616133_Bunte Leinwand CMYK

(Bild: Osram)

Eine optimierte Farbqualität spielt in verschiedenen Bereichen der Allgemeinbeleuchtung eine wichtige Rolle. Bei der Wahl der optimalen Beleuchtung in Geschäftsfilialen geht es beispielsweise um die bestmögliche Präsentation und Bewerbung von Produkten sowie die Gestaltung einer angenehmen Atmosphäre. Bestimmte Farbeindrücke können kaufanregend wirken, ob bei einem farbenfrohen Kleid in einem Kaufhaus oder bei einem appetitlich grünen Salatkopf im Supermarkt. Aber auch für Museen, Ausstellungsräume, Konzepthotels und viele weitere Bereiche spielen Farbwahrnehmung und Farbwiedergabe eine wichtige Rolle. Designer von Lichtlösungen müssen bei der Gestaltung von Lichtkonzepten eine ganze Reihe von Kriterien beachten – darunter Systemeffizienz, Lebensdauer, Lichtstromrückgang, Lichtverteilung und -steuerung, Farbwiedergabe sowie Anschaffungs- und Betriebskosten.

EckDaten

Niedrige Betriebs- und Systemkosten sorgen dafür, dass sich die LED in der Allgemeinbeleuchtung durchsetzt. Bei der Beleuchtung in Geschäften oder Museen kommt es jedoch auf Farbwiedergabe und Farbqualität an, die durch Farbindizes wie den CRI charakterisierbar sind. Da dieser nur acht Testfarben umfasst und die Farbsättigung nicht berücksichtigt, kommen immer häufiger Ansätze wie die TM-30-Metrik zum Einsatz. Diese enthält 99 Testfarben und erlaubt die vektorgrafische Darstellung der Farbverschiebung. Aktuelle Entwicklungen wie beispielsweise der Brilliant-Color-Konverter von Osram stellen eine Lösung für Beleuchtungen dar, bei denen die Inszenierung farbiger Objekte im Vordergrund steht.

Bisher kamen in Bereichen, in denen die Farbwiedergabe der eingesetzten Lichtquellen besonders relevant ist, überwiegend Halogen- und Halogen-Metalldampflampen (HID) zum Einsatz. Diese überzeugen durch ihre Lichtausbeute und eine hohe Farbwiedergabe (CRI 90), deren Bestimmung bisher üblicherweise über den Color-Rendering-Index (CRI) erfolgte. Allerdings haben sowohl Halogen- als auch HID-Lampen einige signifikante Nachteile: Sie verursachen hohe Betriebskosten und haben eine weit geringere Lebensdauer als LEDs.

Durch den dann notwendigen Austausch von Teilen entstehen weitere Kosten. Außerdem können HID-Lampen durch ultraviolette und infrarote Strahlung Waren beschädigen, wenn diese der Strahlung zu lange ausgesetzt sind. Dank aktueller Entwicklungen in der LED-Technologie können heute jedoch auch Lichtsysteme auf Basis von LEDs alle Qualitätsaspekte im Bereich Farbwiedergabe, -temperatur und -konsistenz erfüllen. Darüber hinaus bieten LEDs die bekannten Vorteile wie lange Lebensdauer, geringe Betriebskosten und hohe Effizienz.

Farbwiedergabeindizes und Metriken

Die Bestimmung der Farbwiedergabe einer Lichtquelle erfolgt über verschiedene Farbwiedergabeindizes. Dabei wird ermittelt, wie exakt die Wiedergabe der Farben unter einer Testlichtquelle im Vergleich zu einer Referenzlichtquelle erfolgt. Die Ermittlung aller Farbwiedergabeindizes geschieht grundsätzlich nach dem gleichen Schema. Zuerst wird das Spektrum der Testlichtquelle bestimmt, gefolgt von der Berechnung der ähnlichsten Farbtemperatur (CCT) der Testlichtquelle. Die Auswahl der Referenzlichtart sollte entsprechend der Farbtemperatur der Testlichtquelle erfolgen.

Bild 1: Das Farbsegel stellt alle Farben dar, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.

Bild 1: Das Farbsegel stellt alle Farben dar, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. Osram

Bis hin zu einer Farbtemperatur von 5000 K dient der Schwarze Strahler (Plankscher Strahler) als Referenzwert, ab 5000 K erfolgt die Referenzierung gegenüber einer tageslichtähnlichen Spektralverteilung. Weiterhin wird ein Satz an Testfarben festgelegt, der beim CRI  aus acht verschiedenen Farben besteht. Die Ermittlung der Koordinaten der Farbörter in einem bestimmten Farbraum erfolgt aus den Absorptionsspektren der Testfarben und dem Testlichtspektrum – beim Referenzlichtspektrum ist die Vorgehensweise analog. Anschließend wird der euklidische Abstand von Testfarbort und Referenzfarbort im Farbraum berechnet, wobei nur die absolute Größe des Abstands ermittelt wird, nicht jedoch die Richtung. Diese entscheidet jedoch, ob eine Testfarbe gesättigt oder ungesättigt erscheint oder ob eine Farbverschiebung vorliegt.

