Einführung

Wie oft wurde schon darüber diskutiert, dass ein installiertes Licht „wärmer“ sein sollte oder dass es das „falsche Weiß“ hat oder dass es irgendwie nicht wie erwartet aussieht? Zumindest so oft, dass den Fachleuten der Beleuchtungsindustrie bereits graue Haare gewachsen sind. Die Quantifizierung und Beschreibung immaterieller Attribute ist eine schwierige Aufgabe und gestaltet die Beleuchtungsindustrie meistens kompliziert und verwirrend. Nur wenige Themen rufen dieselben Emotionen und Meinungsverschiedenheiten hervor, wie die Lichtqualität und -farbe, insbesondere, wenn neue Metriken und Anforderungen auf dem Plan stehen.

Legislative Maßnahmen durch die California Energy Commission (CEC) und die Ausgabe der Norm IES TM-30-15 haben erneutes Interesse seitens der Industrie an Methoden zur Messung der Farbqualität geweckt, weshalb viele in der Branche nun nach einem besseren Verständnis suchten, wie Farbe beschrieben wird. Die nachfolgenden Erklärungen decken alles vom Grad der Präzision der wiedergegebenen Farben im Vergleich zu den Vorlieben, wie Farben ausgegeben werden, über die Mängel der Verwendung des Farbwiedergabeindexes (Color Rendering Index, CRI) bis hin zu alternativen Metriken und der MacAdam-Ellipse ab. Um diese Auseinandersetzungen zu verstehen und um zu begreifen, wie verschiedene Metriken die Branche beeinflussen könnten, müssen zunächst die vorhandenen und angeführten Metriken verstanden werden.

Chromatizität

Die Chromatizität ist eine Beschreibung der farblichen Erscheinung einer Lichtquelle und wird im Allgemeinen als zwei Punkte auf einer Ebene angegeben, die als Farbraum bekannt ist.

Schwarzkörperkurve

Ein Schwarzkörper ist ein theoretisches Material, das sämtliche auf ihn auftreffende elektromagnetische Strahlung absorbiert, was es zum idealen Sender macht. Die Schwarzkörperkurve ist eine Darstellung der elektromagnetischen Strahlung, die von einem Schwarzkörper emittiert würde, wenn dieser auf eine bestimmte Kelvin-Temperatur erwärmt würde. Wenngleich es keine perfekten Schwarzkörperstrahler gibt, funktionieren Wolframfäden bis zu dem Punkt, an dem sie schmelzen, auf eine nahezu perfekte Weise, was diese Kurve für die Praxis relevant macht. So ist beispielsweise das Aussehen eines auf 2700K erwärmten Schwarzkörpers eine warm-weiße Chromatizität, die näher am gelb-orangen Ende des Spektrums liegt, während eine auf 5000K erwärmte Schwarzkörperkurve eine kühl-weiße Chromatizität ergeben würde, die sich näher am blauen Ende des Spektrums befindet. Die von der Chromatizität dieser theoretischen Spektren erzeugte Kurve bildet die Grundlage für die korrelierte Farbtemperatur, die die Beleuchtungsindustrie nutzt, um das Aussehen von weißem Licht zu beschreiben.

Korrelierte Farbtemperatur

Die korrelierte Farbtemperatur (engl.: Correlated color temperature, CCT) ist die Temperatur, bis zu der ein Schwarzkörper aufgewärmt werden muss, um dasselbe Aussehen des Lichts zu haben. Ähnlich wie sich erwärmte Objekte verhalten, hat weißes Licht ein „wärmeres“ Aussehen bei niedrigen CCTs mit mehr roten und orangefarbenen Komponenten im Spektrum. Wenn der CCT steigt, enthält das Spektrum vergleichsweise mehr violette, blaue und grüne Komponenten und weist ein „kühleres“ Aussehen auf. Zur Information: Die meisten Glühlampen liegen bei 2600K bis 2700K, Halogenlampen mit heißeren Glühfäden werden mit 2900K und 3000K betrieben, und die meisten kaltweißen Leuchtstofflampen haben eine farbliche Erscheinung von 4000K bis 4100K. Aufgrund von mehreren Chromatizitäts-Koordinatenpaaren können höhere CCTs dieselbe korrelierte Farbtemperatur aufweisen, aber jede individuelle Chromatizitätskoordinate kann nur eine korrelierte Farbtemperatur haben. CCT wird jedoch bedeutungslos, wenn die Lichtfarben einen deutlichen Farbton haben.

