Im ersten Teil dieser Miniserie (siehe Licht 1/2020, Seiten 16-17) wurde gezeigt, wie der allgemeine Farbwiedergabeindex einer weißen LED durch Hinzufügen einer oder zweier farbiger LEDs erhöht werden kann. In diesem Teil geht es um die Verbesserung des_{Ra von} Lichtquellen durch den Einsatz eines Filters, der wiederum den entsprechenden Spektralbereich abschwächt. Das Experiment verwendet wieder die Methode der Verschiebung einer Gauß-Kurve über das gesamte sichtbare Spektrum, aber hier ist die Wellenform ein Bandsperrfilter und seine Charakteristik wird mit der spektralen Leistungszusammensetzung der untersuchten Lichtquelle multipliziert.

Filterung LED 840

Für das erste Experiment wurde eine handelsübliche Leuchtdiode mit den in Tabelle 1 und Abbildung 1 dargestellten Parametern gewählt. Die anfänglichen Filterparameter wurden empirisch ermittelt: eine FWHM von 24 nm und eine Kerbgrunddämpfung von 40 %. Für alle Filterabweichungen _λc von 400 bis 760 nm in 1-nm-Schritten wurden die Parameter_Ra, _Rf (Präzisionsfarbwiedergabeindex nach CIE 224:2017),_TCP, SCDM-Farbabweichungsäquivalent, bezeichnet mit N (Δu',v'/0,001 1, siehe vorheriger Abschnitt), und der relative Lichtstrom φ am Produkt berechnet. Im ersten Schritt war das Kriterium nur die Maximierung von Ra, was bei _λc = 571 nm erreicht wurde. Hier ist jedoch die kolorimetrische Abweichung N = 7,1 zu hoch. Im zweiten Schritt wurde daher versucht,_Ra zu maximieren und dabei N ≈ 3 zu halten, was für _λc = 582 nm erreicht wurde. Die detaillierten Ergebnisse sind in Tabelle 1 und Abb. 1 dargestellt. Der beste Ort für die Filterung ist in der Nähe der Spitze des "Phosphor"-Teils des Spektrums der Leuchtdiode. Auf Kosten eines Rückgangs des Lichtstroms um 9 % wurde ein Anstieg von_Ra um 12 Punkte erzielt. Der tatsächliche Verlust im Filter dürfte bei etwa 20 % liegen, was dem üblichen Rückgang des Lichtstroms einer LED mit_Ra > 90 gegenüber einem vergleichbaren Modell mit_Ra > 80 entspricht. Das Spektrum kann auch in Intervalle unterteilt werden, und es kann eine geeignete Kombination mehrerer Bandstops gesucht werden.

Tabelle 1 - Lichtparameter ohne und mit Korrektur

Abb. 1: Spektrale Eigenschaften von ursprünglichem (gestrichelt) und gefiltertem Licht

Der Vorteil des beschriebenen Filters ist die Möglichkeit einer zusätzlichen Verbesserung der Farbwiedergabe in bestehenden oder bereits in Betrieb befindlichen Leuchten mit Lichtquellen in_Basis-Ra. Die Herausforderung kann in der Durchführbarkeit, der Stabilität über die Lebensdauer der Lichtquelle und den Einschränkungen liegen, die mit der Notwendigkeit eines annähernd senkrechten Lichtdurchgangs verbunden sind.

Ein Beispiel für eine gelungene Umsetzung ist der Verbatim Vx-Filter in Form eines violett gefärbten Deckglases für einen Reflektor der Allgemeinbeleuchtung. Bei LEDs mit_Ra > 80 und einem_TCP von 3.000 bis 4.000 K erhöht der Filter_Ra um 10 Punkte, und der Hersteller gibt außerdem einen Rückgang des Lichtstroms um 20 bis 25 %, eine_{TCP-Änderung} von etwa 10 % und eine Lebensdauer von 50.000 Stunden an [1]. In der Abbildung 2 hat sich der_Ra-Index von 85 auf 94 erhöht.

Abb. 2. Ungefähre spektrale Eigenschaften des Verbatim Vx-Filters, gemessen mit Genehmigung des Ausstellers

Der dichroitische Filter TM-30/CRI von High End Systems hingegen soll die Farbwiedergabe von professionellen LED-Bühnenscheinwerfern verbessern. Der Hersteller gibt eine Verbesserung von_Ra von 75 auf 90 und _Rf nach IES TM-30 von 71 auf 80 an. In der Abbildung 3 ist der_Ra-Index von 75 auf 88 gestiegen.