Der bewertete Mittelwert der Abstände der Koordinaten aller Testfarben ergibt schließlich den entsprechenden Farbwiedergabeindex. Ein hoher Farbwiedergabeindex bedeutet dabei, dass sich die Testfarben bei Beleuchtung mit Referenz- und Testlichtquelle nicht unterscheiden. Der am häufigsten verwendete Farbwiedergabeindex ist der Color-Rendering-Index (CRI) der CIE (Commission internationale de l’éclairage) mit Ra als Farbwiedergabeindex.

 

Welche Schwachstellen der Farbwiedergabeindex Ra aufweist, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Schwachstellen des Ra

Es gibt jedoch mittlerweile viele Kritikpunkte an diesem Index. Die zur Ermittlung des Ra berücksichtige Palette mit acht Farben ist zu klein und gesättigte oder halbwegs gesättigte Farben fehlen vollständig.  Der Ra beschreibt lediglich die Abweichung zur Referenzlichtquelle, nicht jedoch die absolute Qualität der Farbverschiebung. Zwei verschiedene Lampen mit demselben Ra können daher völlig unterschiedliche Farbverschiebungen aufweisen. Damit ist die Aussagekraft des Ra sehr eingeschränkt. Der Wertebereich des Ra ist außerdem nicht nach unten beschränkt, Werte können also auch negativ sein.

Die willkürliche Festlegung des maximalen Wertes auf 100 impliziert jedoch häufig einen Wertebereich von 0 bis 100, woraus die falsche Verwendung einer Prozentangabe resultiert. Die im Zusammenhang mit dem CRI entwickelten Farbdiagramme zeigen alle Farben, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. Dieses, ursprünglich in Anlehnung an drei verschiedene Rezeptoren des Auges aufgebaute, dreidimensionale Gebilde, stellt den sogenannten x,y-Farbraum (englisch: Gamut) dar. Durch die mathematische Definition (zum Beispiel x + y + z = 1) ist es möglich, diese Diagramme zweidimensional darzustellen (x,y-Koordinaten für CIE1931) – bekannt als Farbsegel oder  Horseshoe-Diagram (Bild 1).

Bild 2: Der Index zur Farbwiedergabe CRI ist unabhängig von der Sättigung. Beispiele für CRI 80: entsättigt mit einer LED (links) und gesättigt mit einer Osram Soleriq-S-Brilliant-Color-LED.

Bild 2: Der Index zur Farbwiedergabe CRI ist unabhängig von der Sättigung. Beispiele für CRI 80: entsättigt mit einer LED (links) und gesättigt mit einer Osram Soleriq-S-Brilliant-Color-LED. Osram

Bild 3: Visualisierung der CRI-80-Lösungen: entsättigt - natürlich - übersättigt.

Bild 3: Visualisierung der CRI-80-Lösungen: entsättigt – natürlich – übersättigt. Osram

Eine ideale Lichtquelle verfügt somit über die Möglichkeit, all diese Farben abzubilden. Spätestens hier wird klar, dass der Ra maximal eine kleine Stichprobe darstellt. Hinzu kommt, dass der Index die Farbsättigung nicht berücksichtigt. Um die Farbqualität von Lichtquellen komplett beschreiben zu können, muss neben der Farbwiedergabe sowohl die Sättigung als auch die Farbtonverschiebung betrachtet werden. Diese beeinflussen die Farbwahrnehmung und das Gefallen von Licht stark. Kommt beispielsweise für die Beleuchtung eines Geschäfts eine LED zum Einsatz, deren Effizienz für die Straßenbeleuchtung optimiert ist und die einen CRI-Wert von mäßigen 70 aufweist, unterscheiden sich die Farbörter zwischen Referenz- und Sollfarborten deutlich von den Test- beziehungsweise Istfarbörtern.

Die roten und blauen Farben erscheinen außerdem deutlich weniger gesättigt. Bild 2 macht die Unabhängigkeit der Sättigung vom CRI deutlich: Die Beispiele weisen jeweils einen CRI-Wert von 80 auf, die Farben werden jedoch je einmal entsättigt (links) und gesättigt (rechts) wiedergegeben. Die Fläche, die dabei jeweils vom roten Polygon umschlossen ist, wird auch als Gamut-Area oder Farbgamut bezeichnet. Ist diese Fläche größer als die blaue Referenzfläche, so spricht man von einer Vergrößerung des Farbgamuts (rechts). Ist die umschlossene Fläche kleiner, wird der Farbgamut reduziert (links). Bild 3 zeigt die Unterschiede zwischen entsättigten und gesättigten Farben.

 

Auf der folgenden Seite stellt der Beitrag die TM-30-15-Metrik als neuen Ansatz für Farbwiedergabeindizes vor.

Neue Ansätze: TM-30-15-Metrik

Tabelle 1: Vergleich der Farbindizierung nach CIE CRI und IES TM-30.