MacAdam-Ellipse

In Spezifikationen und Anforderungen gibt es Verweise auf die Chromatizität und MacAdam-Ellipsen oder -Vierecke. Die MacAdam-Ellipse ist nach D.L. MacAdam benannt, einem Physiker, der den „gerade noch merklichen Farbunterschied“ zwischen zwei Lichtern erforscht und dabei entdeckt hat, dass es 3 Standardabweichungen oder Schritte rund um einen Punkt auf der Schwarzkörperkurve gibt. Dieser Bereich im Farbraum rund um den CCT-Zielpunkt auf der Schwarzkörperkurve ist im Allgemeinen elliptisch, und so erhielt die MacAdam-Ellipse ihren Namen. Während MacAdam auf 3 Schritte verweist, führten die Produktionsbeschränkungen und die Realität der Erkennung eines Farbunterschieds in der Praxis im Gegensatz zu der unter Laborbedingungen zu anderen Unterschieden als die verwendeten 3 Schritte. Bei der LED-Produktion erfolgt üblicherweise eine Einteilung in „Bins“, und die Binning-Technik bevorzugt Vierecke anstelle von Ellipsen. Die Konsistenz variiert zwischen den einzelnen Produkten, aber für einige Muster lagen die linearen Leuchtstofflampen näher bei 4 oder 5 Schritten, während CFL- und LED-Produkte im allgemeinen näher bei 7 Schritten lagen. Die LED-Toleranzen sind im Verlauf der Zeit enger geworden und einige Produkte sind viel konsistenter.
Der Nachteil dieses Systems besteht darin, dass wenn zwei Produkte sich an den gegenüberliegenden „Seiten“ der Ellipse befinden, der Unterschied schon deutlich ausfallen kann. Dies gilt sogar schon für relativ kleine Ellipsen. Selbst bei einer 3-stufigen Ellipse können Produkte, die sich auf der Ellipse ganz außen gegenüberliegen, sechs Standardabweichungen voneinander entfernt sein. Die meisten Spezifikationen verweisen immer noch auf 7-stufige Ellipsen oder Vierecke, aber die CEC hat ihre Anforderungen erhöht und fordert nun vielmehr eine 4-stufige Ellipse.

Farbwiedergabeindex

Der Farbwiedergabeindex CRI (aus CIE 13.3 1995) ist eine der ältesten Metriken und die am häufigsten in Programmen und Vorschriften aufgeführte Messmethode. Sie nutzt die Präzision des Vergleichs einer Reihe von Prüffarbmustern mit der Farbausgabe von einer idealen Quelle. Diese wird per Computer anhand der spektralen Leistungsverteilung der Lichtquelle berechnet.

Es gibt 14 Farbmuster im Farbwiedergabeindex. Die ersten acht Farbmuster sind ein Bereich relativ ungesättigter Pastellfarben, die nächsten vier sind stark gesättigte Farben, und die letzten zwei – Farbmuster 13 und 14 – sind hellgelb-pink bzw. olivgrün. Die spektrale Leistungsverteilung wird mit der Farbcharakteristik jedes Musters verglichen, und es wird eine Punktzahl generiert. Die Punktzahl wird negativ von einer Unter- oder Übersättigung beeinflusst. Die Punktzahlen reichen von unter Null (negative Zahlen) bis zu einem maximalen positiven Wert von 100.

Die allgemeine Wiedergabe-Punktzahl Ra (die üblicherweise als der CRI eines Produkts bezeichnet wird), nutzt nur die Wiedergabe der ersten acht Farbmuster. Die zusätzlichen Chips werden als Ergänzung betrachtet und bleiben unberücksichtigt. Da die Berechnung des Ra nur aus ungesättigten Farben besteht, kann ein recht guter CRI erreicht werden, ohne dass eine effektive Wiedergabe von tief gesättigten Farben möglich ist. So ist beispielsweise der am häufigsten auftretende Mangel von Phosphor-basierten Produkten ein tiefes Rot – eine Farbe, die durch die Musternummer 9 dargestellt werden würde. Eine niedrige R9-Punktzahl kann dazu führen, dass Objekte mit roten Untertönen (wie etwa die menschliche Haut, Stein- oder Holzprodukte) ausgewaschen aussehen oder einen unnatürlichen Farbton aufweisen.

