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Lichtqualität beurteilen

Farbkonsistenz bei LED

Auf einen Blick Farbtemperatur reicht nicht Haben zwei LED die gleiche Farbtemperatur in Kelvin, bedeutet das noch nicht, dass sie auch die gleiche Lichtfarbe haben

Zusätzliche Angaben Man sollte auf einen geringen MacAdam-Wert achten, optimal ist ein SDCM-Wert von weniger als 3
Zur Beurteilung der Lichtqualität sollten Nutzer und Hersteller ihr Augenmerk unter anderem auf die sogenannte Farb­konsistenz (auch: Farbtoleranz) richten. Bei einzelnen Leuchten spielt dieses Thema ­keine Rolle. Überall jedoch, wo mehrere Leuchten einer Serie in einem Raum installiert sind, führt eine geringe Farbkonsistenz schnell zu einem ungewollten, manchmal unschönen, Farbenspiel, vielleicht sogar mit einem hässlichen Grünstich zwischendurch (Bild 1).

Die Farbkonsistenz ist ebenfalls bei Projekten wichtig, bei denen ein homogenes Farbbild auch bei zukünftiger Wiederbeschaffung eine hohe Priorität hat. Ist das Licht aus der ersten Charge vielleicht noch sichtbar gleich, kann sich die zweite Charge zwei oder drei Jahre später schon deutlich verändert haben. Zwar ist dies in erster Linie eine Frage der Ästhetik, allerdings braucht es dafür keine allzu hohen Ansprüche. Wer dieses Phänomen bereits einmal mit eigenen Augen gesehen hat, wird es in oder an seinem Gebäude auf jeden Fall vermeiden wollen.

Dieses Problem trat bei der Glühlampe nicht auf. Zwei 60-W-Lampen von unterschiedlichen Herstellern hatten stets die gleiche Farbtemperatur, gemessen in Kelvin (K). Diese Farbtemperatur wird direkt am Wolfrahmdraht gemessen, es handelt sich also tatsächlich um eine Messung der Temperatur. Zwei Glühbirnen mit 2700 K leuchten deshalb auch mit dem exakt gleichen Weiß.

Kelvin-Wert bei LED nur bedingt aussagekräftig

Bild 1: Gleiche Leuchten, unterschiedliche Lichtfarben: Fehlende Farbkonsistenz, ein Zeichen mangelnder Qualität
Bild 1: Gleiche Leuchten, unterschiedliche Lichtfarben: Fehlende Farbkonsistenz, ein Zeichen mangelnder Qualität
Ganz anders bei der LED. Zwar geben Hersteller hier ebenfalls einen bestimmten ­Kelvin-Wert an, allerdings nur, weil es ihnen an einer Alternative fehlt. Denn mit der »Temperatur« im eigentlichen Sinne hat es beim Warm-, Neutral- oder Kaltweiß von LED nichts mehr zu tun: An keinem Ort der LED werden auch nur annähernd so hohe Temperaturen erzeugt wie am Wolframdraht der Glühlampe.

Die Angabe der Farbtemperatur in Kelvin dient damit also lediglich als Vergleichswert, welcher der Farbtemperatur an der Glühlampe am ähnlichsten erscheint, auch ­Correlated Color Temperature (CCT) genannt. Den Maßstab bilden die Koordinaten der CIE-Normfarbtafel (CIE = Commission internationale de l’éclairage, deutsch internationale Beleuchtungskommission) und die sogenannte Black Body Curve (BBC). Letztere stellt die weißen Farborte eines idealen Strahlers für verschiedene Lichtfarbtemperaturen dar, oder anschaulicher ausgedrückt: Genau auf ihr liegen die idealen Weißtöne, die denen der klassischen Glühlampe und denen des natürlichen Sonnenlichts entsprechen – vom morgendlichen und abendlichen Warmweiß bis zum Kaltweiß des Tageslichts.

Die Kenntnis der exakten Koordinaten entscheidet

Bild 2: Beide markierten Farborte liegen bei 4000K, dennoch erzeugen sie 
unterschiedliche Farbtöne
Bild 2: Beide markierten Farborte liegen bei 4000K, dennoch erzeugen sie unterschiedliche Farbtöne
Misst man die Farbtemperatur nicht in ­Wärme, sondern errechnet sie nur, kann sich dies bei mangelnder Sachkenntnis oder Sorgfalt eines Herstellers jedoch schnell als entscheidende Fehlerquelle entpuppen: Zunächst misst ein Spektrometer das Spektrum einer bestimmten Leuchte. Das Ergebnis fließt dann in die Formel-Berechnung, an deren Ende dann eine ähnlichste Lichttemperatur steht.

Wer hier nur auf die Temperaturangabe achtet und sich mit einem möglicherweise erreichten Wunschergebnis begnügt, übersieht etwas Entscheidendes: Punkte mit derselben Farbtemperatur liegen nämlich keineswegs automatisch auf der Black-Body-Kurve (BBC), sondern auch darüber und darunter. Bei der klassischen Glühlampe war dies kein Problem, weil sie immer weiß leuchtete und deshalb, unabhängig von der genauen Farbtemperatur, automatisch auf der BBC lag.

Genau das ist bei der LED nicht automatisch der Fall. Die zwei mit einem roten Punkt markierten Farborte in Bild 2 zum Beispiel liegen beide bei 4000 K.

