MacAdam Ellipsen (SDCM) und seine Tücken

Farbtemperatur, Farbkonsistenz, MacAdam, SDCM – Wirklich wichtig für Lichtplaner und Leuchtenhersteller?

Licht ist nicht gleich Licht, Farbtemperatur ist nicht gleich Farbtemperatur. Neben Helligkeit kommt es auch auf die Farbkonsistenz, bewertet durch MacAdam an.

Zur Zeit der Glühlampe spielte maximal die Ausführung „Matt“ oder „Klar“, sowie die elektrische Leistung eine maßgebliche Rolle für ein einheitliches Erscheinungsbild dieser Lichtquellen.

Doch schon die die Leuchtstoffröhre musste näher spezifiziert werden (In Angaben wie „840“ war der CRI und die Farbtemperatur versteckt)

Seit September 2013 fordert die EU-Kommision von Lampen- und Leuchtenherstellern eine umfangreiche Kennzeichnung der Leuchtmittel und Leuchten. Neben den reinen elektrischen Angaben werden lichttechnische Angaben gefordert, bzw. müssen Kriterien eingehalten werden.

Lichttechnische Angaben, das sind insbesondere der Farbwiedergabeindex CRI, sowie die Farbtemperatur  bzw. CCT (Correlated Color Temperatur). Diese müssen explizit benannt werden.

Hierbei gilt zu dem, dass der Farbort (Position im Farbdiagramm, Bild1) sich nur innerhalb kleiner

Grenzen bewegen darf um Streuungen im Erscheinungsbild zu begrenzen. (EU–Forderung SDCM < 7)

Dies und die damit verbunden Zusammenhänge zu veranschaulichen sind Ziel dieses Artikels.

Nun zu den einzelnen Begrifflichkeiten.

Farbtemperatur

Erhitzt man einen metallischen Körper z.B. den Glühdraht einer Glühlampe so erhalten wir abhängig von der Drahttemperatur unterschiedlich warmes Licht. Bei noch niedrigeren Temperaturen von z.B. 1700 °C (= 1700°C + 273 = 1973 Kelvin) entsteht warmweisses (orang-rotes) Licht mit Farbtemperatur von ca. 2000K. Je heisser der Draht desto bläulicher und kaltweisser das Licht. (Eine 25W Glühlampe erscheint wärmer, rötlicher als eine 100W Glühlampe)

Je höher (heisser) die Temperatur des sog. thermischen Strahlers, desto kälter die Lichtfarbe. Nein, das ist kein Schreibfehler.

In der Theorie versteht sich der metallische Körper als „schwarzer Strahler“ oder „planckscher Strahler“ und weicht natürlich von dem Glühdraht etwas ab. Mehr dazu auf den verlinkten Wiki-Seiten.

Die in Bild erkennbare Kurve (Black Body-Kurve) bildet die Farborte eines schwarzen Strahlers in Abhängig der Farbtemperatur ab.

Ähnlichste Farbtemperatur, CCT (Correlated Color Temperatur)

Durch die Verwendung von modernen Leuchtmitteln, wie Leuchtstoffröhren, Energiesparlampen und neuerdings auch LED ist die Betriebstemperatur des Leuchtmittels vollkommen unabhängig von der Farbtemperatur dieser Lichtquelle.

Somit beschreibt CCT einen vergleichbaren Wert. Dabei sollte der Farbort möglichst auch auf der obigen schwarzen Kurve liegen. Ist aber per Definition nicht nötig. So können Leuchtmittel identische Farbtemperatur haben, jedoch mal oberhalb oder unterhalb der „Black-Body-Kurve“ liegen. Diese Unterschiede können definitiv vom Auge wahrgenommen worden, wie hier von DIAL anschaulich beschrieben.

Identische Farbtemperaturen bedeutet nicht zwingend identische Lichtfarbe.

Sind Farbtemperatur, Helligkeit, Farbwiedergabeindex gleich, so kann sich der Farbort dennoch unterscheiden.

Dies hatte der Forscher David Lewis MacAdam 1942 erkannt und umfangreiche Forschung betrieben.