Die logische Folgerung, dass eine Quelle mit einer höheren Farbwiedergabe vor einer Quelle mit einer niedrigeren Farbwiedergabe zu bevorzugen ist, trifft allerdings nicht immer zu. Die Farbpräferenz folgt nicht unbedingt dem CRI, und einige Studien haben ergeben, dass die Präferenz bestimmte übersättigte Farben (wie etwa Rot) aufweist, eine Charakteristik, die in den CRI-Berechnungen ausgeschlossen ist. Darüber hinaus ist der Vergleich des CRI von Lichtquellen mit einem deutlich unterschiedlichen CCT nicht sinnvoll.

Trotz dieser Mängel gilt CRI weiterhin als eine gute Metrik für die Farbqualität und ist hinlänglich bekannt. Sie wird vom US-amerikanischen Energieministerium, der CEC und freiwilligen Programmen wie etwa dem ENERGY STAR-Programm der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde und dem DesignLights Consortium als Referenz angeführt. Der CRI hat außerdem den Vorteil, dass es sich um eine Einzelzahl-Metrik handelt und somit leichter zu merken ist. Darüber hinaus impliziert die Einbeziehung der Metrik in vorhandene Gesetze und Programme, dass die Industrie CRI in nächster Zeit aller Wahrscheinlichkeit nach aufgeben wird.

Gamut Area Index

Anstatt sich auf die Wiedergabetreue einer Lichtquelle zu konzentrieren, bewertet der so genannte Gamut Area Index (GAI) üblicherweise dieselben Farbmuster wie der CRI (1-8) und ordnet diese Bewertungen anschließend dem 1995 CIE Farbraum zu. Im Allgemeinen gilt: je größer/höher die Farbbereichsbewertung, umso gesättigter werden farbige Objekte erscheinen. Diese Metrik allein ist jedoch nicht sonderlich nützlich und wird daher meistens in Verbindung mit dem CRI verwendet. Ein GAI kann über 100 liegen, was zu einem niedrigeren CRI führt, da die Farben übersättigt erscheinen. Ein hoher CRI und ein hoher GAI werden als gute Indikatoren der Farbqualität betrachtet, aber – wie bei jeder Metrik – ist dies nicht perfekt. Der GAI wurde vom nordamerikanischen Markt nicht umfassend angenommen, und da der CRI von den Verbrauchern nur mäßig verstanden wird, ist die Übernahme einer zusätzlichen Metrik nicht unbedingt von Vorteil.

Lichtquellen der Klasse A

Um 2013 herum hat das Lighting Research Center eine vereinheitlichte, leicht verständlich Metrik vorgeschlagen. Diese Metrik wurde durch die Kombination bereits vorhandener Metriken mit einer „Linie mit minimaler Tönung“ in der Chromatizität entwickelt, die aus den durchgeführten Experimenten abgeleitet wurde. Diese Experimente haben gezeigt, dass, abhängig von der korrelierten Farbtemperatur (CCT), das Auftreten keiner Tönung über oder unter der Schwarzkörperkurve liegen konnte. Diese Linie befindet sich unter der Schwarzkörperkurve für CCTs unter 4000K und über der Kurve für höhere CCTs. Der andere Teil der Metrik ist die Sättigung und die Farbwiedergabe, und die Anforderung hierfür ist, dass die Lichtquelle einen CRI von mehr als 80 und einen GAI zwischen 80 und 100 hat.

IES TM-30-15: Technisches Memorandum zur Bewertung von Licht

IES TM-30-15 wurde 2015 veröffentlicht und seine Einführung hat beträchtliches Interesse an der Farbmetrik geweckt. Dieses technische Memorandum nimmt die Vorgehensweise auf, die bereits von einigen anderen Methoden genutzt wurde. Sie besagt, dass nicht eine Metrik allein die passende ist, sondern dass zwei Metriken zusammen ein besseres System ergeben. Die IES hat auch ein Berechnungs-Softwaretool veröffentlicht, dass die spektrale Leistungsverteilung für die Generierung der Metrik nutzt.

