Licht

Farbwiedergabe

Um die Qualität eines Scheinwerfers zu beurteilen, werden viele Kriterien herangezogen. Zum Beispiel die homogene Ausleuchtung der Lichtfläche, die Randzeichnung, der Farbrand, das Abschattverhalten, das Streulicht, die Farbhomogenität oder auch die Lichtfarbe selbst.

  1. Farbort
  2. Gamut
  3. CRI 1931
  4. CIE 1976
  5. TLCI
  6. TM-30-15
  7. Das weißere Weiß
  8. Fazit

Während wir bei einem Shootout mit unseren Augen die Lichtqualitäten der Scheinwerfer vergleichen können, ist man beim Vergleich von Datenblättern auf die angegebenen Daten angewiesen. Sind in unserer Branche einige technische-Daten wie die Lichtverteilunsgkurve in den Hintergrund gerückt, so sind mit dem neuen Leuchtmittel LED und deren verschiedenen Arten und Varianten Weisslicht zu generieren, Kriterien die die Farbqualität bezeichnen, mehr gefragt denn je. Die Farbwiedergabe ist in anderen Gewerken schon lange eine elementarere Eigenschaft und so wurde schon sehr früh hierzu eine Normung durchgeführt. Fangen wir erst einmal ohne weit auszuholen mit dem Farbort an.

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Farbort

Die internationalen Beleuchtungskommission CIE (Commission internationale de l’éclairage) hatte schon 1931 Farben in ein zweidimensionales Diagramm gezwungen. Über das Normfarbsystem XYZ kann jede Farbe beschrieben werden. Mit z = 1 – x – y kann nun mit einer x-Koordinate und y-Koordinate den Farbort genau in einem zweidimensionalen Diagramm angegeben. Der Weisspunkt ist jeweil ein Drittel jeder Farbe bzw. bei x=y=0,333… . Als Weisspunkt kann man auch sagen das dies eine völlig ungesättigte Farbe ist. Im Umkehrschluss sind die Farben am Rand des Farbdreiecks zu 100% gesättigt also Kraftvoll. Ist der Planck’sche Kurvenzug eingezeichnet – kurz erklärt, der Planck’sche Kurvenzug stellt die unendliche Aneinanderreihung von Farborten dar, wenn ein schwarzer Körper kontinuierlich erhitzt wird. Je heißer er wird, umso mehr strahlt er auch kurzwellige Strahlung ab. Vereinfacht dargestellt, ein Stück Stahl wird erst rotglühend, wird es noch heißer, wird es weiß glühend. So wird auch unser Wolframfaden in der Halogenlampe mit Strom erhitzt. Deshalb werden alle Frequenzen kontinuierlich abgestrahlt. Zurück – Gibt man die x und y Koordinaten des gemessenen Scheinwerferlichts in das Diagramm ein, so kann man schnell sehen, ob der Farbort des Scheinwerfers oberhalb der Planck’sche Kurve liegt. Das Licht erscheint in unseren Auge grünstichig. Liegt der Farbort darunter erscheint das Licht Magenta-stichig. Diese Abweichung wird dann mit Duv angegeben. LED-Scheinwerfer mit vielfarbigen LEDs können mit Tint ihren Farbort ins Grüne oder Magenta verschieben. LED-Scheinwerfer mit Weisslichtarrays dagegen nicht. Gleichzeitig zeigt der Farbort auch an, bei welcher Farbtemperatur des Plankschen Kurvenzug das gemessene Licht am nächsten ist. Die wird dann mit CCT (Corrrelated color temperature) angegeben z.B. 6561K wobei K für Kelvin steht und ohne Leerzeichen direkt an die Zahl angehängt wird. Correlated deshalb, weil der Kandidat nur in die Nähe (ähnlichste Farbtemperatur) des Kurvenzuges kommt, also grün- oder magentastichig ist und nicht genau darauf liegt. Kleine Wertedifferenzen wirken sich im Bereich der niedrigen Farbtemperatur stärker, sind also deutlich sichtbarer, aus als im kaltweißen Bereich. Das sollte man bei der Betrachtung der Messwerte berücksichtigen.

