Farbenlehre und Farbmetrik
Wie lassen sich Farben wissenschaftlich beschreiben, vergleichen und messen?
Zwei Lichtquellen können für das menschliche Auge nahezu identisch aussehen und dennoch grundlegend unterschiedliche spektrale Eigenschaften besitzen. Umgekehrt können selbst kleine Abweichungen in der Zusammensetzung des Lichts dazu führen, dass Farben unter verschiedenen Beleuchtungsbedingungen unterschiedlich erscheinen. Besonders bei modernen LED-Lichtquellen ist dieses Phänomen von großer technischer Bedeutung.
Die Farbenlehre beschäftigt sich mit den grundlegenden Eigenschaften und Gesetzmäßigkeiten von Farben. Die Farbmetrik geht einen entscheidenden Schritt weiter: Sie schafft mathematische und messtechnische Verfahren, mit denen sich Farben unabhängig von rein subjektiven Beschreibungen erfassen und miteinander vergleichen lassen.
Dafür wurden international standardisierte Farbsysteme entwickelt. Zu den wichtigsten gehören das CIE-XYZ-System, die CIE-1931-xy-Normfarbtafel und der CIELAB-Farbraum. Weitere Kenngrößen wie Farbtemperatur, Farbort, Duv und SDCM ermöglichen eine differenzierte Bewertung von Lichtquellen und ihrer Farbkonsistenz.
Diese Grundlagen sind unverzichtbar, wenn LED-Lichtquellen entwickelt, ausgewählt, vermessen oder miteinander kombiniert werden sollen.
Was ist Farbenlehre?
Die Farbenlehre untersucht die Entstehung, Mischung, Ordnung und Wirkung von Farben. Sie verbindet Erkenntnisse aus der Physik, der Physiologie des Sehens, der Wahrnehmungspsychologie und der angewandten Gestaltung.
Eine zentrale Erkenntnis lautet: Farbe ist nicht ausschließlich eine Eigenschaft eines Gegenstandes oder einer Lichtquelle.
Ein Gegenstand besitzt beispielsweise spektrale Reflexionseigenschaften. Welche Farbe wir tatsächlich wahrnehmen, hängt jedoch davon ab, mit welchem Licht er beleuchtet wird und wie unser visuelles System die eintreffende Strahlung verarbeitet.
Ein roter Gegenstand erscheint bei Tageslicht rot, weil er bestimmte Wellenlängenbereiche bevorzugt reflektiert. Fehlen diese Anteile im Beleuchtungsspektrum weitgehend, kann seine Farbe deutlich verändert erscheinen.
Die Farbenlehre unterscheidet unter anderem drei grundlegende Dimensionen der Farberscheinung:
- Farbton: Die qualitative Einordnung einer Farbe, beispielsweise Rot, Gelb, Grün oder Blau.
- Buntheit beziehungsweise Sättigung: Die Ausprägung einer Farbe im Verhältnis zu einem unbunten Farbeindruck.
- Helligkeit: Die visuelle Einordnung zwischen dunkel und hell.
Die genaue Definition und mathematische Abbildung dieser Eigenschaften hängt vom verwendeten Farbmodell ab.
Während klassische Farbenlehren häufig die Ordnung und Kombination von Farben in den Mittelpunkt stellen, beschäftigt sich die moderne wissenschaftliche Farbenlehre zusätzlich mit den physikalischen und physiologischen Grundlagen der Farbwahrnehmung.
Additive und subtraktive Farbmischung
Zwei grundlegend unterschiedliche Prinzipien bestimmen die technische Erzeugung und Kombination von Farben.
Additive Farbmischung – Farben durch Licht erzeugen
Bei der additiven Farbmischung werden verschiedene Lichtfarben überlagert. Die spektralen Strahlungsleistungen der einzelnen Lichtquellen addieren sich.
Das bekannteste additive Farbsystem ist RGB mit den drei Primärfarben Rot, Grün und Blau.
Durch unterschiedliche Intensitätsverhältnisse lassen sich zahlreiche Farbeindrücke erzeugen. Eine geeignete Kombination aller drei Primärfarben kann einen weißen Farbeindruck hervorrufen.