Ebenso wie beim CRI-System werden mehrere Farbmuster für die Auswertung genutzt, allerdings werden bei dieser Methode statt 8 Muster 99 Muster für den Vergleich der Farben zwischen der Prüfquelle und dem referenzierten Leuchtmittel herangezogen. Alle Muster basieren auf realen Objekten und enthalten zweckmäßigerweise gesättigte Farben. Zusätzlich zur Anzahl der Muster werden die referenzierten Leuchtmittel ausgetauscht, so dass die Schwarzkörperstrahlung unter 4500K liegt, die kontinuierlicher als eine Mischung zwischen Schwarzkörperquelle und dem CIE Tageslicht-Leuchtmittel von 4500 bis 5500K ist, und das CIE Tageslicht-Leuchtmittel über 5500K liegt. Im CRI-System führt ein großer Versatz bei 5000K zu Diskontinuität.

TM-30-15: Messung der Farbtreue

Ähnlich wie beim CRI gibt es eine Metrik, die die Farbtreue misst, d. h. wie präzise von einer Lichtquelle beleuchtete Farben wiedergegeben werden. Die Metrik, die TM-30-15 für diese Farbtreuemessung nutzt, wird als Rf bezeichnet. Wenngleich die Skala von Rf der CRI-Skala ähnelt (bis zu 100, wenn die Wiedergabe dem Referenz-Leuchtmittel entspricht), so führen die signifikanten Unterschiede bei den Farbmustern wahrscheinlich zu anderen Ergebnissen.

Es gibt möglicherweise Fälle, in denen Lichtquellen, die speziell für das CRI-System entwickelt wurden oder die entwickelt wurden, um die Effizienz bei einem bestimmten CRI zu maximieren, Werte aufweisen, die mit der Einführung der gesättigten Farbmuster der Rf-Metrik gesunken sind. Ebenso kann es Produkte mit niedrigeren CRI-Werten geben, die bei Berücksichtigung des breiteren Farbmusterbereichs einen viel höheren Rf-Wert aufweisen. Da diese Unterschiede beträchtlich sein können, wird von der einfachen Verschiebung einer vorhandenen Anforderung von CRI zu Rf abgeraten. Bis die Industrie, die Planer und die Gesetzgeber die Veränderungen bewerten und die Produkte mit verschiedenen Rf-Werten beurteilen konnten, führen auf dieser Metrik basierende Anforderungen möglicherweise nicht zu den gewünschten Ergebnissen. Sowohl die National Electrical Manufacturers Association (NEMA) als auch die Illuminating Engineering Society (IES) selbst raten von einer obligatorischen Einbeziehung von Farbwiedergabemessungen in die Vorschriften ab, bis ein Konsens bezüglich der entsprechenden Metriken und Werte erzielt ist.

TM-30-15: Farbraumindex

Der zweite Faktor der TM-30-15 Metrik ist der Farbraumindex oder Rg. Der Farbraumindex nutzt dieselbe Farbmusterreihe wie die Rf-Metrik und einen durchschnittlichen Bereich des Farbraums des geprüften Leuchtmittels für den Vergleich mit dem Referenz-Leuchtmittel. Diese Metrik kann jedoch über oder unter 100 liegen, was Verwirrung stift. Bei 100 erhöht oder verringert das Muster nicht die Farbsättigung im Vergleich zum Referenz-Leuchtmittel. Über 100 wird die geprüfte Quelle einige Farben übersättigen, und unter 100 werden einige Farben untersättigt. Ein visueller Vergleich, bekannt als eine Farbvektorgrafik, kann bei Bedarf genutzt werden, um Differenzen zu veranschaulichen. Diese Grafik zeigt, welche Bereiche des Farbraums über- bzw. untersättigt sind.

In einem Vakuum existiert jedoch keine Sättigung, und eine Über- bzw. Untersättigung schränkt ein, wie hoch der maximale Rf-Wert einer Lichtquelle sein kann. Wenn eine Quelle bei einem Level, der dem der Referenzquelle entspricht, nicht gesättigt ist, kann sie kein perfektes Ergebnis erzielen.

TM-30-15: Einschränkungen

Wie alle Systeme unterliegt auch TM-30-15 Einschränkungen hinsichtlich seiner Anwendbarkeit.