Die Abbildung zeigt eine Nachbildung für die xy Normfarbtafel für die Abgabe von Farborten
Das Farbdreieck nach CIE ist eine zweidimensionale Umrechnung des dreidimensionalen Farbraums. Hiermit lassen sich Farben bzw. der Farbort mit zwei Größen darstellen, den x und y Wert. Am Randbereich des “Hufeisen oder Schuhsole” sind die Wellenlängen der spektralen Farben angegeben. Die untere Verbindungslinie sind die “imaginären” Farben, welche in unserem Gehirn interpretiert werden: eine Mischung aus Rot und Blau. (Bild: Herbert Bernstädt)

Gamut

Des Farbraum wird mit Gamut (GAI Gamut Aea Index) bezeichnet und als Wert angegeben. Die 8 Referenzfarben die auch im CRI Anwendung finden (siehe weiter unten), schlagen ein Oktaeder auf. Dann betrachtet man inwieweit das Licht diesen Farbraum ausfüllt. Als Referenzlicht wird das Tageslicht definiert. Ist der Farbraum gleich dem Farbraum durch die Referenzfarben, dann wird der Wert 100 erreicht. Mit den farbigen LEDs ist es möglich auch eine höhere Sättigung der Farbe als die Referenzquelle zu erreichen. So sind auch Werte oberhalb von 100 möglich, weil dann der Gamut bzw. der Farbraum größer ist als die der Referenz. Man spricht dann auch von Lebendigkeitsindex. Z.B. wenn der rote Samt im LED-Licht noch lebendiger erscheint als unter Halogenlicht. Bei Betrachtung aus dem künstlerischen Aspekt kann eine Farb-LED-Lichtquelle viel kräftigere Farben wiedergeben als bei eine konventionellen Lichtquelle. Somit ist die LED auch als Bereicherung. Dennoch werden die Werte dann nicht gut bzw. Hoch ausfallen, denn es geht bei den Messwerten um natürliche Wiedergabe und nicht bestmögliche „Lebendigkeit“.

Man muss am besten den GAI im Zusammenhang mit den CRI betrachten. Ist der CRI klein und der GAI klein, so hat man weder Farbtreue noch Sättigung, also eine schlechte Lichtqualität. Ist der CRI klein aber der GAI hoch, erhält man ein buntleuchtendes Bild, jedoch mit den „falschen“ Farben, was jedoch vom Betrachter oft eher akzeptiert wird, als bei einem hohen CRI bei kleinem GAI, wo der Betrachter ein fades Bild bescheinigt, obwohl die Farbtreue sehr hoch ist. Erst wenn CRI und GAI hoch sind, kann man von einer naturgetreuen Abbildung mit optimalen Farbton und Sättigung sprechen. Der Farbraum wird auch von dem später behandelten TM-30-15 definiert, jedoch sind dort die Berechnungen und Vorgaben anders gesetzt. So kann das z.B. ein Gamut GAI von 93, einem Gamut Rg von 97,5 aufweisen. Also bei der Gamut-Angabe kommt es darauf an auf welche Weise der Gamut bestimmt wurde und hier helfen die Indizes bei der Unterscheidung.

Beschreibt den möglichen Farbraum innerhalb des Farbdreiecks
Der Farbraum, der von einem CMYG- Scheinwerfers mit Entladungslampe und mit einem extremen Grün als zusätzlichen Filter abgedeckt wird. (Bild: Herbert Bernstädt)

CRI 1931

Mit dem Farbort können wir zwar sagen wie „weiß“ also warmweiß, kaltweiß, 3200K oder 5600K, grün- oder Magentastichig, die Lichtquelle selbst erscheint, aber nicht wie ein bestrahlter Körper in seinen Farben erscheint. Denn der Körper kann nur die Lichtfrequenzen reflektieren, mit der er auch bestrahlt wird. Und der gleiche Farbort der Lichtquelle kann je nach Leuchtmittel aus unterschiedlichen Farbfrequenzen zusammengemischt sein. Um nun die Farbwiedergabe zu beurteilen hat man den CRI (Color Rendering Index) Ra eingeführt bei dem man mit 8 Testfarben (R1-8) vergleicht wie gut diese Testfarben wiedergegeben werden kann. Dabei wird noch unterschieden ob die Referenzlichtquelle als planckscher Strahler angenommen wird, bei Farbtemperaturen unterhalb 5000K oder als Tageslicht oberhalb 5000K. Dann werden die Farbabweichungen gewichtet und die einzelnen Ergebnisse zu einem Gesamtwert gemittelt und als Ra von 0 bis100 angegeben, wobei dies nicht mit Prozentwerten verwechselt werden darf. Je höher der Wert ist umso besser wird die Farbe getroffen. Dabei wird aufgrund des Zahlenwertes kein Rückschluss möglich, ob dies nun zu gesättigt oder zu blass oder wie sehr die Farben verfälscht werden.

