Dieser Artikel lässt sich von weniger verbreiteten Praktiken inspirieren, die einige Hersteller von Lichtquellen und Leuchten anwenden, um den allgemeinen Farbwiedergabeindex_(Ra nach [1]) zu verbessern. Obwohl diese Methoden ihre Tücken haben und einige als Tricks angesehen werden können, lohnt es sich, sie anhand von Algorithmen zur Berechnung von Farbwiedergabe-Indizes näher zu untersuchen.

Rote Nachfüllpackung

Der Stimulus für dieses Experiment war eine Probe einer LED-Ersatzlampe mit_Ra = 90, die weiße LEDs mit geringerer Farbwiedergabe und einen geringeren Anteil an roten LEDs enthielt. Die spektrometrische Messung bestätigte den hohen_Ra-Wert, aber das Licht erschien etwas rosafarben.

Im Experiment verwenden wir zwei Typen von Leuchtdioden: eine weiße mit den Parametern _Tcp = 6030 K und_Ra = 71 und eine rote mit der Wellenlänge _λp = 631 nm. Wir bezeichnen die blaue Spitzenintensität der weißen LED mit_IB und die Spitzenintensität der roten LED mit _I1.

_Ra steigt mit zunehmendem Anteil der Rotkomponente _(I1/IB) bis zu einem Maximum von 16 Punkten. Gleichzeitig nimmt die Farbwechseltemperatur ab, und zwar um etwa 2000 K in ihrem Maximum. Ein präziser Algorithmus zur Berechnung der Farbwiedergabe [2] zeigt jedoch einen Anstieg des _Rf-Wertes um nur 7 Punkte. Wenn der Rotanteil weiter über das in Abb. 1 gezeigte Maximum ansteigt, nimmt_Ra nicht mehr ab. Der Verlauf der Parameter ist in Tabelle 1 dargestellt. Ein ähnliches Verfahren wurde auch in [3] beschrieben.

Neben der Farbwiedergabe muss jedoch auch der "Weißgrad" des Mischlichts, d. h. seine Abweichung von der Referenzquelle, überwacht werden. Diese kann als Abstand der beiden Lichter in den Koordinaten u', v' (bezeichnet mit_Δu',v') ausgedrückt werden. Unter Verwendung der Annäherung von MacAdam-Ellipsen durch Kreise mit Radius 0,0011 in den Koordinaten u', v' nach [4] kann die Abweichung als N-fache der MacAdam-Basisellipse angegeben werden. Für N=1 ist der Unterschied für das menschliche Auge nicht sichtbar, für N=2 ist er leicht sichtbar, für N=3 ist er sichtbar. Für zweipolige Leuchtstofflampen nach EN 60081:1999 beträgt die Toleranz beispielsweise N=5 (SDCM).

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass die Begrenzung der Abweichung von der Referenzquelle N ≤ 5 nur für die Beiträge der roten _{I1/IB-Komponente} in der Größenordnung von einem Prozent erfüllt ist. Hier beträgt die Verbesserung von_Ra jedoch nur wenige Punkte. Eine weitere Erhöhung von_Ra durch Hinzufügen von Rot führt zum Überschreiten der Weißlichtgrenze, und es handelt sich bereits um farbiges Licht. Das Experiment zeigt also, dass ein hoher_Ra-Wert nicht automatisch eine hohe Qualität des weißen Lichts bedeutet.

Nachschub über einen Kanal

Betrachtet man Abbildung 1, so stellt sich die Frage, ob die Wellenlänge _λp = 631 nm tatsächlich die beste Wahl ist. Um eine Vorstellung davon zu bekommen, können wir _λp des komplementären Lichts über das sichtbare Spektrum verschieben, es mit weißem Licht mischen und die Reaktion in_Ra und _Rf beobachten. In diesem Experiment verwenden wir ein Modell des LED-Spektrums in Form einer Gauß-Kurve mit einer Breite beim halben Maximum (FWHM) von 16 nm, was der ursprünglichen roten LED entspricht. Die Amplitude von _I1 wird mit 0,25_IB gewählt. Das Ergebnis dieses Experiments ist in Abb. 2 dargestellt. Die lokalen Maxima bei 623 und 627 nm zeigen, dass die Wellenlänge für die Probe richtig gewählt ist.

