0,25 Lux ankommen, siehe http://flashlightwiki.com/ANSI-NEMA_FL-1 0,25 Lux sollen gerade noch so zum Lesen ausreichen. Nirgends ist jedoch angegeben aus welcher Entfernung man die Taschenlampe noch sehen kann, wenn man aus großer Entfernung auf sie blickt. Wichtiger Hinweis: Niemals aus nur wenigen Metern Abstand oder direkt in eine Taschenlampe blicken, das ist sehr schädlich fürs Auge! Es müssen verdammt viele Kilometer sein, wenn man bedenkt wie weit man das Licht einzelner Straßenlaternen aus der Ferne sieht, obwohl diese den Großteil ihres Lichtes nach unten hin abstrahlen.
Gleichzeitig wäre es doch schön, wenn man als Taschenlampenträger seine Lampe deutlich in mehreren hundert Metern Entfernung sehen kann. Die ist möglich, mittels Reflektoren und so war die Idee für diese Untersuchungen geboren.
Grundlagen

Wie weit Taschenlampen reichen hängt in erster Linie von ihrer Intensität, gemessen in Candela ab. Die Einheit Candela leitet sich von Englisch Candle, Kerze, ab und rührt daher, dass eine Kerze ca. 1 Candela hat. Grundsätzlich gilt, je heller die Lampe und je mehr sie bündelt, desto weiter reicht sie. Die Reichweite wird auch nicht gemessen, sondern rein rechnerisch ermittelt, die Formel dafür lautet:
Die 0,25 in der Formel kommen von den 0,25 Lux am Ende der Reichweite. Man kann hier jeden beliebigen Wert einsetzen um die Lux in einer gewissen Entfernung zu erhalten.
Candela bedeutet Lumen pro Steradiant. Steradiant kann man sich wie einen Kegel aus einem Kreis herausgeschnitten vorstellen Quelle: https://de.wikipedia.org/wiki/Steradiant
1 Candela gibt auf 1 Meter Entfernung genau 1 Lux, weswegen wir im Weiteren nur noch die am Auge ankommenden Lux betrachten werden.
Die Lichtmenge nimmt mit der Entfernung quadratisch ab. Sehr anschaulich ist das in folgender Grafik der Seite „Abenteuer DSLR (=Digitale Spiegelreflexkamera) Fotografie“ beschrieben. Laut Wikipedia https://de.wikipedia.org/wiki/Abstandsgesetz gilt dies als Abstandsgesetz bezeichnete Regle nur bei in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlende Lichtquellen, also wie im Beispiel die gezeigte Glühbirne. Ich habe lange überlegt, ob dieses Abstandsgesetz für unsere Taschenlampen auch so einfach anwendbar ist, da sie zwar vergleichsweise punktförmig, aber stark gerichtet ist. Die obige Formel zur Reichweite geht davon aus, dass es für Taschenlampen gilt. Nehmen wir eine extrem starke isotrope (in alle Richtungen gleichmäßig abstrahlend punktförmige Lichtquelle. Um diese packen wir nun eine lichtabsorbierende Kugel von 1m Durchmesser. An einer Stelle schneiden wir nun ein Loch in der Größe heraus, wie ihn der Spot der Taschenlampe in einem Meter Entfernung hat. Nun haben wir einen zu unserer Taschenlampe gleichwertigen Strahl. Statt die ganze punktförmige Lichtquelle zu betrachten, für die das Abstandsgesetz gilt, betrachten wir nur diesen Ausschnitt, somit gilt das quadratische Abstandsgesetz genauso für unsere Taschenlampen.