Dennoch erzeugen sie ersichtlich unterschiedliche Farbtöne – die eine eher mit einem Grünstich, die andere ins Rötliche gehend. Was Hersteller deshalb genau kennen müssen, sind die exakten x/y-Koordinaten der CIE-Normfarbtafel, auf denen der durch die Spektrometer-Messung ermittelte Farbort ­ihrer Leuchte liegt. Nur in Verbindung mit diesen Koordinaten ist die errechnete ähnlichste Farbtemperatur überhaupt aussage­kräftig.

Farbreinheit oder MacAdam-­Ellipsen als taugliche Alternativen

Bild 3: Innerhalb der Ellipse SCDM = 1 nimmt man keine Farbunterschiede wahr, 
innerhalb der Ellipse SCDM = 3 nur sehr geringe
Bild 3: Innerhalb der Ellipse SCDM = 1 nimmt man keine Farbunterschiede wahr, innerhalb der Ellipse SCDM = 3 nur sehr geringe
Sind die Koordinaten bekannt, existieren zwei Methoden, mit denen sich die tatsächliche Farbähnlichkeit zweier Leuchten überprüfen bzw. sicherstellen lässt. Eine davon ist die Farbreinheit. Diese konzen­triert sich darauf, wie nah ein bestimmter Farbort mit ähnlichster Temperatur auch tatsächlich an der BBC liegt. Sie berücksichtigt also einerseits die Lage des Farb­ortes in Längsausrichtung zur Black Body Curve, andererseits den direkten Abstand zur Kurve. Das Entfernungs-Optimum ist eine Farbreinheit von 100. Dann liegt der Farbort exakt auf der Kurve. Von wirklicher Qualität lässt sich erst ab einem Wert von 90 sprechen.

Die zweite ist die klassische Methode: Das MacAdam-Verfahren, das, wie die CIE-Normfarbtafel, aus der frühen Zeit des Fernsehens stammt. David MacAdam ging seinerzeit von einem gewünschten Ziel-Farbort aus und umgab diesen mit mehreren Ellipsen. Je ­größer die Ellipse, in dem der tatsächliche Farbort einer Leuchte liegt, desto größer ­natürlich die Abweichung vom Ziel-Farbort und desto schlechter die Farbähnlichkeit. Dabei spricht man als Maßstab von Ellipsen mit verschiedenen Stufen oder Schritten oder vom sogenannten SDCM-Wert (Standard Deviation of Colour Matching). Liegt der tatsächliche Farbort innerhalb einer dreistufigen Ellipse, nimmt der Mensch den Unterschied zum Ziel-Farbort kaum noch wahr, innerhalb einer einstufigen Ellipse gar nicht mehr (Bild 3).

Ein langjähriger Makel am MacAdam-­Verfahren: Die Studien, auf denen das ­Mac­Adam-Verfahren basiert, wurden vor 80 Jahren mit nur einer Testperson durch­geführt. Im Jahr 2014 hat die TU Ilmenau die Studie mit einer höheren Anzahl von Test­personen wiederholt und dabei ermittelt, dass die Methodik und die Ellipsengröße an sich in einem zufriedenstellendem Maß funktionieren.

Es gibt allerdings ein Problem, das bestehen bleibt: Bei der MacAdam-Methode wurden nur ganz bestimmte Farborte auf der CIE-Normfarbtafel mit Ellipsen versehen. Es existiert also eine endliche Anzahl dieser Farb­orte, die auf der gesamten Normfarbtafel verteilt liegen. Orientiert man sich blind an diesen, bekommt man ähnliche Probleme, wie sie schon im Zusammenhang mit der ähnlichsten Farbtemperatur beschrieben wurden.

Um dies zu vermeiden, führt deshalb auch hier kein Weg daran vorbei, sowohl die Koordinaten der BBC als auch die der Farborte der jeweiligen Leuchte exakt zu kennen. Die Ellipsen-Mittelpunkte mit den Ziel-Farborten müssen dann genau auf die BBC gesetzt werden. Nur dann ist sichergestellt, dass sich der Leuchten-Farbort nicht nur nah am Ziel-Farbort befindet, sondern dass es sich dabei auch um rein weißes Licht ­handelt.

Labore wie unseres, die Produkte verschiedener Hersteller vermessen, erhalten immer wieder Leuchten mit SDCM-Werten von 10 oder mehr. Dies ist ein klarer Indikator dafür, dass die Qualität auch in diesem ­Bereich noch stark schwankt. Und das ­obwohl seitens der Europäischen Union seit 2013 ein SDCM-Mindestwert von < 7 vor­geschrieben ist. Über die Gründe hierfür lässt sich nur spekulieren. Mangelnde Sorgfalt oder schlichte Unkenntnis? Ebenfalls ­auffällig ist, dass selbst anspruchsvolle Hersteller häufig nur bei den Leuchten den ­SDCM-Wert angeben, bei denen ­ihnen daran gelegen ist.

Fazit

Falls die Priorität im Projekt auf einem homogenen Farbbild liegt, reicht es nicht aus, vom Hersteller nur eine Garantie auf den CCT-Wert, beispielsweise ± 5 %, zu fordern. Um nicht nur bei der Erstanschaffung, sondern auch bei eventuellen Wiederbeschaffungen Jahre später ein gleiches Bild zu erhalten, muss man zwingend auf die Einhaltung eines geringen Mac­Adam-Wertes achten. Anwender sollten deshalb beim Einkauf unbedingt auf den SDCM-Wert achten, wenn sie sich später nicht über Farbinkonsistenzen ärgern möchten. Ein SDCM-Wert von weniger als 3 wäre hier eine optimale Wahl.
Über den Autor
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Dr. Claudius Noack

Dozent für Licht- und Messtechnik, HAW Hamburg

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