Zwei-Kanal-Nachschub

Die Ergebnisse des vorangegangenen Experiments regen unmittelbar dazu an, die lokalen Maxima um 493 nm, also im Blau (Abb. 2), zur Verbesserung der Farbwiedergabe zu nutzen, was wiederum zu einer Erhöhung der Farbtemperatur führt (Abb. 3). Ist es möglich, die Farbwiedergabe auf diese Weise weiter zu verbessern und die Koordinaten des Mischlichts näher an die Linie der Referenzstrahler heranzuführen? Es sind auch LEDs mit _λp ≈ 490 nm erhältlich (Ice Blue).

Für die komplementären Kanäle Rot _(λp1 = 625 nm) und Blau _(λp2 = 493 nm) wurden_Ra, _Rf und _Tc für alle Kombinationen von 100 verschiedenen Intensitäten _I1 und _I2 berechnet. Die ideale Kombination mit dem geringsten Abstand zur Tageslichtlinie ist _I1 = 0,47_IB, _I2 = 1,24_IB (siehe oben). Die Ergebnisse der Farbwiedergabe sind überraschend:_Ra = 96, _Rf = 94 bei einer Farbtemperatur _{von Tcp} = 6300 K. Der Wiedergabeindex des tiefen _R9 beträgt 81, die Indizes der anderen tiefen Farben sind größer als 95. Das Spektrum mit mehreren Peaks ähnelt eher einer Leuchtstofflampe als einer Leuchtdiode (siehe Abbildung 4).

Durch Steuerung des Verhältnisses der komplementären Komponenten kann eine Farbtemperatur von _Tcp 5750-6900 K ,_Ra 93-97 und _Rf 91-94 erreicht werden, wobei eine Abweichung von N ≤ 5 beibehalten wird. Erinnern wir uns an die Parameter der weißen LED: _Tcp = 6030 K und_Ra = 71.

Mit dieser Farbmischmethode können beeindruckende Ergebnisse erzielt werden - eine Erhöhung des Farbwiedergabeindex der weißen LED um 25 Punkte.

Bei der praktischen Anwendung dieses Verfahrens ist zu berücksichtigen, dass das Mischlicht leicht vom Weißlicht-Toleranzband abweichen kann, z. B. durch Schwankungen einzelner Dioden innerhalb einer Serie, durch Schwankungen des Versorgungsstroms, durch spektrale Veränderungen mit der Temperatur oder durch unterschiedliche Alterungsraten verschiedener Diodentypen. Diese Effekte können eine unerwünschte sichtbare Veränderung der Farbigkeit der Lichtquelle während ihrer Lebensdauer verursachen. Sie können durch eine Kalibrierung während der Herstellung, die Verwendung von Präzisionsnetzteilen, eine temperaturabhängige Steuerung, die Integration verschiedener LEDs in ein einziges Gehäuse, eine Korrektur der Steuerung entsprechend dem Alterungsmuster, eine manuelle Kalibrierung oder eine automatische Kalibrierung der Leuchte mit Hilfe eines eingebauten Farbsensors kompensiert werden.

Im nächsten Teil der Miniserie werden wir untersuchen, ob sich Licht mit hohem Farbwiedergabeindex durch Mischen von Lasern erzielen lässt und wie viele Wellenlängen kombiniert werden müssen. Wir werden auch einen Filter untersuchen, der die Farbwiedergabe verbessert.

Verwendete Literatur

[1] Verfahren zur Messung und Angabe der Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen. Österreich: CIE Central Bureau, 1995. CIE-Veröffentlichung, Nr. 13.3. ISBN 9783900734572.

[2] CIE 2017 Colour Fidelity Index for Accurate Scientific Use. Österreich: CIE Central Bureau, 2017. CIE Technical Report 224. ISBN 9783902842619.

[3] MÁCHA, Marek. Mischen von Lichtquellen als Werkzeug zur Erhöhung der_Ra. Světlo. vol. 2011, no. 5, pp. 62-63. ISSN 1212-0812.

[4] Chromaticity Difference Specification for Light Sources (Farbdifferenz-Spezifikation für Lichtquellen). Österreich: CIE Central Bureau, 2014. CIE TN 001:2014.

Autor. Antonín Fuksa NASLI & Blaue Stufe
Veröffentlicht in Světlo 1/2020