Quelle: https://abenteuerdslrfotografie.de/licht-nimmt-mit-dem-quadrat-der-entfernung-ab/

Mindestlichtmenge
Wieviel Licht benötigt nun das Auge, wenn es direkt in die Lichtquelle blickt, um die Lichtquelle auch wahrnehmen zu können? Zunächst einmal bin ich im Bereich der Astronomie gelandet. Um Sterne unterhalb einer gewissen Mindesthelligkeit zu beobachten benötigt man ein Teleskop. Man unterteilt die Helligkeit der Sterne in sog. Magnituden. Dabei gilt Sterne höherer Magnitude sind dunkler als Sterne geringerer Magnitude. Beispiel: Ein Stern 1. Magnitude ist 100 mal heller als ein Stern 6. Magnitude.
Bei diesen Recherchen bin ich auf http://scienceblogs.de/astrodicticu...-eine-kerze-mit-freiem-auge-noch-sehen/?all=1 gestoßen. Dort schreiben Sie, dass man sie noch aus einer Entfernung von 2,6 km sehen könne. Das fand ich extrem viel und habe selbst mal gemessen / ausprobiert. Eine Kerze stand hinter einem Isolierglasfenster mit Zweifachverglasung und Metallbedampfung. Bei Tageslicht kamen durch diese Fensterscheibe noch 3000 Lux statt 4400 ohne Fensterscheibe. Mit der Kerze gemessen waren es 25 Lux ohne Fensterscheibe und 17 Lux mit Fensterscheibe zwischen Kerze und Messgerät. Das sind beides Mal ca. nur noch 68 % an Licht die durchkommen. Diese Kerze konnte ich aus 1036 Metern (Luftlinie, mittels Google Earth ermittelt) immer noch sehen. Allerdings war die Entfernung schon so groß, dass nur mittels daneben aufgestelltem Reflektor auch sagen konnte, dass dies tatsächlich die Kerze ist. Bei ansonsten absolut dunkler Umgebung wie am Nachthimmel traue ich durchaus zu, dass man die Kerze auch noch aus 2,6 km Entfernung sieht. Damit sind wir gleich bei einem wichtigen Punkt. Je heller die Umgebung in der die Taschenlampe leuchtet, desto schwerer ist sie auszumachen. Für die folgenden Betrachtungen gehen wir deshalb sehr konservativ davon aus, dass man eine Kerze einen Kilometer weit sehen kann (ohne Lichtverlust durch das Fenster wäre die Reichweite bedeutend besser gewesen). Das sind bei 1km Entfernung dann 0,000001 Lux (=1*10^-6 Lux, ein millionstel Lux), die beim Auge ankommen. Je nach Alter, Umgebungshelligkeit und Sichtverhältnissen könnten bereits 0,1 millionstel Lux ausreichend sein um das Licht zu sehen.
Interessanterweise nimmt man die Helligkeit mit dem Alter deutlich schlechter wahr, wie folgende Grafik der Firma 3M sehr eindrucksvoll zeigt:
Quelle: http://multimedia.3m.com/mws/media/882756O/brochure-3m-mikroprismatische-reflexfolien.pdf S.11

Sichtweite Taschenlampe
Mit dem quadratischen Abstandsgesetz können wir nun sehr einfach berechnen aus welcher Entfernung man die Taschenlampe sieht, die Formel lautet:
Entfernung in Metern einsetzen
Da wir hier davon ausgehen, dass ankommendes Licht noch gesehen werden kann, wenn es einmillionstel Lux beträgt, brauchen wir obige Formel zur Reichweite der Taschenlampe nur modifzieren.
Einige Beispiele: Die beliebte Nitecore TIP bündelt das Licht nicht sonderlich stark und hat in der ersten Stufe ca. 5 Candela (gemessen), macht eine Reichweite von 2,2 km und wer die erste Stufe mal gesehen hat, weiß, dass das nicht sehr hell ist. Im Turbomodus sind es nach offiziellen Angaben 1500 Candela und damit fast 39 km Reichweite! Eine TM26GT mit 124000 Candela kommt auf beeindruckende 352 km!