Ein weiteres Problem beim CRI Ra ist, das bei dem über 50 Jahre alten Standard, bei dem noch keiner an LEDs gedacht hatte, sondern für Glühlicht mit hohen Rotanteil entwickelt wurde, als Referenzfarben nur Pastelltöne verwendet werden. Die Wiedergabe gesättigter Farben findet hierbei keinen Einfluss. So ist der CRI nur eine erste Richtmarke, die die Tendenz der Farbwiedergabe wiederspiegelt. Leuchten mit gleichen CRI können demnach unterschiedlich gut oder schlecht andere Farben wie Rot Gelb oder Grün wiedergeben, da diese Lichtfrequenzen gesättigter Farben weniger Einfluss bei den Pastelfarben haben und die Frequenzzusammensetzung der Leuchte unterschiedlich sein kann, trotz gleichen CRI. In der Architektur hat man bereits früh angefangen bestimmte Arbeitsbereiche bestimmte Lichtqualitäten zu fordern. So wurde von der DIN auch eine Stufeneinteilung definiert die den Ra  Werten entspricht:

RA DIN 5035 Anforderung Farbbeispiel
90-100 1A Sehr hoch 3 Testfarben gut wiedergegeben
80-89 1B 3 Testfarben akzeptabel wiedergegeben
70-79 2A hoch 3 Testfarben ungesättigt wiedergegeben
60-69 2B
40-59 3 mittel
20-39 4 gering

 

Referenzfarben 1 bis 8
CRI 1931 Referenzfarben Ra

CIE 1976

Mit aufkommen der Leuchtstofflampen und deren Farbmischung mit verschieden Banden bzw. Phosphormischungen und dementsprechenden entstehenden Farbpeaks, war der erste Handlungsbedarf gegeben und hatte 1965 die CIE 013.3 zur Folge die noch 1974 und 1995 nachgearbeitet wurde. Für die weitere Verbesserung  zur Beurteilung wurden gesättigte Farben hinzugefügt um eine bessere Aussage des CRI zu erreichen. Dabei spielt für uns insbesondere die Betrachtung des R9 Wertes für ein gesättigtes Rot eine große Rolle. Einmal da Weißlicht LEDs aus blauer LED und Phosphorschicht meist nur einen geringen Rotanteil haben und zum anderen da unsere Kamerasensoren rot meist schwächer detektieren. Deshalb wird bei der CRI Betrachtung gerne die einzelnen Farben in ihrem Einzelwert betrachtet wie in unseren Beispielbild zu sehen ist.

Die CRI Farben R1-8 werden jedoch unterschiedlich zu den Farben R9-14 berechnet. Meist werden auch die Farben R9-14 gar nicht in der Berechnung berücksichtigt, sondern nur als Diagramm dargestellt. Durch den verwendeten Algorithmus bzw. durch das Verhältnis setzen der Farben zueinander ist es auch möglich, das ein Einzelwert auch negativ werden kann.

Referenzfarben Re
Re: Erweitert mit den Referenzfarben R9-R14
Re Farbdiagramm
Beispiel einer CRI Betrachtung der Einzelwerte – hier mit einem deutlich ins Negative abgerutschtem Rotanteil R9. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Farbdreieck nach CIE1976
Der Farbraum L u‘ v‘ nach CIE 1976. Gegenüber dem Farbdreieck von 1931 ist die Berechnung für diese zweidimensionale Farbortbestimmung so gestaltet, dass die Farbunterschiede möglichst gleiche Abstände zueinander haben, was bei der „Schuhsohle“ nicht der Fall ist, wenn man z.B. sich alleine die ausgeprägte Grünfläche bei der „Schuhsohle“ ansieht.

TLCI

In der Film und Fotobranche sind die Schwächen der CRI Werteermittlung insbesondere bei Betrachtung im Zusammenhang mit Aufzeichnung- und Bildgebenden Geräten und den Hauttönen von Menschen ebenfalls ein Dorn im Auge und so hat 2012 die European Broadcasting Union (EBU) ebenfalls die Farbpalette nach den eignen Bedürfnissen im Hinblick auf  die Wiedergabe mit einer Kamera, zusammengestellt. Dabei verwendet man die Farben der X-Rite Farbtafel, welche auch für das Einstellen der Kamera benutzt wird. Je eine Zeile aus 6 Feldern als  Graukeil, zwei Zeilen mit gesättigten Farben, eine Zeile aus natürlichen Farben.