Dieses Prinzip wird in LED-Displays, RGB-Leuchten, Projektoren und zahlreichen weiteren optoelektronischen Systemen eingesetzt.
Die tatsächlich darstellbaren Farben hängen von den Spektren und Farborten der verwendeten Primärlichtquellen ab.
Subtraktive Farbmischung – Farben durch Absorption beeinflussen
Die subtraktive Farbmischung beruht dagegen darauf, dass Farbstoffe oder Filter bestimmte Wellenlängenbereiche aus einfallendem Licht absorbieren.
Typische subtraktive Grundfarben sind Cyan, Magenta und Gelb.
Beim Übereinanderlegen entsprechender Filter oder beim Mischen von Druckfarben werden zunehmend mehr Spektralanteile abgeschwächt.
In der Drucktechnik wird deshalb häufig das CMYK-System verwendet, bei dem Schwarz als zusätzliche Druckfarbe eingesetzt wird.
Die Unterscheidung ist für die Lichttechnik wesentlich: Eine RGB-LED-Leuchte erzeugt ihre Farben durch additive Überlagerung verschiedener Emissionsspektren, während farbige Materialien das auftreffende Licht spektral verändern.
Warum das Lichtspektrum entscheidend ist
Das menschliche Auge kann aus der Farbe einer Lichtquelle nicht unmittelbar erkennen, wie sich deren Strahlungsleistung auf die einzelnen Wellenlängen verteilt.
Gerade bei weißem Licht wird diese Unterscheidung besonders deutlich.
Natürliches Tageslicht, das Licht einer Glühlampe und das Licht einer weißen LED können alle einen weißen Farbeindruck erzeugen. Ihre Spektren unterscheiden sich jedoch erheblich.
Eine klassische Glühlampe erzeugt ein weitgehend kontinuierliches thermisches Strahlungsspektrum. Eine typische phosphorkonvertierte weiße LED verbindet dagegen häufig eine ausgeprägte kurzwellige Emissionskomponente mit einem breiteren, durch Leuchtstoffkonversion erzeugten Spektralbereich.
RGB-Systeme wiederum können Weiß durch die Kombination mehrerer vergleichsweise schmalbandiger Emissionsspektren erzeugen.
Entscheidend ist deshalb die Unterscheidung zwischen zwei Eigenschaften:
Die Lichtfarbe beschreibt den resultierenden Farbeindruck. Das Spektrum beschreibt die physikalische Zusammensetzung des Lichts.
Aus einer einzelnen Angabe wie der Farbtemperatur kann die vollständige spektrale Zusammensetzung nicht abgeleitet werden.
Das ist insbesondere dann relevant, wenn nicht nur die Farbe einer Lichtquelle selbst, sondern auch die Farberscheinung beleuchteter Gegenstände beurteilt werden soll.
Metamerie – gleiche Farbe trotz unterschiedlicher Spektren
Ein grundlegendes Phänomen der Farbenlehre ist die Metamerie.
Von Metamerie spricht man, wenn unterschiedliche spektrale Reize unter bestimmten Beobachtungsbedingungen denselben Farbeindruck hervorrufen beziehungsweise farbmetrisch übereinstimmen.
Das ist möglich, weil das menschliche Farbsehen bei Tageslichtbedingungen im Wesentlichen auf den Antworten dreier Zapfentypen beruht.
Verschiedene Spektren können diese Rezeptorsysteme in einer Weise anregen, dass sich derselbe resultierende Farbreiz ergibt.
Zwei weiße LED-Lichtquellen können deshalb denselben Farbort besitzen, obwohl ihre spektralen Strahlungsverteilungen unterschiedlich sind.
Diese Übereinstimmung gilt jedoch nicht automatisch für die Farben beleuchteter Oberflächen.
Ein rotes Textil kann beispielsweise unter einer Lichtquelle brillant erscheinen und unter einer anderen deutlich an Farbsättigung verlieren, obwohl beide Lichtquellen dieselbe ähnlichste Farbtemperatur besitzen.