Reflektoren
Grundlagen
Jeder kennt sie, egal ob am Auto, Fahrrad, auf Leitpfosten oder Verkehrszeichen. Alle haben Reflektoren. Es gibt sie in den verschiedensten Farben. Am hellsten ist natürlich der Weiße, da er das gesamte Farbespektrum zurückstrahlt.
Reflektoren basieren auf der sog. Retroreflektion. Sie reflektieren das Licht immer in die Ausgangsrichtung zurück. Allerdings nicht ganz exakt, mit einer gewissen (minimalen) Streuung und nur deshalb nehmen wir sie wahr. Leuchtet mal ein Verkehrszeichen ganz normal an und seht wie hell es zurückstrahlt und dann haltet ihr die Taschenlampe genau zwischen die Augen und ihr werdet einen enormen Unterschied wahrnehmen. Bitte nur mit schwachen Stufen der Lampe probieren, auch die Retroreflektion kann sehr hell werden!
Es war wirklich schwer Reflektionswerte zu bekommen. Für herkömmliche Reflektoren habe ich kein Datenblatt gefunden und auch das Angebot dieser ist wohl sehr begrenzt. Am günstigsten kommt man an Reflexfolie heran und ist da in der Formgebung auch sehr flexibel
Es gibt verschiedene Reflektionsklassen, bei RA3/C die höchste ist. Das C ist der technische Aufbau, in diesem Fall Mikroprismen, und für uns weniger relevant. 3M verkauft solche Reflexfolien und nennt die Produktserie mit der höchsten Retroreflektion (deutlich höher als für die Einstufung in RA3 notwendig) 3M Diamond Grade DG. Es gibt auch noch weitere Hersteller wie z.B. Orafol, Avery, Reflecto. Allerdings konnte ich dort kein Produkt mit einem höheren Rückstrahlwert als bei 3M finden.
Der Rückstrahlwert hängt einerseits davon ab in welchem Winkel das Licht auftritt und andererseits hauptsächlich davon welcher Winkel zwischen Quelle und Beobachtung vorherrscht. Sehr einfach kann man das über ein Rechtwinkliges Dreieck berechnen http://www.arndt-bruenner.de/mathe/scripts/dreiecksberechnungrw.htm Dieser Onlinerechner ist einer der besten. Sobald man alle notwendigen Angaben gemacht hat, berechnet er den Rest komplett automatisch. Man trägt hier nur die Entfernung zum Reflektor als c ein, den Abstand zwischen Lichtquelle und Beobachtung als hc und schon erhält man den Beobachtungswinkel alpha. Bei 2 Metern Abstand zum Reflektor und 3,5 cm Abstand zwischen Lampe und Auge (z.B. Lampe auf Stirn) beträgt alpha schon 1°. Das klingt nicht nach viel, hat für die Retroreflektion allerdings zur Folge, dass nur noch eine Helligkeit von 150 Candela pro Lux und Quadratmeter erreicht wird. Für unsere Einsatzzwecke mit Reflektor auf großem Abstand spielt das allerdings weniger eine Rolle, da bei 1 Meter Abstand zwischen Lampe und Auge bei einem Kilometer Entfernung der Winkel gerade einmal 0,05° beträgt und damit noch deutlich höhere Werte als die 1000 erreicht werden. Im Übrigen habe ich festgestellt, dass es nachts auf diese Entfernung schlechter ist die Taschenlampe direkt auf Augenhöhe zu halten. Durch die Streuung in der Luft wird das Auge dabei viel stärker geblendet und der Reflektor ist schlechter zu sehen als wenn man die Taschenlampe am ausgestreckten Arm hält.
Hier mal die Rückstrahlwerte der 3M Folie:
Quelle: http://multimedia.3m.com/mws/media/1136428O/brochure-3m-diamond-gradedg3-reflexfolie-serie-4090.pdf S. 2
Hier mal das Bild einer weißen Reflexfolie. Die silbernen Bereiche sind die eigentlichen Mikroprismen, die das Licht spiegeln. Der weiße Bereich ist nicht retroreflektierend. Dies sorgt zwar für eine gute Sichtbarkeit bei Tag, dennoch wird durch diese Stellen die reflektionswirksame Fläche um 30 % reduziert oder anders ausgedrückt. Um dieselbe Lichtmenge zu reflektieren ist ein 30 % größer Reflektor erforderlich im Vergleich ohne diese „kahlen“ Stellen.