Abb. 3. Ungefähre spektrale Charakteristik des High End Systems TM-30/CRI-Filters, rekonstruiert aus [2]

Schwefellampe

Ein weiteres Beispiel für die Verwendung eines Filters zur Verbesserung der Farbwiedergabe ist die Schwefellampe. Die Entladung findet in Schwefeldampf_(S2) statt und wird durch Mikrowellen angeregt (elektrodenlos). Ihre Erfindung geht auf das Jahr 1990 zurück, als eine spezifische Leistung von 100 lm/W (später 30% mehr) und die Möglichkeit, kleine Kilowatt-Einheiten einzusetzen, eine attraktive Alternative zu Hochdruck-Entladungslampen darstellten. Ein Beispiel für den Einsatz von Schwefellampen war die Beleuchtung des National Air and Space Museum in Washington. Geräte mit Schwefellampen werden in begrenztem Umfang als Sonnenlichtsimulatoren (Plasma International) oder als szenische Flutlichter (Hive Lighting) eingesetzt. Das Spektrum der Entladung in Schwefeldampf hat die Form einer breiten Glockenkurve mit einer Spitze im blauen Bereich, siehe Abbildung 4,_Ra liegt knapp unter 80, aber das Licht leidet unter einer sehr deutlichen kolorimetrischen Abweichung von der Referenzquelle (N = 27). Seine Korrektur und eine kleine Verbesserung der Farbwiedergabe haben dieser ungewöhnlichen Lichtquelle eine breite Palette von Anwendungen eröffnet. Die in diesem und dem vorangegangenen Teil der Miniserie beschriebenen Algorithmen können verwendet werden, um geeignete Spektralbereiche für die_{Ra-Verbesserung} zu ermitteln. Die Auffülloption identifizierte den am besten geeigneten Bereich um 625 nm, der genau der in [3] beschriebenen Anreicherung der Schwefellampe durch Zugabe von Kalziumbromid _(CaBr2) entspricht. Die kolorimetrische Abweichung ist jedoch immer noch sehr hoch (N = 21). Die Filterungsvariante liefert Eigenschaften, die dem verwendeten Magentafilter entsprechen und kompensiert zusätzlich die farbmetrische Abweichung (N = 2). Der Lichtstromverlust durch die Filtercharakteristik beträgt 20 %. Alle drei Kurvenverläufe sind in Abbildung 4 dargestellt.

Abb. 4: Spektralkennlinie der unkorrigierten Schwefellampe, rekonstruiert nach [3], Korrektur durch Magentafilter (grün) und Korrektur durch hinzugefügtes Rotlicht (rot)

Schlussfolgerung

Die beschriebenen Algorithmen suchen im Spektrum der Lichtquelle nach den am besten geeigneten Stellen für die Ergänzung oder Filterung. Obwohl die Anwendung dieses Wissens mit einer Reihe praktischer Einschränkungen verbunden ist - im Falle von Filtern deren Machbarkeit, Haltbarkeit oder Richtungseigenschaften, im Falle der Farblichtergänzung die Perfektion der Mischung der Komponenten oder die Langzeitstabilität und in beiden Fällen ein gewisser Lichtstromverlust -, bietet es eine Lösung in Fällen, in denen bestehende Leuchten korrigiert werden müssen oder eine Ersatzlichtquelle mit einem hohen Farbwiedergabeindex nicht verfügbar ist. Bei der Optimierung des Spektrums muss der Verlauf der farbmetrischen Abweichung von der Referenzquelle sorgfältig überwacht werden, da der Farbwiedergabeindex darauf nicht sehr empfindlich reagiert. Die Kriteriumsfunktion umfasst auch die Farbtemperaturverschiebung und den Energieverlust im Filter. Die oben genannten Verfahren bieten einen quantitativen Rahmen für eine intuitive Betrachtung dessen, was im Spektrum einer Lichtquelle im Hinblick auf die Farbwiedergabe "fehlt" und was "vorhanden" ist. Der nächste Teil der Miniserie wird den angekündigten Experimenten mit Lasern und mit Leuchtdioden verschiedener Farben gewidmet sein.

Literatur:

[1] Produktkatalog für LED-Beleuchtung. Verbatim Ltd, Mitsubishi Kagaku Media, Juli 2016.

[2] LIN, J.High End Systems Unveils TM-30/CRI Correction Filter for LED Automotive Lights [online]. 2016 [zitiert am 13.05.2020]. Verfügbar unter: diesem Link.

[3] LENG, Y. und D. A. MACLENNAN. Schwefellampe mit _CaBr2-Zusatz für verbessertes Pflanzenwachstum: KSC-11970. NASA Tech Briefs. 2000, 24(1), 20.

Autor: Ing. Antonín Fuksa NASLI & Blue step
Veröffentlicht in der Zeitschrift Světlo 4-5/2020