Bei einem Goniometer handelt es sich um ein Messinstrument mit einer rotierenden Achse, das zum Messen von Lichtstrom und Lichtstärkeverteilung einer Leuchte dient. Die Lichtstärke lässt sich dabei durch die Vermessung der Beleuchtungsstärke (Fernfeld) oder Leuchtdichte (Nahfeld) von einer festen Entfernung zum rotierenden Leuchtkörper aus bestimmen. Mit ausreichender Winkelschrittweite und entsprechendem Winkelbereich ist es möglich, den Lichtstrom durch das Aufsummieren aller Lichtstärkewerte aus den verschiedenen Messrichtungen zu berechnen. Aus der Lichtstärkeverteilung lassen sich beispielsweise transversale/longitudinale Isolux-Kurven oder Kegeldiagramme erstellen.

Arten von Goniometern

Mit Goniospektrometern lassen sich sämtliche LED- und LED-basierenden Produkte hinsichtlich der winkelabhängigen Eigenschaften umfassend charakterisieren.

Auf einen Blick

Die Entwicklung und Konstruktion energieeffizienter Lampen und Leuchten erfordern eine präzise photometrische Messtechnik mit geeigneten Photometern. Mit Goniospektrometern lassen sich präzise Licht- und Leuchteigenschaften genauso exakt messen wie die Abstrahlcharakteristik sämtlicher LED- und LED-basierenden Leuchten.

Das System von GL Optic ist für die Vermessung von LED-basierenden Lampen konzipiert und deckt die gesamte Wertschöpfungskette von kleinen Einzel-LEDs über LED-Module und Light-Engines bis hin zu großen LED-Lampen und -Leuchten ab. Dabei erfolgt die Messung der Lichtstärkeverteilung von Lampen und Leuchten in verschiedenen Ebenen.

Die Anzahl der Intensitätsverteilungskurven sowie die Auswahl bestimmter Messebenen hängen von der Lichtquelle, dem verwendeten Goniometertyp und der Gesamtzahl der Verteilungskurven ab. In der CIE-Norm (Publication No. 70) sind die Goniometertypen 1, 2 und 3 definiert und alternativ nach ihren Messebenen A, B oder C benannt. Auch die Amerikanische Norm IESNA LM-75-01 spricht von A-, B- oder C-Goniometern.

Bild 1: Die Darstellung verdeutlicht, warum sich Typ-C-Goniometer für die Vermessung von Allgemeinbeleuchtungssystemen eignen.

Bild 1: Die Darstellung verdeutlicht, warum sich Typ-C-Goniometer für die Vermessung von Allgemeinbeleuchtungssystemen eignen.GL Optic

  • Typ-A-Goniometer weisen eine feste horizontale Achse nebst einer beweglichen und dazu senkrechten Achse auf. Bei der Messung dreht sich die Lichtquelle um die horizontale Achse, während die andere Achse in einer festen Position bleibt (Drehung und Hebung). Die Geräte eignen sich besonders für Kfz-Leuchten.
  • Goniometer vom Typ B haben eine fixierte vertikale Achse und eine bewegliche horizontale. Hier dreht sich die Lichtquelle um die vertikale Achse, während die andere Achse in fester Position bleibt (Hebung und Drehung).  Typ-B-Instrumente eignen sich für Bildschirme und Flutlichter.
Bild 2: Ein Polardiagramm der Gamma-Winkel zwischen C-Ebenen-Messungen.

Bild 2: Ein Polardiagramm der Gamma-Winkel zwischen C-Ebenen-Messungen.GL Optic

  • Typ-C-Goniometer schließlich sind sehr spezielle Instrumente mit einer fixierten vertikalen und beweglichen horizontalen Achse. Messungen finden in der C-Ebene oder auf konischen Oberflächen statt. Diese Variante unterscheidet sich vom Typ B nur dadurch, dass die Lichtquelle um 90° gedreht ist. Internationale Normen wie IESNA-LM-79-08 empfehlen Typ C für Systeme der Allgemeinbeleuchtung (Bild 1). Die Messung der C-Ebenen zeigt ein Polardiagramm (Bild 2).

Die optimale Messanordnung

Herkömmliche Lichtquellen wie Leuchtstoffröhren oder Natriumlampen stellen spezielle Anforderungen an ihre Positionierung. Jede Positionsänderung führt zu einem deutlichen Abfallen des Lichtstroms.

LED-Lampen sowie einzelne LEDs und OLEDs reagieren bei goniometrischen Messungen weniger empfindlich auf Positionsänderungen. Jedoch sind aufgrund des Wärmemanagements dieser Lampen durchaus beachtliche Effekte möglich. So können sich Spektrum und Intensität ändern, wenn die LED-Lampe horizontaler Schwenkung unterliegt. Daher erlaubt IESNA-LM-79-08 nur vertikale Schwenkung (Typ-C-Gonio). Außerdem erfordern IESNA-LM-79-08 konforme Messungen die Energy-Star-Kennzeichnung. Die Drehgeschwindigkeit bei der Messung hat ebenfalls Einfluss auf die Wärmeübertragung durch Konvektion.

Bild 3: Typ-C-Goniometer der Serie GL Gonio besitzen eine fixierte vertikale und bewegliche horizontale Achse.

Bild 3: Typ-C-Goniometer der Serie GL Gonio besitzen eine fixierte vertikale und bewegliche horizontale Achse. GL Optic

In Goniospektrometern kommt ein Spektrometer in einer bestimmten Entfernung zur Lichtquelle zum Einsatz. Der Spektrometer führt die Messungen durch, während der Goniometerarm das Leuchtmittel bewegt. Tatsächlich kann solch ein Instrument die räumliche Verteilung aller relevanten photometrischen Größen gleichzeitig messen. Dazu zählen E, I, CCT, CRI und die Hauptwellenlänge.

Der Raum, in dem die goniometrischen Messungen stattfinden, sollte schwarze Oberflächen mit niedrigen Reflexionswerten aufweisen, um Streulicht zu reduzieren. Dabei hängt die Größe des Raumes vom Typ des Goniometers ab. Die Halterung der LED-Lampen ist so am Gerät angebracht, dass die Drehachsen sich durch sein photometrisches Zentrum bewegen und die Achse des Leuchtmittels parallel zur optischen Achse liegt. Für eine Fernfeldmessung muss die Entfernung zwischen Photometer und Goniometer laut IESNA-LM-79-08 mindestens fünfmal länger sein als die größte Länge der Lambertschen Lichtquelle, um eine ausreichende Messgenauigkeit sicherzustellen. Ist die Lichtquelle stärker gerichtet, sollte die Entfernung größer sein – IESNA-LM-11-97 spricht etwa von der mindestens zehnfachen Entfernung.