Der Grund liegt darin, dass die Reflexionseigenschaften des Materials mit den jeweils vorhandenen Spektralanteilen des Beleuchtungslichts zusammenwirken.
Für die Beleuchtungspraxis bedeutet dies: Zwei Lichtquellen mit identischem Farbort müssen keineswegs dieselbe Farbwiedergabe besitzen.
Was ist Farbmetrik?
Die Farbmetrik, auch Kolorimetrie genannt, ist die Wissenschaft von der quantitativen Beschreibung und Bewertung von Farbreizen.
Ihr Ziel besteht darin, Farbe durch definierte Messgrößen und mathematische Verfahren reproduzierbar zu beschreiben.
Anstelle subjektiver Aussagen wie „leicht gelblich“, „etwas kühler“ oder „nahezu identisches Weiß“ verwendet sie standardisierte Koordinaten und berechenbare Unterschiede.
Dafür müssen mehrere Voraussetzungen festgelegt werden:
- Die spektralen Eigenschaften des betrachteten Lichtreizes.
- Ein standardisiertes Modell des menschlichen Farbsehens.
- Bei Objektfarben die Beleuchtungsbedingungen und die Bezugsweißwerte.
- Das verwendete Farbsystem und gegebenenfalls ein Verfahren zur Bewertung von Farbunterschieden.
Die Internationale Beleuchtungskommission, die Commission Internationale de l'Éclairage (CIE), hat hierfür grundlegende Normfarbsysteme und Bewertungsverfahren entwickelt.
Ihre Systeme bilden die Grundlage zahlreicher Anwendungen in Beleuchtungstechnik, Farbmessung, Fotografie, Drucktechnik und Displayentwicklung.
Dabei ist eine wichtige Einschränkung zu beachten: Eine farbmetrische Übereinstimmung beschreibt eine Übereinstimmung unter definierten Bedingungen. Sie garantiert nicht, dass Farben unter beliebigen Umgebungs- und Beobachtungsbedingungen vollkommen identisch wahrgenommen werden.
Das CIE-XYZ-System als mathematische Grundlage
Eines der wichtigsten Systeme der modernen Farbmetrik wurde 1931 von der CIE eingeführt.
Das CIE-XYZ-System beschreibt Farbreize durch drei sogenannte Normfarbwerte:
X, Y und Z.
Diese Größen werden aus der spektralen Verteilung eines Farbreizes mithilfe standardisierter Farbanpassungsfunktionen berechnet.
Die drei Werte sind keine direkten Messwerte einzelner Zapfentypen. Es handelt sich um mathematisch definierte Größen, die auf experimentellen Untersuchungen des menschlichen Farbsehens beruhen.
Eine besondere Bedeutung besitzt der Y-Wert: Beim CIE-1931-Normbeobachter entspricht die zugehörige spektrale Bewertungsfunktion der photopischen Hellempfindlichkeitsfunktion. Y steht deshalb in einem definierten Verhältnis zur photometrischen Leuchtdichte.
Der CIE-Normbeobachter
Da sich das Farbsehen zwischen Menschen unterscheidet, verwendet die Farbmetrik standardisierte Beobachtermodelle.
Der CIE-1931-Normbeobachter wird als 2°-Normbeobachter bezeichnet. Er beschreibt die Farbanpassung bei einem vergleichsweise kleinen Gesichtsfeld.
Der CIE-1964-Normbeobachter verwendet dagegen ein 10°-Gesichtsfeld und berücksichtigt damit andere Beobachtungsbedingungen.
Welches Modell eingesetzt wird, hängt von der jeweiligen Messaufgabe und der anzuwendenden Norm ab.
Erst die Festlegung solcher Bezugsbedingungen ermöglicht einen reproduzierbaren Vergleich farbmetrischer Messergebnisse.
Die CIE-1931-xy-Normfarbtafel
Aus den drei Normfarbwerten X, Y und Z lassen sich die Normfarbwertanteile x und y berechnen.