Rf und Rg sind Durchschnittswerte, die auf einem geprüften Muster basieren. Zwei Muster mit derselben Bewertung geben nicht unbedingt jedes Objekt oder jede Farbregion identisch wieder. Die Bereiche von besonderem Interesse verfügen, falls anwendbar, möglicherweise über weitere Information zur Farbvektorgrafik.

Ein Vergleich der Rf- und Rg-Werte von Lichtquellen mit verschiedenen CCTs ist nicht sinnvoll, da die Referenzquellen unterschiedlich sein können. Eine 3000K-Quelle mit einem Rf- und Rg-Wert von 80 zeigt Farben etwa ganz anders an als eine 5000K-Quelle mit einem Rf- und Rg-Wert von 80. Das ist nicht anders als bei der vorhandenen CRI-Metrik, ist aber beachtenswert.

Eine Präferenz ist ebenfalls nicht in der Metrik enthalten. Wie in „Quellen der Klasse A“ erwähnt, stimmen die wahrgenommenen farbtonlosen Chromatizitäten nicht unbedingt mit den theoretischen Chromatizitäten überein, und zu diesen Linien gibt es einige Untersuchungen, die Präferenzen für Chromatizitäten unter der Schwarzkörperkurve zeigen. Es gibt außerdem Untersuchungen, die belegen, dass die Übersättigung bevorzugt werden kann oder – abhängig davon, wo die Übersättigung auftritt – zumindest nicht abgelehnt wird. Auch hier ist es ähnlich wie beim aktuellen CRI-System: Präferenz und Farbtreue folgen nicht immer demselben Pfad.

Wenngleich dies kein Problem mit der Metrik per se ist, sei abschließend darauf hingewiesen, dass die theoretischen maximalen Leuchteffizienzen für gute bis hohe Rf- und Rg-Ebenen niedriger als beim CRI sind. Dies hängt mit der breiteren Palette der Muster zusammen, die saturierte Farben umfasst und erfordert, dass eine Lichtausgabe im sehr niedrigen und sehr hohen Wellenlängenbereich des sichtbaren Spektrums erfolgt. Da diese Bereiche eine vergleichsweise niedrige photometrische Reaktion aufweisen, senkt die Einbeziehung von Energie in diesen Spektren im Gegensatz zu photopisch effizienten Spektren die theoretischen Effizienzen. Dies ist ebenfalls identisch mit dem, was bei höheren CRIs passiert, wo die Einbeziehung saturierterer Farben (insbesondere Rottöne) erforderlich ist und das Produkt weniger effizient macht.

Zusammenfassung

Die Farbmetriken sorgen weiterhin für Verwirrung, und die Bestrebungen, sie zu verbessern, um ein System zu entwickeln, das auch für Laien im Bereich der Beleuchtung zu verstehen und anzuwenden ist, dauern an. TM-30-15 der IES ist der jüngste Versuch, das bestehende CRI-System zu verbessern. Zu diesem Zweck wurden einige Mängel behoben, insbesondere bei Betrachtung der Ausgabe von gesättigten Quellen. Das System ist nicht perfekt, aber der Begriff trifft auf keine bisherige Spezifikation, Methode oder Metrik zu. Ob die TM-30-15 Metrik mit Rf und Rg langfristig angenommen wird, ist ungewiss, aber im Gegensatz zu vorherigen Versuchen zur Verbesserung des CRI fordern einige Behörden, Programme und Planer die Daten an bzw. erlauben deren Veröffentlichung. Das ENERGY STAR-Programm der US-amerikanischen Umweltschutzbehörde erfordert, dass die TM-30-15-Metriken von den Zertifizierungsstellen gemeldet werden, und sowohl die LED Lighting Facts des US-Energieministeriums als auch das DesignLights Consortium lassen TM-30-15 als ein optionales Feld zu, das auf den Produkten aufgeführt werden darf. Dieses frühe Interesse von gewichtigen Marktteilnehmern zeigt das Potenzial für die neuen Metriken, aber der CRI wird nur schwer als Bannerträger zu verdrängen sein, weil weiterhin in verschiedenen Gesetzen der US-Umweltschutzbehörde auf ihn verwiesen wird und die CEC einen hohen CRI und R9 in ihren Energieeffizienzvorschriften für Gebäude und Haushaltsgeräte fordert.

Falls Sie irgendwelche Fragen haben, kontaktieren Sie bitte Austin Gelder unter Austin.Gelder@ul.com.