Die MacAdam Ellipsen

MacAdam hatte seinerzeit erkannt, dass identische Änderungen hinsichtlich Abstand im Farbort unterschiedlich vom Mensch wahrgenommen wurden. Bzw. umgekehrt die Wahrnehmung identischer Farbreize liegen nicht kreisförmig (gleicher Abstand) sondern auf unterschiedlich großen Ellipsen.
Bild2 zeigt diese Ellpsen innerhalb des CIE9131-Diagramms.

Diese Messreihe wurde von MacAdam nur mit einem Probanden (Mensch) durchgeführt und erfuhr keine statistische Bewertung. Kurzum dieser Propand konnte innerhalb dieser Ellipsen (Bild2) keine Änderung des Farbreizes erkennen.

Doch was wenn nun mehrere Probanden zur Bewertung herangezogen werden. Wieviele von 100 würden in Abhängigkeit der Ellipsengröße eine Abweichung erkennen? Eine Statistik muss her.

SDCM – Standard Deviation of Colour Matching

Zur statistischen Bewertung (Wahrscheinlichkeitsberechnung) wird häufig die Gaußsche Verteilungskurve und deren Standardabweichungen σ (Sigma) beschrieben. So bedeutet eine Abweichung von 1σ einen prozentualen Anteil von 68,3%.

bzw.

• Abweichung ± 1σ –> 68,3%
• Abweichung ± 2σ –> 95,5%
• Abweichung ± 3σ –> 99,7%

So wurden diese Ellipsen mit unterschiedlichen Größen ermittelt (Bild3). Das bedeutet Farbortunterschiede, welche innerhalb 1-SDCM (bzw. 1-MacAdam Ellipse) liegen, können nur besonders gut Sehende, das sind  68,3 von 100 Probanden wahrnehmen. Die Ellipse 3-SDCM ist größer, d.h. Unterschiede sind leichter zu erkennen. Also 99,7% der Propanden können Farbortunterschiede innerhalb dieser Ellipse erkennen.

Wer also bei einer Abweichung von ± 7σ  (entsprechend 7-SDCM) immer noch keine Unterschiede erkennen kann, dürfte als farbenblind eingestuft werden.

Qualitätsbewusste Leuchtenhersteller achten darauf dass die Streuung derer LEDs, LED-Lampen, LED-Leuchten 5-SDCM nicht überschreiten. Es wird als wichtiges Qualitätsmerkmal eingesetzt.

Und das passt auch zur Forderung der EU-Kommission. Diese fordert, dass die Standardabweichung 6 SDCM für LED-Produkte nicht überschritten werden darf.

Basierend auf den vorhergehenden Erkenntnissen keine beeindruckende Forderung.

Es wird wohl noch einige Zeit dauern, bis die LED-Hersteller sich innerhalb 3-SDCM und kleiner zu akzeptablen Preisen bewegen und die damit eine definitiv brauchbare Farbkonsistenz in Ihren Produkten gewährleisten können.

MacAdam und die Farbtemperatur

MacAdam hatte 25 Ellipsen definiert. Sechs Stück davon entlang der Planckschen Kurve und dies jeweilig in der Nähe der Farbtemperaturen 2700K, 3000K, 3500K, 4000K, 5000K und 6500K.(Bild3)

Abhängig von der Größe der Ellipsen, sprich Standardabweichung (SDCM) wird auch ein entsprechender Farbtemperaturbereich überstrichen.

Die Tabelle rechts zeigt die Abweichungen der Farbtemperatur am Beispiel der Ellipse für 3000 Kelvin. Somit ist bei 4-SDCM eine Farbtemperaturabweichungen 3000K ±100K möglich. Der erfahrene Lichtexperte weiss, dass 200 Kelvin Unterschied inbesondere bei warmweiss gut mit dem Auge erkennbar ist.

Und dabei muss der Farbort auch nicht zwingend auf der Black-Body-Line liegen. (Das tun sowieso auch nur die wenigsten MacAdam Ellipsen)

Seltsame Veränderung des Farbortes.

Nichts ist, wie es mal war oder sein sollte.