Die grundlegenden Beziehungen lauten:
x = X / (X + Y + Z)
y = Y / (X + Y + Z)
Durch diese Normierung entsteht eine zweidimensionale Darstellung der Farbigkeit, die sogenannte CIE-1931-xy-Normfarbtafel.
Sie gehört zu den bekanntesten Darstellungen der modernen Farbwissenschaft.
Ihr charakteristischer, annähernd hufeisenförmiger Verlauf entsteht durch die Farborte monochromatischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen. Dieser Rand wird als Spektralfarbenzug bezeichnet.
Die untere geradlinige Verbindung zwischen den Endpunkten wird Purpurlinie genannt.
Innerhalb der umschlossenen Fläche liegen die Farborte, die durch Mischung entsprechender Lichtreize entstehen können.
Was zeigt ein Farbort?
Jede Lichtquelle kann durch ihre x- und y-Koordinaten einer Position in der Normfarbtafel zugeordnet werden.
Damit lässt sich beispielsweise feststellen, ob das Licht einer LED eher in Richtung einer wärmeren, kühleren, grünlicheren oder rötlicheren Weißlichtfarbe verschoben ist.
Die Normfarbtafel erlaubt außerdem die Darstellung von Farbmischungen und von Farbbereichen, die sich durch bestimmte Primärlichtquellen erzeugen lassen.
Sie besitzt jedoch zwei wichtige Einschränkungen.
Erstens enthält das zweidimensionale xy-Diagramm keine eigenständige Information über die Helligkeit des Farbreizes. Diese kann beispielsweise durch den zusätzlichen Y-Wert des xyY-Systems beschrieben werden.
Zweitens ist die CIE-1931-xy-Normfarbtafel nicht wahrnehmungsgleichabständig. Zwei gleich große geometrische Abstände entsprechen deshalb nicht zwangsläufig gleich deutlich wahrnehmbaren Farbunterschieden.
Für die Bewertung von Farbunterschieden wurden daher weitere Farbsysteme entwickelt.
CIELAB und die Berechnung von Farbunterschieden
Der CIELAB-Farbraum wurde 1976 von der CIE eingeführt, um Farbunterschiede besser mit der menschlichen Wahrnehmung in Beziehung setzen zu können.
Er beschreibt Farben anhand von drei Koordinaten:
- L*: Helligkeitskoordinate von Schwarz in Richtung Weiß.
- a*: Farbachse zwischen Grün und Rot.
- b*: Farbachse zwischen Blau und Gelb.
Die Berechnung erfolgt aus den XYZ-Normfarbwerten unter Bezug auf ein definiertes Referenzweiß.
Damit lassen sich Farben als Punkte in einem dreidimensionalen Farbraum darstellen.
Der Abstand zwischen zwei solchen Punkten kann als Maß für ihre farbmetrische Verschiedenheit dienen.
Was bedeutet Delta E?
Delta E, geschrieben ΔE, ist eine Sammelbezeichnung für Verfahren zur Berechnung von Farbunterschieden.
Die klassische Formel ΔE*ab beschreibt den geometrischen Abstand zweier Farborte im CIELAB-Farbraum.
Da der CIELAB-Farbraum nur näherungsweise wahrnehmungsgleichabständig ist, wurden verbesserte Formeln entwickelt.
Ein wichtiges Beispiel ist CIEDE2000, häufig als ΔE00 bezeichnet. Diese Formel berücksichtigt Unterschiede in Helligkeit, Buntheit und Farbton differenzierter.
Solche Verfahren werden unter anderem bei der Qualitätskontrolle von Oberflächen, Druckprodukten und farbigen Materialien eingesetzt.
Für die Beurteilung der reinen Farbortabweichung selbstleuchtender LED-Lichtquellen werden dagegen häufig andere Größen verwendet, insbesondere Abstände im CIE-1976-u′v′-Farbdiagramm.
Die Wahl des Farbabstandsverfahrens muss deshalb immer zur konkreten Messaufgabe passen.
Farbtemperatur – die Lichtfarbe in Kelvin
In der praktischen Beleuchtungstechnik wird die Lichtfarbe weißer Lichtquellen häufig durch eine Farbtemperatur in Kelvin beschrieben.