Rechts neben dem Reflexstreifen ist eine Mikroskopaufnahme abgebildet. Es fällt auf, dass die Mikroprismen breiter als hoch sind. Dies ermöglicht bei seitlichem Lichteinfall einen größeren Winkel abzudecken als bei vertikalem Lichteinfall. Deshalb empfiehlt 3M auch die senkrechte Montage. Wenn man einen Reflektor mit geringerem seitlichen Abdeckungsbereich bauen würde, könnte man auch hier noch deutlich höhere Rückstrahlwerte erzielen. Auch fällt ein geringer Abstand zwischen den Mikroprismen auf, dieser reduziert die wirksame Reflektionsfläche zusätzlich.

Auf die Größe kommt es an!
Zunächst hatte ich einfach einen Reflektor von ca. 5 cm² Größe angebracht, das hatte auf kurze Distanzen auch super funktioniert, doch irgendwann war Schluss, man hat einfach nichts mehr gesehen. Je größere der Reflektor, desto mehr Licht kann er „auffangen“ und zurückreflektieren und desto mehr kommt beim Empfänger davon an, hoffentlich genug, dass er auch den Reflektor sieht.
Wie groß der Reflektor nun sein muss, soll hier ausführlich berechnet werden. Wie bereits geschrieben beträgt die Mindestmenge an Licht ein Millionstel Lux, damit wir die Lichtquelle ausmachen können. Um etwas Reserve zu haben, rechnen wir mit 1000 Candela pro Lux und Quadratmeter Reflektorfläche.
Der Rechenprozess ist zweistufig. Zunächst wird berechnet wieviel Licht am Reflektor ankommt, siehe oben. Anschließend berechnen wir wieviel Candela reflektiert werden.
Reflektiertes Licht = Ankommendes Licht [Lux] * Rückstrahlwert * Reflektorfläche [m²]
Dieses reflektierte Licht muss den ganzen Weg wieder zurückgehen und nimmt hierbei ebenfalls quadratisch mit dem Abstand ab, sodass wir das reflektierte Licht nochmals in die Formel einsetzen müssen:
Ist dieser Wert nun größer als 0,000001, ist der Reflektor sichtbar (siehe oben).

Möchte man Bekannte beeindrucken wie weit die Taschenlampe reicht und bringt irgendwo einen Reflektor an, kommt folgende Frage auf: Was ist sinnvoller, den Reflektor größer zu machen oder die dickere Taschenlampe zu besitzen? Nun es besteht ganz einfach ein linearer Zusammenhang. Verdoppelt man die Candela, kann man den Reflektor halbieren und umgekehrt, denn in der Formel für das reflektierte Licht geht die Reflektorfläche linear ein und in der Formel für das ankommende Licht ebenso. Das größte Optimierungspotenzial für die Reflektoren besteht in der Reduktion des weißen Bereichs zwischen den Mikroprismen (30 % Gewinn) und zwischen den Mikroprismen (wenige % Gewinn).

Anhang
Zu diesem Dokument gehört eine Exceltabelle um die Berechnungen vorzunehmen. Bitte nur in den 4 weißen Feldern Werte eintragen, die anderen Werte werden automatisch berechnet.
 

Anhänge

  • Reichweite Taschenlampen.pdf
    555,6 KB · Aufrufe: 67
  • Reichweitenberechnungen.zip
    7,2 KB · Aufrufe: 30

Mr. Lux

Flashaholic*
7 Dezember 2013
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Viersen
Ach so, Reichweite. "Sichtweite" klingt etwas irreführend. Vielleicht kann man den Thread nochmal umbenennen...?
 
6 September 2017
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Acebeam
Reichweite = ANSI-Nema_FL1 http://flashlightwiki.com/ANSI-NEMA_FL-1 typischerweise im Bereich zwischen 100 und 800 Metern
Sichtweite = Entfernung aus der man die Taschenlampe noch sieht, wenn man direkt in sie schaut (wie oben geschrieben niemals aus wenigen Metern Abstand direkt in eine Taschenlampe blicken)
Zur Reichweite findet sich schon genügend, deshalb wurde die Sichtweite besonders intensiv untersucht und erläutert. Daher auch die Überschrift mit Sichtweite.
 