Insbesondere damit der Bildingenieur weiß mit welchen Korrekturmaßnahmen rechnen muss, hat man die Berechnung auch darauf ausgelegt, wie es eine Kamera detektiert wird und nicht wie das menschliche Auge es wahrnimmt. Genauer, während die Empfindlichkeitsspektren von den Zapfenzellen bei Rot und Grün sich sehr stark überlappen, unterscheidet ein CCD Sensor die Spektrenberiche sehr gut. Wie beim CRI ist hier die Skala von 1 bis 100 wobei 100 das Optimum darstellt. Ziel ist es die Kosten in der Post-Produktion die durch aufwendige Korrekturen entstehen, den Kosten durch günstigere Lichtquellen mit geringeren Farbwiedergabequalität gegenrechnen zu können. Darüber hinaus ist über den Index zu sehen, wie aufwendig eine Korrektur der Farben sein wird. Es werden sogar bei bekannten Quellen auch Tabellen mit Korrekturwerten für die einzelnen Parameter mit zur Hand gegeben.

Index Korrektur
85-100 Farben Korrigierbar bzw. nicht notwendig
75-85 Nach Korrektur noch akzeptabel
50-75 Aufbereitung sehr Zeitaufwendig
25-50 Nicht mehr zu retten- verbesserbar
0-25 ist und bleibt nicht akzeptierbar

Abschätzung des Aufwandes für Farbkorrektur in der Postproduction.

24 Referenzfarben
Referenzfarben des Television Lighting Consistency Index (TLCI)

TM-30-15

Spätestens mit den heutigen LED Lichtquellen und deren Spektren ist ein besseres Verfahren zur Beurteilung der Farbwiedergabe notwendig. Die illumination engineering society of America (IES) hat dazu 2015 die TM-30-15 entwickelt, welcher nun auf 99 Referenzfarben (CES Color Evaluation Samples) zurückgreifen, die auf realen Objekten wie roten Zwiebeln, Orangen u.s.w. basieren. Leider wurden wieder reine gesättigte Farben ausspart. Die Bewertung folgt nach einem ähnlichen Prinzip wie beim Ra allerdings mit einer anderen Bewertung und eben mit mehr und besseren Farben. Im direkten Vergleich fallen Ra und Fidelity-Index Rf vom Wert her unterschiedlich aus, wobei meist nun der Rf kleiner ist.

Der Farbraum ist nach CIE-CAM02-UCS zugrunde legt, der den dreidimensionalen Farbraum berücksichtigt. Auch hier wird wie bei CRI von 0-100 jede Einzelfarbe bewertet. Man nennt das Referenz-Spektrums-Ähnlichkeits-Index nun Fidelity-Index abgekürzt Rf. Dabei wird auch die Art der Referenzlichtquelle unterschieden zwischen Tageslicht und Glühlicht wobei die Trennung bei 5000K erfolgt, jedoch mit dem Unterschied zum Ra das hier zwischen 4500 und 5500K ein weicher Übergang erfolgt. Dann wird der verfügbare Farbumfang (Gamut-Index Rg) berücksichtigt der Wert von ca. 60 bis 140 annehmen kann. Beim TM-30-15 besteht der Referenz-Gamut aus 16 Farben, aber ansonsten analog zum GAI ist. Zur Veranschaulichung der Farbqualität wird daraus ein Vektordiagramm erstellt aus dem hervorragend die Farbverschiebung dargestellt wird. Man sieht schnell den Einfluss der Lichtquelle auf die Farben denn von den 16 Referenzfarben werden mit Vektoren die Farbverschiebungen zur gemessenen Lichtquelle angezeigt. Damit kann man sehr schnell ersehen, welche Farbveränderung zu erwarten sind.

Mit dem Diagramm werden Unterschiede ersichtlich, welche gleiche Indexwerte trotz unterschiedlichen Lichtquellenarten nicht vermuten lassen. Für die Gegenüberstellung von Fidelity- und Gamut-Index hat man sich für wie im Bild gezeigtes Koordinatensystem entschieden. Eine Glühlampe mit Rf=100, Rg=100 wird rechts an der Spitze als Optimum dargestellt. Den hellgraue Bereich a) in dem Diagramm kann keine Lichtquelle die auf dem Plankschen Kurvenzug liegt, erreichen. Während der dunkelgrauen Bereich b) durch kein reales Leuchtmittel erreicht wird.

99 Farben für TM-30
99 Testfarben für TM-30-15 und ein etwas anderer Algorithmus für die Farbabweichung.

 

REferenzkreis zur Vergleichsobjekt
Der blaue Kreis spannt die Fläche der Referenzfarben. Die Vektoren zeigen auf die resultierenden Farborte durch die gemessene Lichtquelle. Man erkennt deutlich große Vektoren (Grüne Pfeile) von der roten Seite hin zum Weißpunkt. Das zeigt uns, dass die rote Farbe blass wiedergegeben wird, es fehlt Rot in der Lichtquelle. Im gelben Farbbereich zeigt der Vektor nach Außen ins Grünliche. Damit sehen wir, dass diese Farbe verstärkt ins Grünlichere gezogen wird. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