Typische Angaben sind:
| Farbtemperatur | Übliche Bezeichnung | Farbeindruck |
|---|---|---|
| 2.200 K | Extra warmweiß | Sehr warm, deutlich gelblich |
| 2.700 K | Warmweiß | Warm und wohnlich |
| 3.000 K | Warmweiß | Warm, etwas neutraler |
| 4.000 K | Neutralweiß | Neutraler Weißlichteindruck |
| 5.000 K | Tageslichtweiß | Relativ kühl |
| 6.500 K | Tageslichtweiß | Kühl, tageslichtähnlich |
Die Farbtemperatur beruht ursprünglich auf der spektralen Strahlung eines idealisierten schwarzen Körpers, dessen Farbe sich mit steigender Temperatur verändert.
Die resultierenden Farborte bilden in einem Farbdiagramm die sogenannte Plancksche Kurve.
Bei realen LED-Lichtquellen liegt der Farbort häufig nicht exakt auf dieser Kurve.
Deshalb wird für sie üblicherweise die ähnlichste Farbtemperatur, englisch Correlated Color Temperature (CCT), angegeben.
Sie beschreibt, welchem Punkt der Planckschen Kurve die Lichtfarbe der betrachteten Lichtquelle am nächsten kommt.
Wichtig ist dabei: Die CCT beschreibt nicht die tatsächliche Betriebstemperatur der LED.
Außerdem sagt die Kelvinzahl allein weder etwas über die spektrale Zusammensetzung noch über die Farbwiedergabeeigenschaften aus.
Farbort und Duv – warum Kelvin allein nicht ausreicht
Zwei LEDs können beispielsweise beide mit 3.000 K spezifiziert sein und trotzdem sichtbar unterschiedliche Weißtöne erzeugen.
Der Grund liegt darin, dass ihre Farborte unterschiedlich weit oberhalb oder unterhalb der Planckschen Kurve liegen können.
Diese Abweichung wird durch die Größe Duv beschrieben.
Duv ist ein vorzeichenbehafteter Abstand zur Planckschen Kurve, definiert im CIE-1960-u,v-Farbdiagramm.
Ein positiver Duv-Wert kennzeichnet einen Farbort auf der einen Seite der Kurve, der bei weißen Lichtquellen häufig mit einem grünlicheren Farbeindruck verbunden ist.
Ein negativer Wert liegt auf der anderen Seite und kann einen rötlicheren beziehungsweise magentafarbenen Farbeindruck erzeugen.
Damit ergänzt Duv die ähnlichste Farbtemperatur um eine wesentliche Information zur genauen Lichtfarbe.
Für die Auswahl hochwertiger LED-Beleuchtungssysteme ist die gemeinsame Betrachtung von CCT und Duv deshalb deutlich aussagekräftiger als die alleinige Angabe einer Kelvinzahl.
MacAdam-Ellipsen und SDCM – Farbkonsistenz bei LEDs
Bei der Herstellung von LEDs treten unvermeidliche Unterschiede in der spektralen Emission und im resultierenden Farbort auf.
Solche Abweichungen können entstehen, obwohl die Bauteile derselben Produktfamilie und derselben nominellen Farbtemperatur angehören.
In einer Beleuchtungsanlage mit mehreren benachbarten Lichtquellen können Farbabweichungen besonders deutlich werden, beispielsweise wenn eine große weiße Fläche möglichst homogen beleuchtet werden soll.
Zur Beschreibung solcher Unterschiede werden in der LED-Technik häufig MacAdam-Ellipsen verwendet.
Sie gehen auf experimentelle Untersuchungen der Wahrnehmbarkeit kleiner Farbunterschiede zurück.
Die elliptische Form verdeutlicht, dass das visuelle System nicht auf jede Richtung einer Farbortverschiebung gleich empfindlich reagiert.
Was bedeutet SDCM?
SDCM steht für Standard Deviation of Colour Matching.
In der Lichttechnik wird die Größe verwendet, um Farbtoleranzbereiche anhand von Schritten auf MacAdam-Ellipsen anzugeben.