The_Driver

Flashaholic***
22 März 2012
7.255
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113
Essen
Was soll daran jetzt neu sein? Der FL1 Standard ist fast 10 Jahre alt.

EDIT: ok, ja, ich hatte das Ganze etwas zu schnell überflogen. Aus welcher Entfernung man eine Lampe noch erkennt, ist tatsächlich ganz interessant und wird hier selten besprochen.
 
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sma

Flashaholic**
8 Januar 2011
2.063
3.593
113
Aalen/Ulm, um, und herum
=> Aus welcher Entfernung man eine Lampe noch sehen kann.
Spannend daran ist, wie man bestimmt, wann man das Licht gerade noch sieht. Das ist an der Wahrnehmungsgrenze nicht trivial, es geht dann auch um Konstraste. Ich hab mich auch schonmal genauer damit beschäftigt, es wäre kein kurzer Artikel geworden und ich hab's erstmal gelassen.
Ebenso spannend ist, wie man realistische Luftverhältnisse einbezieht, denn ohne das ist es spätestens ab 10km nichts mehr wert. Dafür gibt es zumindest sinnvolle Richtwerte und Formeln (für die exponentielle Abnahme über die Entfernung), v.a. aus dem Bereich der Leuchttürme.
Das alles ist dann bei Throwern aber natürlich noch schwerer zu messen, als schon typische Dinge wie FL1.
 

The_Driver

Flashaholic***
22 März 2012
7.255
5.000
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Essen
Ich würde den Versuch mit der Kerze nicht als allgemein gültig ansehen. Da gibt es viel zu viele Variablen (z.B. Ungenauigkeit vom Luxmeter in den Randbereichen des Spektrums, eine Kerze strahlt hauptsächlich rotes Licht ab).

Auch muss bei Lampen beachtet werden, dass die angegebene Lichtstärke Richtungsbezogen ist (nur gerade nach vorne innerhalb des Abstrahlwinkels des Hotspots). Sobald man außerhalb des Spots und vor allem außerhalb der Corona einer Lampe ist, sinkt die Lichtstärke oftmals um Größenordnung(en) ab.

Ein paar Links:

ISS Flash Project - 2012 beleuchtet man die ISS von der Erde aus mit zwei sehr starken Scheinwerfern (jeweils 850W Kurzbogen Quecksilber Birnen, möglw. jeweils 800Mcd) und mit einem blauen 1W Laserpointer. Die Astronauten in der Station konnten beide Lichtquellen erkennen und haben es auf Fotos festgehalten.


Minimum lux at target required to recognize a defined target? - hier versuchte jemand im CPF auszurechnen, was der geringste Luxwert ist, den man benötigt, um im Wald eine kleine weiße Markierung eines Baums in 100m Entfernung erkennen zu können.
 
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6 September 2017
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Spannend daran ist, wie man bestimmt, wann man das Licht gerade noch sieht. Das ist an der Wahrnehmungsgrenze nicht trivial, es geht dann auch um Konstraste. Ich hab mich auch schonmal genauer damit beschäftigt, es wäre kein kurzer Artikel geworden und ich hab's erstmal gelassen.
Definitiv. Es hängt ganz klar auch von der Umgebungshelligkeit ab, steht so im Dokument. Und auch noch vom Alter!
Allerdings war die Entfernung schon so groß, dass nur mittels daneben aufgestelltem Reflektor auch sagen konnte, dass dies tatsächlich die Kerze ist. Bei ansonsten absolut dunkler Umgebung wie am Nachthimmel traue ich durchaus zu, dass man die Kerze auch noch aus 2,6 km Entfernung sieht. Damit sind wir gleich bei einem wichtigen Punkt. Je heller die Umgebung in der die Taschenlampe leuchtet, desto schwerer ist sie auszumachen.
Einen Artikel von dir dazu fände ich sehr spannend. Bei dieser Messung z.B. waren Natriumdampflampen als Straßenbeleuchtung in geringem Abstand vom Fenster. Diese lassen sich in der Entfernung nicht mehr in der Lichtfarbe unterscheiden, daher auch die Hilfe des Reflektors um über die räumliche Nähe noch sagen zu können "das ist die Kerze".

