Die Kunst der differenzierten Wiedergabe von Weißtönen ohne ultraviolette Strahlung...
In verschiedenen Beiträgen hier im danholt Licht-BLOG habe ich die Bedeutung der verschiedenen TM-30-Kennzahlen erläutert und erklärt und wie Lichtdesigner und Anwender sich von ihnen leiten lassen können.
Der TM-30 ist jedoch auch für andere Akteure in der Beleuchtungswelt nützlich, einschließlich der Hersteller selbst. Bei der Entwicklung einer Lichtquelle geht es oft um Kompromisse - zum Beispiel können wir entscheiden, ob wir die Lumen (Lumen/Watt) oder die Farbwiedergabe in den Vordergrund stellen. Es ist von entscheidender Bedeutung, dass die Metriken, die wir zur Bewertung dieser Kompromisse verwenden, so genau wie möglich sind, damit wertvolle Produkteigenschaften und nicht irgendwelche abstrakten Zahlen optimiert werden.
Heute möchte ich am Beispiel der SORAA Vivid Vollspektrum LED zeigen, wie solche Kompromisse das Design eines Produkts bestimmen können.
Die SORAA Vivid Serie ist bestrebt, Weiß und alle Farben des sichtbaren Spektrums gleichermaßen natürlich wiederzugeben - genau so, wie sie unter einer natürlichen Lichtquelle mit der gleichen Farbtemperatur (CCT) erscheinen würden (Halogen, Sonnenlicht...).
Die Vollspektrum-Technologie von SORAA kombiniert einen Violett Boost und drei weitere Leuchtstoffe, was so auf natürliche Weise zu einem gleichmäßig verlaufenden Spektrum führt. Durch sorgfältiges Ausbalancieren der Einzelspektren kann man sich dem gesamten Spektrum des natürlichen, sichtbaren Lichts maximal annähern, wie in Abb. 1 dargestellt.
Dies führt zu natürlichen Farben, die durch einen hohen Wert des TM-30-Farbtreueindexes Rf gemessen werden: Mit der richtigen Abstimmung kann so zum Beispiel Rf = 95 erreicht werden.
Abb.1 Natürliches Sonnenlicht kann mit dem Vollspektrum-Ansatz von SORAA sehr gut angenähert werden, was zu einem hohen Farbtreue-Index Rf führt. Hier werden die einzelnen Spitzen des Violett Boosters und der drei Phosphore (Blau, Grün, Rot) überlagert, um das volle Spektrum zu erzeugen.
Bislang bleibt dabei aber eine entscheidende Frage unbeantwortet:
Wie erreichen wir eine klare und differenzierte Wiedergabe von Weißtönen?
Warum unterscheiden sich überhaupt Weißtöne von Farben?
Das liegt daran, dass viele weiße Materialien so genannte fluoreszierende, weißmachende Substanzen, optische Aufheller enthalten.
Diese Substanzen absorbieren das unsichtbare, ultraviolette Licht und geben bläuliches, sichtbares Licht dafür wieder ab. Unser Auge im Zusammenspiel mit dem Gehirn registriert dies als Verstärkung des Weißgrades.
Optische Aufheller sind allgegenwärtig: Sie finden sich in vielen hergestellten weißen Materialien (Stoffe, Papier, Kunststoffe...) und sind auch in unseren Zähnen natürlich vorhanden. Sie sorgen für diese Absortion von ultravioletter Strahlung und Umwandlung in Blau.
Auch wenn wir alle das helle, klare Weiß mögen, wollen wir jedoch in den meisten Anwendungsfällen nicht die schädliche UV-Strahlung, die es erst ermöglicht diese Weißtöne wahrzunehmen.
Herkömmliche LED-Produkte vermeiden natürlich die UV-Strahlung - aber das bedeutet, dass sie die Aufheller nicht anregen und weiße Gegenstände immer gelbstichig und schmuddelig aussehen lassen.
SORAA hat eine elegante Lösung für dieses Problem gefunden:
Es stellte sich heraus, dass optische Aufheller auch durch harmloses violettes Licht - nicht ultraviolettes Licht - mit einer sorgfältig gewählten Wellenlänge angeregt werden können. Der Trick, den SORAA anwendet, um natürliches Weiß wiederzugeben, besteht darin, das für Sonnenlicht typische UV-Licht durch die richtige Menge einfachen violetten Lichts zu ersetzen:
Die Weißmacher resp. optischen Aufheller werden dann exakt so angeregt, wie sie es unter natürlichem Licht mit UV-Antail tun würden.
Abb. 2 stellt diesen Zusammnhang dar:
Abb. 2 Halogen- und Glühlampenlicht sorgen aufgrund ihres "UV-Schweifs" für die Anregung weißer Farben. Bei einem intelligenten LED Design kann dies mit einer Spitze violetten Lichts nachgeahmt werden, die ebenfalls die optischen Aufheller anregt. Die schädlichen Auswirkungen der UV-Strahlung werden auf diese Weise vollständig vermieden.