Ein kleiner SDCM-Wert steht bei vergleichbaren Spezifikationsbedingungen für einen engeren tolerierten Farbortbereich.
Produkte mit beispielsweise 2 SDCM sind hinsichtlich ihres spezifizierten Farbortbereichs enger eingegrenzt als Produkte mit 5 SDCM.
Daraus darf allerdings keine universelle Wahrnehmbarkeitsschwelle abgeleitet werden. Ob Unterschiede erkennbar sind, hängt auch von den Betrachtungsbedingungen ab.
Die CIE empfiehlt für bestimmte Anwendungen der Lichtquellen-Farborttoleranz insbesondere die Verwendung von Abständen im CIE-1976-u′v′-Diagramm.
SDCM bleibt dennoch eine verbreitete praktische Angabe in LED-Datenblättern.
Für anspruchsvolle Anwendungen sollte die Farbkonsistenz bereits bei der Produktauswahl berücksichtigt werden.
Normlichtarten und Referenzlicht
Farbmetrische Messungen sind nur dann sinnvoll vergleichbar, wenn ihre Bezugsbedingungen bekannt sind.
Das gilt besonders für die Bewertung von Objektfarben, deren Erscheinung von der spektralen Zusammensetzung des einfallenden Lichts abhängt.
Die CIE hat deshalb verschiedene Normlichtarten definiert.
Eine Normlichtart beschreibt eine festgelegte relative spektrale Strahlungsverteilung, die für farbmetrische Berechnungen verwendet werden kann.
Zu den wichtigsten gehören:
| Normlichtart | Charakteristik | Typische Verwendung |
|---|---|---|
| CIE A | Glühlampenähnliches Licht, etwa 2.856 K | Referenz für klassische Glühlampenbeleuchtung und Photometrie |
| CIE D50 | Tageslichtähnliches Licht, etwa 5.000 K | Druck, Grafik, Farbabstimmung |
| CIE D65 | Repräsentatives mittleres Tageslicht, etwa 6.500 K | Tageslichtbezogene Farbmessungen und zahlreiche Farbsysteme |
Die tatsächliche Realisierung solcher Referenzbedingungen erfordert geeignete Lichtquellen und Messverfahren.
Eine LED mit der Aufschrift „6.500 K“ besitzt beispielsweise nicht automatisch die spektrale Strahlungsverteilung der Normlichtart D65.
Gleiche ähnlichste Farbtemperaturen bedeuten keine identischen Spektren.
Dieser Unterschied ist bei der normgerechten Farbmessung und bei der Beurteilung farbkritischer Anwendungen entscheidend.
Bedeutung der Farbmetrik für moderne LED-Technik
Die Entwicklung moderner LED-Beleuchtungssysteme wäre ohne standardisierte farbmetrische Verfahren kaum denkbar.
Sie ermöglichen es, die Eigenschaften verschiedener LED-Chips, Leuchtstoffe, Lichtmodule und vollständiger Leuchten messtechnisch zu erfassen und miteinander zu vergleichen.
Das betrifft insbesondere die folgenden Aufgaben.
Präzise Einstellung einer gewünschten Lichtfarbe
Bei einer weißen LED genügt es nicht, lediglich einen bestimmten Kelvinwert anzustreben.
Für eine reproduzierbare Lichtfarbe müssen auch der genaue Farbort und gegebenenfalls seine Abweichung von der Planckschen Kurve berücksichtigt werden.
Dies ist besonders wichtig, wenn Beleuchtungssysteme mehrerer Produktionschargen oder unterschiedlicher Hersteller kombiniert werden sollen.
Gleichmäßige Lichtflächen
Bei großflächigen Lichtlösungen können schon geringe Farbortabweichungen auffallen.
Werden mehrere LED-Module hinter einer gemeinsamen Diffusorfläche angeordnet, können unterschiedliche Weißtöne die Homogenität des gesamten Erscheinungsbildes beeinträchtigen.
Eine eng spezifizierte Farbkonsistenz trägt dazu bei, solche Unterschiede zu minimieren.