Tabelle 1: Vergleich der Farbindizierung nach CIE CRI und IES TM-30. Osram

Aufgrund dieser Schwachstellen in der Berechnung der Farbwiedergabeindizes gibt es dafür mittlerweile alternative Ansätze. Der aktuellste und populärste Ansatz ist die TM-30-15-Metrik der Illuminating Engineering Society (IES). Diese beinhaltet zum einen den Fidelity-Index Rf. Fidelity beschreibt dabei die Farbwiedergabe, also die Ähnlichkeit der Testlichtquelle zur Referenz. Die Unterschiede zwischen TM-30-15 und CIE-CRI beschreibt Tabelle 1. Als Referenzlichtquellen beim TM-30-Verfahren dienen wie beim Vorgängeransatz der Plancksche Strahler und die Tageslichtphase, allerdings ohne den sprunghaften Wechsel bei einer Farbtemperatur von 5000 K.

Der für Lichtplaner vermutlich nützlichste Aspekt der TM-30-Methode ist jedoch die vektorgrafische Darstellung der Farbverschiebung (Bild 4). Damit lässt sich der Einfluss der Lichtquelle auf bestimmte Farben sehr einfach und schnell erkennen. Hinzu kommen Indizes, welche die Lichtqualität einer Lichtquelle auch in anderen Aspekten als der Farbwiedergabe beschreiben – beispielsweise den beschriebenen Farbsättigungsgrad.

Studien belegen, dass Menschen gesättigte Farben gegenüber ungesättigten präferieren. Hier kommen daher Metriken wie der Feeling-of-Contrast-Index (FCI), der Gamut-Area-Index (GAI) oder die Color Quality Scale (CQS) zum Einsatz. Auch die TM-30-15-Metrik enthält einen Gamut-Index Rg, mithilfe dessen sich die Gamutflächen von Testlicht und Referenzlicht vergleichen lassen. Der Rg stellt damit einen Indikator für die Farbsättigung und Farbpräferenz dar.

Bild 4: Die vektorgrafische Darstellung der Farbverschiebung beim TM-30-Verfahren.

Bild 4: Die vektorgrafische Darstellung der Farbverschiebung beim TM-30-Verfahren. Osram

Daneben gibt es auch Metriken für spezielle Einsatzgebiete wie beispielsweise Fernsehübertragungen. Die bisher beschriebenen Farbwiedergabe- und Farbreferenzindizes sind auf die Wahrnehmung des Menschen optimiert. Sollen jedoch auch Kameras oder andere Sensoren die Szenen einfangen, sind andere Ansprüche an die Lichtquelle zu stellen. Als Farbwiedergabeindex für Fernsehkameras wird daher der Television-Lighting-Consistency-Index (TLCI) genutzt.

 

Wie der Brilliant-Color-Konverter von Osram für optimale Farbwiedergabe und -konsistenz sorgt, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

Aus der Forschung in die Praxis

Bild 5: Die Farbkoordinaten der Soleriq-S-Reihe mit Brilliant-Color-Konverster.

Bild 5: Die Farbkoordinaten der Soleriq-S-Reihe mit Brilliant-Color-Konverter. Osram

Die gute Nachricht: die aktuellen LED-Generationen können alle diese Standards erfüllen. Sogar bei den besonders kritischen Vorgaben für Fernsehübertragungen von Sportgroßereignissen kommen heute Beleuchtungslösungen auf Basis von LEDs zum Einsatz. Osram Opto Semiconductors entwickelt stetig Lösungen, die Verbesserungen für die Farbwiedergabe bei LEDs ermöglichen. Beispielsweise sorgt der Brilliant-Color-Konverter für bessere Farbwiedergabe und -sättigung.

Durch die Optimierung des Konverters hin zu einem Brilliant-Color-Konverter ist es den Ingenieuren in Regensburg gelungen, die Farbsättigung nahezu aller Farbtöne zu erhöhen, indem im Vergleich zur HID-Lampe nicht nur grüne und rote, sondern alle Farben Betonung finden. Somit ist die Brilliant-Color-Konvertermischung eine geeignete Lösung für alle Beleuchtungsanwendungen, in denen die perfekte Inszenierung von farbigen Objekten im Vordergrund steht.

Die Konvertermischung ist momentan in einer Chip-on-Board-LED (CoB) der Soleriq-Familie verfügbar, die insbesondere für Anwendungen mit hohen Qualitätsansprüchen mit Strahlern und Downlights geeignet ist. Der Farbort der Brilliant-Color-Variante liegt leicht unter dem Planckschen Kurvenzug (Bild 5) und vermeidet somit einen störenden grünlichen oder gelben Farbeindruck. Gleichzeitig bietet sie ein klares, schönes Weiß und eignet sich so sehr gut für die Beleuchtung von Geschäften sowie alle Einsatzbereiche, in denen es auf Farbwiedergabe und -konsistenz ankommt.

Carolin Horst

Expertin für Solid State Lighting und Lichtqualität, Applikationsabteilung für SSL-Anwendungen bei Osram Opto Semiconductors

(na)

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.
*

Ich habe die AGB, die Hinweise zum Widerrufsrecht und zum Datenschutz gelesen und akzeptiere diese.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?