Einflüße auf die Lichtqualität und somit auch die Nachhaltigkeit von MacAdam Angaben.

Der LED-Hersteller hat es geschafft und liefert nachhaltig große Mengen an LEDs mit 3-SDCM. Juchu. Der Leuchtenhersteller baut diese stolz in seine Leuchten ein, spendiert eine Optik bzw. eine lichtdurchlässige Abdeckung aus PMMA oder PC.

Erste Muster gehen in das Lichtlabor und es zeigt sich, dass die Leuchten gerade mal 7-SDCM erreichen. Was hat da wohl der LED-Hersteller geliefert?

Wir machten einen Versuch unter Verwendung des mobilen Spektrophotometers Lighting Passport von Asensetek. (Lichtspektrometer-Sensor gekoppelt über Bluetooth mit Smartphone und spezieller App)

Verwendung eines LED-Demo-Boards von Cree und einer Optik der Fa. Carclo.

Bei den Messungen wurde der Spektrometersensor jeweilig ca. 5cm oberhalb der LED, bzw. Optik possitioniert. Bei der LED handelte es sich um eine CREE Typ XPE.

Zur Erhöhung der Aussagefähigkeit wurden jeweilig 5 Messungen durchgeführt.

Bild4/5: Smartphone-Screenshots der Spektrometer-App SGM

Auswertung:

Wie eindeutig in Bild5 zu erkennen ist liegen die ersten 5 Meßpunkte nahe innerhalb der 3-MacAdam Ellipse, berühren die Plancksche Kurve und zeigen eine Farbtemperatur von verlässlichen 3000K (Bild5)..

Die Messungen 6-10 mit eingesetzter Optik dagegen zeigen, dass die Linse den Farbort Richtung 7-MacAdam geschoben haben, sowie eine Veränderung der Farbtemperatur nach ca. 3075K. Zudem liegt der Farbort nun unterhalb der planckschen Linie.

Meßtechnik:

z.B. Spectrophotometer Lighting Passport

Zusammenfassung

Wer misst misst Mist – und das ist bei Licht nicht anders, und haben die MacAdam Ellipsen wirklich so eine hohe Bedeutung? Schließlich werden die Farborte der LEDs über ANSI-Binnings bereits schon ausreichend spezifiert. 7-SCDM entspricht etwa einem ANSI-Bin. Diese werden in weitere vier bzw. 16 Bins unterteilt. Es sollte genügen diese Bins einzuhalten.

Seinerzeit wurden die Referenzorte der MacAdam Ellipsen willkürlich festgelegt und decken längst nicht alle Farbortbereich ab. So sind inzwischen LEDs mit 2200K, 4500K oder 6000K u.m. erhältlich. Diesen ist gar keine MacAdam Ellipse zuordenbar. Es sei denn der Hersteller spezifiziert sich eigene.

Und dann kommt es sowieso anders. Es gibt kaum eine Leuchte ohne eine Abdeckscheibe oder Optik. Eine Farbverschiebung der so teuer eingekauften LED ist somit schon vorprogrammiert. Wie steht es mit den entsprechenden Angaben der Optikhersteller bezüglich Einhaltung der Farbkonsistenz und Homogenität?

Nicht zu vergessen das Thema Alterung von LEDs und Optiken. Weitere Einflüsse haben noch Betriebstemperatur und Betriebsstrom der LED. Auch Toleranzen in den Konstanststromquellen führen zu Farbortverschiebungen.

Um das vernünftig bewerten zu können, kommt man an mobiler Lichtmesstechnik wie die Lichtmessgeräte von Asensetek nicht mehr vorbei. Mit dem zunehmendem Einsatz dieser Gerät wächst das Verständnis für Licht. So können die richtigen Entscheidungen einfacher getroffen und teure Versuche eingespart werden.

Quellenangabe:

• What’s the difference between a 3-SDCM ellipse and a 7-SDCM ellipse?
• Warum Weiß nicht immer gleich weiß ist. Farbortverschiebung bei LEDs.
• Farbtemperatur (Wikipedia)
• Talking Photometry