Sie ersetzt allerdings nicht die optische Planung. Auch Leuchtdichteverteilung, LED-Abstände, Mischstrecken und Diffusoreigenschaften beeinflussen das sichtbare Ergebnis.
RGB- und dynamische Beleuchtung
Bei steuerbaren RGB-, RGBW- oder mehrkanaligen LED-Systemen werden gewünschte Lichtfarben durch die Kombination mehrerer Emissionskanäle erzeugt.
Die Farbmetrik liefert die mathematischen Grundlagen, um solche Systeme zu kalibrieren und definierte Farborte anzusteuern.
Die erreichbaren Farben hängen von den Farborten der einzelnen Primärlichtquellen und ihren Mischungsverhältnissen ab.
Für eine präzise Regelung können zusätzlich die Eigenschaften der LEDs bei unterschiedlichen Strömen, Temperaturen und Betriebszeiten relevant sein.
Stabilität über die Lebensdauer
Die Farborte von LED-Systemen können sich im Laufe der Betriebszeit verändern.
Ursachen können beispielsweise Veränderungen der Halbleiteremission, der Leuchtstoffe oder weiterer optischer Materialien sein.
Solche Verschiebungen werden durch geeignete Messverfahren erfasst und bewertet.
Gerade bei langlebigen Beleuchtungsanlagen ist deshalb nicht nur die anfängliche Farbgleichheit, sondern auch die langfristige Farbstabilität von Bedeutung.
Lichtfarbe und Farbwiedergabe richtig unterscheiden
Eine besonders wichtige Erkenntnis der Farbmetrik ist die Unterscheidung zwischen der Farbe einer Lichtquelle und ihrer Fähigkeit, Objektfarben wiederzugeben.
CCT, Duv und Farbort beschreiben Eigenschaften der Lichtfarbe.
Kennzahlen wie der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra oder die Bewertungsgrößen nach IES TM-30 untersuchen dagegen, wie eine Lichtquelle die Farberscheinung definierter Proben beeinflusst.
Eine LED kann daher eine präzise eingestellte Lichtfarbe besitzen und trotzdem für bestimmte farbkritische Anwendungen ungeeignet sein.
Die Bewertung der Farbwiedergabe ist ein eigenständiges Thema der Lichtqualität.
Die wichtigsten farbmetrischen Größen im Vergleich
| Größe | Aussage | Typischer Einsatz |
|---|---|---|
| Spektrale Strahlungsverteilung | Zusammensetzung des Lichts nach Wellenlängen | LED-Analyse und Spektralbewertung |
| CIE XYZ | Normfarbwerte eines Farbreizes | Grundlage farbmetrischer Berechnungen |
| CIE xy | Zweidimensionaler Farbort | Charakterisierung von Lichtfarben |
| CIELAB | Koordinaten für Objektfarben bezogen auf Referenzweiß | Material- und Farbbewertung |
| Delta E | Rechnerischer Farbunterschied | Farbvergleich und Qualitätskontrolle |
| CCT | Ähnlichste Farbtemperatur in Kelvin | Weißlichtklassifikation |
| Duv | Abweichung von der Planckschen Kurve | Präzisierung der Weißlichtfarbe |
| SDCM | Farborttoleranz nach MacAdam-Schritten | LED-Binning und Farbkonsistenz |
| Δu′v′ | Abstand zwischen Farborten im CIE-1976-u′v′-Diagramm | Farbortvergleich von Lichtquellen |
Die verschiedenen Größen sind nicht beliebig gegeneinander austauschbar. Sie beschreiben jeweils unterschiedliche Eigenschaften oder Aspekte eines Farbreizes.
Für eine aussagekräftige Bewertung müssen daher diejenigen Messgrößen ausgewählt werden, die tatsächlich zur jeweiligen technischen Fragestellung passen.
Häufige Fragen zur Farbenlehre und Farbmetrik
Was ist der Unterschied zwischen Farbenlehre und Farbmetrik?
