LED-Beleuchtung

Der CRI in der Praxis

Spektrum einer RGB und einer weißen LED
geschrieben von Nino Turianskyj

Ich habe vor einiger Zeit schon einmal technisch kurz erklärt, was der CRI (Color Rendering Index) eigentlich ist. Inzwischen liegen aus einem Projekt einige Messergebnisse vor, welche zeigen, wo die Schwächen eines kleineren CRI liegen.

Erklärungen zum Farbwiedergabeindex, wie der CRI in Deutsch heißt, findet man in der Wikipedia: http://de.wikipedia.org/wiki/Farbwiedergabeindex. Eine Berechnung und Messung wird hier dargestellt: http://www.kruschwitz.com/cri.htm.

Der ideale CRI ist der eines sogenannten schwarzen Strahlers, ein idealisierter, physikalischer Körper (http://de.wikipedia.org/wiki/Schwarzer_Strahler). Die Abbildung aus der Wikipedia zeigt, dass die Intensität von der Farbtemperatur abhängt.

Spektrum schwarzer Strahler

Spektrum schwarzer Strahler

Das Spektrum der Sonne ist auch nicht so ideal, wie man sich es vielleicht vorstellt, obwohl das Sonnenlicht mit einem CRI von 100 bewertet wird. Es zeigt also, dass eine nicht homogene Kurve trotzdem einen hohen CRI haben kann (Quelle: Wikipedia).

Spektrum der Sonne

Spektrum der Sonne

Ausgehend davon sollen hier einige Spektren von LEDs dargestellt werden. Dazu zunächst das Spektrum einer RGB-LED mit einer weißen LED.

Spektrum einer RGB und einer weißen LED

Spektrum einer RGB und einer weißen LED

Die rote Kurve zeigt schön die Spitzen der RGB-LED und dazwischen die fehlenden Spektralanteile. Ohne die weiße LED sind hier genau drei Spitzen zu sehen. Damit fehlen einige Farbanteile, obwohl eine RGB-LED scheinbar weiß leuchtet. Dies erklärt aus, warum gerade RGB-LEDs scheinbar fades Licht erzeugen. Alle Farbanteile, die nicht ausgestrahlt werden, können auch nicht reflektiert werden. Es kommt damit zu Farbverschiebungen (Metamerie).

Die Kurve der weißen LED ist ähnlich aufgebaut mit einer deutlichen Lücke bei ca. 480nm. In diesem Bereich liegt Türkis, wo LEDs generell kaum zu finden sind. Dies führt im Ergebnis dazu, dass durch den Metamerie-Effekt blaue Flächen ins violette verschoben werden.

Als nächstes sollen warmweiße und kaltweiße LEDs mit unterschiedlichem CRI verglichen werden. Hier sind es die Samsung-LEDs mit einem schon recht guten CRI von 85 und Nichia-LEDs mit einem CRI von 92.

Samsung-LEDs (kalt/warm)

Samsung LED kaltweiß CRI85

Samsung LED kaltweiß CRI85

Samsung LED warmweiß CRI85

Samsung LED warmweiß CRI85

Nichia-LEDs (kalt/warm)

Nichia LED kaltweiß CRI92

Nichia LED kaltweiß CRI92

Nichia LED warmweiß CRI92

Nichia LED warmweiß CRI92

Die Grafiken verdeutlichen das, was man erwartet. Steigt der CRI, so werden die typischen Lücken bei 480nm weitgehend geschlossen, die Kurve wird insgesamt homogener.

Kommen wir nun zur spannenden Frage, wie sich der CRI in der Praxis überhaupt auswirkt. Es gibt Bereiche, bei denen unter sogenannten „Normlicht-Bedingungen“ gearbeitet wird, zum Beispiel Druckereien. Bei der Abmusterung von Druck-Ergebnissen ist ein hoher CRI deshalb Pflicht.

Einige Anwender, die LED-Streifen zur Beleuchtung in der Küche eingesetzt haben, berichten davon, dass die Ergebnisse der Zubereitung verschiedener Speisen (u.a. Fleisch) nicht mehr so sind wie vorher. Auch hier schlägt die Metamerie zu. Übrigens, Supermärkte nutzen den Effekt beispielsweise, um Obst/Gemüse unter einem anderen Licht besser aussehen zu lassen…

Die Messung zur Farb-Beurteilung (Abmusterung) wird anhand einer Referenzfarbkarte nach DIN6169 durchgeführt, die 14 Farben beinhaltet. Zur Messung werden nur die ersten 8 Farben herangezogen.

Testfarben nach DIN6169

Testfarben nach DIN6169

Was jetzt noch fehlt, sind Testbilder mit den verschiedenen LEDs als Beleuchtung. Bis diese vorliegen, kann man sich auch einige Vergleichsbilder im Samsung-Test ansehen.

2 Kommentare

  • Vielen Dank für den spannenden Bericht Nino Turianskyj,
    jetzt sind einige Fragen bezüglich des CRI klar geworden.
    Mich würde noch interessieren in wie weit LED Lampen „gezüchtet“ werden, damit sie einen möglichst guten CRI Wert erreichen. Und wie diese Lampen dann bei einer CRI (Re) Messung mit 15 Referenzfarben abschneiden oder gar beim TLCI (Television Lighting Consistency Index) Wert mit 24 Farben.
    Heutzutage können ja selbst kleine Messgeräte bzw. Smartphone gadgets (lightingpassport.de) solche lichttechnischen Parameter bestimmen. Doch die Wirkung des Lichts, die hinter all den Parametern steckt ist mir noch immer ein wenig rätselhaft.
    Ich würde mich über weitere Artikel freuen!
    Liebe Grüße
    Caro

  • Hallo Caro,
    tatsächlich können die Hersteller die Phosphor-Herstellung in der Art beeinflussen, dass die weißen LEDs dann recht gut beim CRI abschneiden. Weiße LED ist ja immer = blaue LED + Phosphor. Der Phosphor ist dann für die CRI-Bewertung abgestimmt und da die CRI-Methode sehr veraltet und unzulänglich ist, entsteht dabei nicht automatisch eine wirklich bessere Farbqualität.

    Bessere Varianten arbeiten mit mehreren verschiedenen Phosphaten, so dass dabei tatsächlich das Spektrum verbreitert und aufgefüllt wird. Es entsteht so tatsächlich eine bessere Farbqualität. Aber auch diese Art von LEDs haben weiterhin Schwächen bei sehr gesättigten Farben, besonders Rot. Die 15 Referenzfarben würden diese Schwächen schneller offenbaren, besonders R9.

    Sehr gute Farbwiedergaben, sowohl CRI also auch TLCI und andere erreichen schon einige Remote-Phosphor-Systeme, was dann aber eigene Leuchten sind. Bei LED-Streifen ist diese Technik nicht verfügbar.

    Die Handspektrometer wie Lighting Passport, UPRtek und andere können weißes LED-Licht ausreichend genau vermessen. Bei Farb-LEDs wird es schwierig, denn hier sind die Streulicht-Einflüsse bei den kleinen Messgeräten zu hoch und die optische Auflösung zu gering.

    Die Wirkung des Lichtes ist ein riesiges Feld, über das man ganze Bücher schreiben kann 🙂 Das Lichtspektrum und damit auch Lichtfarbe und Lichtqualität ist hier nur ein Faktor. Viele weitere Punkte kommen hinzu, wie Lichtrichtung, Schattenbildung, Kontraste und vieles, vieles mehr. Kannst du genauer beschreiben, was dich interessiert? Dann können wir entsprechende Artikel verfassen.

    Viele Grüße,
    Dennis

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