TM-30 Farbqualitätsdreieck
Grafische Anordnung der Fidelity Index Rf und Gamut Index Rg nach TM-30-15.
1) Halogenleuchtmittel
2) MSD Sylvania BA 250
3) Weißlicht LED 5600K
4) Weißlicht LED 3200K
5) W, KW, RB, B, R, G, C, A LEDs
6) Leuchtstofflampe
(Bild: Herbert Bernstädt)

 

Das weißere Weiß

Für die Kollegen, die auf jeden Fall auffallen möchten, ist wahrscheinlich ein Leuchtmittel mit einer Farbtemperatur von 8.500 K am geilsten. Denn wie wir wissen, sind 8.500 K (K für Kelvin – eine Gradangabe entfällt hier) ein bläulicheres Weiß, welches uns physiologisch suggeriert, dass das Licht heller und kräftiger ist, eben wie ein sonniger Mittag im Hochsommer mit dem dunkelblauen Himmel. Die Kollegen, die mit Aufzeichnungsgeräten unterwegs sind, bevorzugen dagegen ein Lichtspektrum, das der über den Tag gemittelten Sonnenstrahlung am nächsten kommt, was nach unserer DIN ein D65 wäre oder kurz eben Entladungslampen mit 6.500 K. Auf diese Kurve wurde empirisch aus vielen Messungen an unterschiedlichen Tagen und Zeiten gemittelt. Dabei sollten möglichst alle Spektralfarben vorhanden sein und sich die pegelmäßigen Ausreißer (Linien) nicht zu sehr vom Mittelwert abheben. Unsere Freunde aus dem Theater verwenden als Grundlage ihre mit 3.200 K Farbtemperatur abstrahlende Halogenleuchtmittel. Im direkten Vergleich sieht das Halogenlicht gegenüber einer Tageslichtquelle „müde“ aus, besitzt aber einen entscheidenden Vorteil. Das Spektrum ist kontinuierlich und steigt vom blauen zum roten hin immer weiter an, bis es sich aus dem sichtbaren Licht verabschiedet. Somit hat man ein sehr starkes Rot zur Verfügung und es gibt keine einzelnen Ausreißer einer Lichtfarbe bzw. Frequenzlinie. Abgesehen davon, dass man traditionsbedingt sehr wohl in der Lage war Halogenlicht zu dimmen, jedoch Entladungslampen immer mechanisch verdunkelt werden mussten.

Farbdreieck mit zwei Farborten eienr Farbfolie je nach Leuchtmittel
Sehr gutes Beispiel eines absorbierenden Filters zeigt den Farbort bei Verwendung einer Tageslichtquelle (D65 als Viereck dargestellt) und einer Halogenlichtquelle (Normlicht „A“) (als ausgefüllter Punkt dargestellt).
Hier sind die resultierenden Farborte beinahe dem Weißpunkt des Farbdreiecks gegenüberliegend.
Max-Blue von Rosco nach Max Keller
(Bild: Rosco)

Fazit

Auch eine TM-30-15 Angabe kann keine Bemusterung durch unser Auge ersetzen, jedoch ist mit TM-30-15 eine wesentlich besser Beurteilung der Farbqualität und Farbumfang möglich als mit den CIE 13.3 oder den für Kamera spezialisierten TLCI möglich. Es wäre wünschenswert, wenn Lampenhersteller in Zukunft TM-30-15 Daten zu Ihren Lampen veröffentlichen.

Geschichtlicher Abriss der Farbqualitätsbestimmung

  • 1937 CIE entwickelt General Color Rendering Index (Ra)
  • 1965 CIE E1.3.2 empfiehlt den CRI
  • 1995 CIE überarbeitet ohne nennenswerte Änderungen den CRI
  • 1999 CIE TC1-33 der Versuch ein anderes Verfahren zur Farbqualitätsbestimmung zu erstellen wird eingestellt.
  • 2006 CIE TC1-69 “Color Rendition by White Light Sources“ findet keine übereinstimmung
  • 2007 CIE TC1-62 Veröffentlichung „Color Rendering of White LED Light Sources”
  • 2012 CIE TC1-90 „Color Fidelity Index“ befindet sich in Bearbeitung
  • 2012 CIE TC1-91: “New Methods for Evaluating the Colour Quality of White-Light Sources“ befindet sich in Bearbeitung
  • 2013 IES Color Metrics Task Group entwickelt TM-30-15
  • 2015 Veröffentlichung von TM-30-15

Quelle: IES San Francisco & the Pacific Energy Center | March 3, 2016 by Aurelien David and Michael Royer

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