Die Farbenlehre untersucht die Entstehung, Mischung, Ordnung und Wahrnehmung von Farben. Die Farbmetrik ist der quantitative Teilbereich, der Farben durch standardisierte Messgrößen und mathematische Modelle beschreibt.
Was ist ein Farbort?
Ein Farbort ist die Position eines Farbreizes innerhalb eines definierten Farbsystems. In der Beleuchtungstechnik werden häufig die x- und y-Koordinaten der CIE-1931-Normfarbtafel verwendet. Sie beschreiben die Farbigkeit, ohne allein die Helligkeit oder das vollständige Spektrum festzulegen.
Können zwei LEDs mit 3.000 K unterschiedlich aussehen?
Ja. Die Kelvinangabe allein legt den Farbort nicht eindeutig fest. Zwei LEDs mit derselben ähnlichsten Farbtemperatur können unterschiedliche Duv-Werte besitzen und dadurch verschieden getönte Weißlichteindrücke erzeugen.
Was bedeutet Delta E bei Farben?
Delta E bezeichnet rechnerische Farbunterschiede. Abhängig vom verwendeten Verfahren wird damit der Abstand zwischen zwei Farben beschrieben. Besonders verbreitet sind ΔE*ab und die differenziertere Formel ΔE00.
Was bedeutet SDCM bei LED-Beleuchtung?
SDCM beschreibt in der LED-Technik Farbtoleranzbereiche anhand von MacAdam-Schritten. Kleinere Werte kennzeichnen bei vergleichbaren Spezifikationsbedingungen engere Farborttoleranzen. Die tatsächliche Wahrnehmbarkeit hängt zusätzlich von den Betrachtungsbedingungen ab.
Ist eine niedrige SDCM-Angabe gleichbedeutend mit guter Farbwiedergabe?
Nein. SDCM beschreibt die Toleranz beziehungsweise Konsistenz des Farbortes. Die Farbwiedergabe hängt dagegen von der spektralen Zusammensetzung des Lichts und deren Wirkung auf die Farben beleuchteter Gegenstände ab.
Kann man aus der Farbtemperatur das Spektrum einer LED bestimmen?
Nein. Unterschiedliche spektrale Strahlungsverteilungen können dieselbe ähnlichste Farbtemperatur und sogar denselben Farbort erzeugen. Für die genaue spektrale Charakterisierung ist eine entsprechende Messung erforderlich.
Fazit: Farbe wird erst durch standardisierte Messgrößen vergleichbar
Die Farbenlehre erklärt die grundlegenden Zusammenhänge zwischen Licht, Farbmischung und Farberscheinung. Die Farbmetrik ermöglicht es, diese Zusammenhänge in mathematisch definierte und reproduzierbare Messgrößen zu überführen.
Mit den CIE-Normfarbsystemen stehen hierfür international anerkannte Grundlagen zur Verfügung. Sie erlauben die quantitative Beschreibung von Farbreizen, die Bestimmung von Farborten und die Berechnung von Farbunterschieden.
Für die moderne LED-Technik sind diese Verfahren von zentraler Bedeutung. Sie unterstützen die Entwicklung reproduzierbarer Lichtfarben, die Auswahl geeigneter LED-Komponenten und die Qualitätskontrolle komplexer Beleuchtungssysteme.
Dabei gilt: Keine einzelne farbmetrische Kenngröße kann sämtliche Eigenschaften einer Lichtquelle beschreiben. Erst die gezielte Kombination von Spektralanalyse, Farbortbestimmung, Farbkonsistenzbewertung und weiteren lichttechnischen Messverfahren ermöglicht eine fundierte Beurteilung.
Weiterführende Grundlagen
Die physikalischen Voraussetzungen werden im Kapitel Physik des Lichts behandelt. Die physiologischen Grundlagen erläutert Das menschliche Sehen, während das Kapitel Farbwahrnehmung die Verarbeitung und Interpretation von Farbreizen durch das visuelle System vertieft.
Im anschließenden Kapitel Lichttechnik und Lichtmessung werden die messtechnischen Grundlagen auf weitere lichttechnische Größen und deren praktische Bestimmung übertragen.