Ebenso spannend ist, wie man realistische Luftverhältnisse einbezieht, denn ohne das ist es spätestens ab 10km nichts mehr wert. Dafür gibt es zumindest sinnvolle Richtwerte und Formeln (für die exponentielle Abnahme über die Entfernung), v.a. aus dem Bereich der Leuchttürme.
Das wird echt nochmal spannend. Natürlich je feuchter/nebliger die Luft, desto geringer die Reichweite. Die spannende Frage ist, schluckt die Luft auf längere Entfernungen das Licht anders als in diesem Versuch (homogene Luftschichten vorausgesetzt). Irgendwann ist wegen der Erdkrümmug sowieso Schluss.

Ich würde den Versuch mit der Kerze nicht als allgemein gültig ansehen. Da gibt es viel zu viele Variablen (z.B. Ungenauigkeit vom Luxmeter in den Randbereichen des Spektrums, eine Kerze strahlt hauptsächlich rotes Licht ab).
Allgemeingültig ist das definitiv nicht. Es hängt wie oben geschrieben von der Luft und der Umgegungshelligkeit ab. Es wurde, wie geschrieben, sehr konservativ gerechnet und gilt für eine Bebauung mit nur Straßenlaternen ohne Beleuchtung der Fassaden. In diesem Fall wäre die Sichtweite natürlich geringer, Stichwort oben "Kontraste".

Minimum lux at target required to recognize a defined target? - hier versuchte jemand im CPF auszurechnen, was der geringste Luxwert ist, den man benötigt, um im Wald eine kleine weiße Markierung eines Baums in 100m Entfernung erkennen zu können.
Identification at 100 m was successful for 4, 2 and 1 lux and unsuccessful at 0.5 lux. Identification with 0.5 lux was restored at 75 meters. The identification at 1 lux was considered marginal.
Genauer Link zum Beitrag http://www.candlepowerforums.com/vb...fined-target&p=5105855&viewfull=1#post5105855

Danke, das deckt sich sehr gut mit meinen Werten. Sehr interessant dazu ist https://s.bega.com/fp-39143564/medi..._1/redbook_pdf_downloads/BE_LuB_2016_1_06.pdf
Laut meiner Berechnung (wie geschrieben, sehr konservativ, real vermutlich höhere Sichtweiten), wäre der Reflektor ab 2,25 Lux Beleuchtungsstärke sichtbar. Im CandlePowerforum bei stockdunkler Nacht war er bereits ab 1 Lux sichtbar. Im Anhang die bearbeitete Excel-Tabelle um selbst ein bisschen damit zu spielen. Die Schwellwerte für sichtbar oder nicht, sind gleich geblieben.

Lux-Wert ab dem nach Candle Power der Reflektor sichtbar wird 2,09468E-07 Lux
Laut https://nanopdf.com/download/sichtbarkeit-der-himmelskrper_pdf S.6 haben noch ohne Hilfsmittel zu sehenden Sterne 1,0E-08 Lux Der Tester im CandlePowerforum war 50 Jahre alt. Gut möglich, dass ein jüngerer beobachter unter absolut dunklen Nachthimmelbedingungen den Stern noch sieht.
 

Anhänge

  • Sichtbarkeit Reflektoren nach Candlepower.zip
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Hefty

Flashaholic
21 Februar 2017
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43
Schwerin
Das mit dem ISS Flash Project ist sehr spannend. Hab mich schon immer gefragt, ob das mal einer versucht hat und wie hell sowas aus dem All ist. Letztens sagte mein Vater noch scherzhaft, dass ich die Leute auf der ISS in Ruhe lassen solle:D. Ob man 1,5 Mcd auch schon sieht?:thumbdown: Weil der blaue Punkt ist schon ziemlich hell!
Werd da mal heute um 21:16 wieder hochleuchten;)
 
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Trustfire Taschenlampen