Wie lässt sich dieser Effekt in Zahlen ausdrücken? Es ist etwas überraschend, dass es darauf keine stringente Antwort gibt. Das liegt zum Teil daran, dass der größte Teil der Beleuchtungsindustrie, die LEDs mit "blauer" Quelle verwendet und keine Möglichkeit hat, den Weißgrad zu bestimmen, diese Frage überhaupt nicht kennt.
Und darüberhinaus, um es klar und deutlich zu sagen, die Farbwiedergabemetriken (einschließlich CRI und TM-30) sagen nichts über die Weißwiedergabe aus!
Das bedeutet, dass eine Quelle einen sehr hohen Rf-Wert oder CRI haben kann, aber eine schreckliche Weißwiedergabe.
Glücklicherweise ist die zugrundeliegende Farbwissenschaft recht gut verstanden, und es ist möglich, eine Metrik abzuleiten, die in Analogie zum Farbwiedergabeindex Rf die Wiedergabe von weißen Objekten misst.
Auf der Grundlage interner Forschungen und akademischer Kooperationen hat SORAA genau das getan und die Weißwiedergabe-Metrik Rw entwickelt. Wie zu erwarten, liegt der Rw-Wert für natürliches Licht bei etwa 100.
Und hier zeigt sich der Kompromiss, den ich Ihnen versprochen habe. Um die beste Farbtreue zu erreichen, sollten wir uns der Form des natürlichen Spektrums so weit wie möglich annähern - aber, um die beste Weißtreue ohne UV zu erreichen, müssen wir dem Spektrum etwas violettes Licht - nicht ultraviolettes Licht - hinzufügen, das dann von seiner natürlichen Form abweicht!
Kurzum, wir stehen vor einem Antagonismus zwischen der homogenen Wiedergabe von Farben und des gesamten Spektrums gegenüber den Weißtönen. Genaue Messwerte sind hier von entscheidender Bedeutung, denn dieser Kompromiss soll so gut wie eben möglich sein.
Mit Hilfe von Rf und Rw wurde das Spektrum der SORAA Vivid Leuchtmittel so gestaltet, dass das Beste aus beiden Welten herausgeholt werden konnte.
Dies wurde durch die optimale Abstimmung der Wellenlänge und der Intensität des Violett-Boost gegenüber den Spektren der drei Phosphore erreicht. Um eine bessere Leistung zu erzielen, wurde auch einem anderen TM-30-Index besondere Aufmerksamkeit gewidmet, dem Rfh1. Dieser Parameter, der die Rotwiedergabe misst und das moderne und bessere Äquivalent zum CRI R9 ist. In der Tat ist die Wiedergabe von Rottönen für unsere Wahrnehmung sehr wichtig - Rfh1 ist daher mindestens genauso wichtig wie Rf, vielleicht sogar noch wichtiger.
Infolgedessen liefert SORAA Vivid sehr hohe Werte in allen Metriken: Rf = 91, Rfh1 = 95 und Rw = 100. Es ist ein Glücksfall, dass dieser spezielle Kompromiss gefunden und optimiert werden konnte, ohne dass dabei die wesentlichen Aspekte einer Vollspektrum Lichtquelle verloren gingen.
Abb. 3 TM-30 Farbfelder mit Farbverzerrungsmetriken. Auf der linken Seite eine SORAA Vivid mit hoher Farbtreue und einer hohe Weißgradtreue (Rw). Rechts: Scheinbar hahezu gleich dargestellt eine Standard-LED mit hohem CRI hat zwar einen hohen Rf-Wert, gibt aber überhaupt kein Weiß wieder, Rw = 0 – nicht erkennbar beim TM-30.
Betrachten wir zum Vergleich jetzt eine LED-Quelle (Abb. 3, rechts), die ganz "naiv" nur für Farben optimiert wurde: Die Farbtreue könnte Rf = 95 erreichen, aber die Weißtreue würde auf Rw = 0 sinken. Falls dieses Beispiel zu dramatisch klingt, möchte ich Sie daran erinnern, dass genau dies jeder (blauen) High-CRI-Booster-LED entspricht, die die überwiegende Mehrheit der Produkte auf dem Markt ausmacht!
Wie jeder, der ein weißes Hemd unter einer SORAA Vivid LED und unter einer Konkurrenz-LED vergleichsweise betrachtet hat, bestätigen kann... ist der Unterschied frappierend!
Ich hoffe, dass diese Einblicke Ihnen ein paar Entscheidungskriterien an die Hand geben:
1. Das Design einer Lichtquelle ist eine vielschichtige und anspruchsvolle Aufgabe, bei der sich technische und physikalische Aspekte sowie subjektive Wahrnehmung vermischen.
2. Genaue Messwerte sind wichtig, denn sie sind das Designwerkzeug, mit dem wir letztendlich Entscheidungen treffen und hernach validieren können.
Fazit: Achten Sie nicht nur auf eine einzige Messgröße, sondern auf eine Vielzahl von Indikatoren, die für Ihre Anwendung relevant sind wie die Farbtreue insgesamt, Wiedergabe von Rottönen und Abstufungen von Weiß.
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