IES TM-30-15 Neuer Standard zur Farbwiedergabe-Bestimmung

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IES publizierte einen neuen Standard zur Bestimmung der Farbwiedergabe von Leuchtmitteln und Leuchten. (TM-30-15)

Lighting Passport Spektrophotometer zur Messung von TM30-15Dieser Artikel informiert anschaulich über die Funktion und Nachteile bisheriger, bekannter Farbwiedergabeparameter (Ra, Re, GAI) und leitet dann verständlich über zu den neuen Indizies Rf und Rg aus dem IES-Standard TM-30-15.

Die nachstehend dargestellten Messungen wurden mit dem Smart-Spektrophotometer Lighting Passport Pro Standard des Herstellers Asensetek durchgeführt.

Ra (=CRI) kennt nur 8 Referenzfarben

Der seit 1965 verwendete und bekannteste Lichtparameter neben der Farbtemperatur ist der Farbwiedergabeindex Ra (bzw. engl. CRI- Color Rendering Index.) In der Lichtmesstechnik wird die Fähigkeit von Licht geprüft wie gut die bekannten 8 Referenzfarben (TCS) abgebildet werden können. So wurden z.B. bei Leuchtstoffröhren die Konversionsschichten auf diese Farben optimiert (3 Band/5Band) und auch das Konvertierungsmaterial (häufig als Phoshor bezeichnet) für die LEDs folgte dieser Vorgabe.

Das dies nicht genügte, zeigt dann die Erweiterung auf 14 bzw. 15 Referenzfarben (incl. Asia Skin-Color) insbesondere mit R9 für „rot“ und unter der Bezeichnung Re (für erweitert) bekannt.

Erwähnenswert noch ein Lichtparameter der Filmindustrie TLCI (Television Lighting Consistency Index), welcher auf 24 Referenzfarben basiert.

CIE1931 oder CIE1976 Farbdiagramm und seine vielen anderen Farben

131px-CIE-Normfarbtafel

Die 1931 bzw. 1976 entwickelten Farbdiagramme zeigen alle Farben, welche das menschliche Auge wahrnehmen kann. Dieses ursprünglich in Anlehnung an drei versch. Rezeptoren des Auges aufgebaute drei-dimensionale Gebilde stellt den sogenannten Farbraum (engl. Gamut) dar.

Durch eine mathematischen Definition (z.B. x+y+z=1) ist es möglich diese Diagramme zweidimensional (x,y-Koordinaten für CIE1931) darzustellen. Bekannt als „Farbsegel“, „Horseshoe-Diagram“ o.ä.

Eine ideale Lichtquelle verfügt somit über die Möglichkeit all diese Farben abzubilden. Spätestens hier wird klar, dass der Ra oder Re maximal eine kleine Stichprobe darstellt.

Farbraum (Gamut) und sein Index GAI (Gamut Area Index)

Farbraum CIExy1931 srgb gamut Einen extrem begrenzten Farbraum kennen wir aus der Fernsehtechnik, wo insbesondere durch die Verwendung von RGB (Rot-Grün-Blau) und Mischung dieser einen Farbraum als Dreieck aufgespannt. Farben ausserhalb können nicht erzeugt werden. Es ist nur ein begrenzte Sättigung an Farben möglich.Ein Qualitätskriterium war somit die Größe des Dreiecks, bzw. abgeleitet von den Farborten von RGB. Soweit die Veranschaulichtung des Begriffes Farbraum.

Einige namhafte LED-Hersteller sind bereits in den letzten Jahren dazu übergegangen und haben ihren Datenblättern noch den Wert GAI hinzugefügt. Dieser ist ein Indikator, wie gut die (Oktaeder-) Fläche, welche  durch die acht Referenzfarben des Ra definiert wird, von der Lichtquelle quasi „beleuchtet“ wird.

Ist die von Lichtquelle erreichte Fläche gleich groß wie das Referenzoktaeder spricht man von einem GAI = 100. Dieser Wert kann bei guten Leuchtmitteln sogar > 100 werden. Nämlich dann, wenn der abbildbare Gamut größer als der des Ra-Oktaeders ist.

Experten nennen den Index GAI gerne den „Lebhaftigkeitsindex“, denn gerade z.B. in Museen kennzeichnet die Sättigung von Farben bei Gemälden deren „Lebhaftigkeit“.

Kurzum erst eine Betrachtung von beiden Indizes gibt Auskunft über „Farbechtheit“ und „Farbsättigung“.

Folgende Kombinationen sind möglich:

CRI kleinCRI hoch
GAI kleinweder Farbtreue noch Farbsättigung erkennbarGute Farbtreue, doch „fades“ Bild
GAI hochBuntes Bild, jedoch fehlende oder falsche FarbenNaturgetreue Abbildung. Farbton
-und Sättigung sind optimal.

Kurzum: Zwei Leuchtmittel mit identischen Werten in CCT, CRI, MacAdam bzw. Farbort können vollständig unterschiedliche Lichtwirkung ergeben. Grund genug für die Einführung von TM30-15.

Mit dieser Einleitung ist der neue Lichtparameter und IES-Standard TM30-15 schnell erklärt.

Fidelity-Index Rf

Unzulänglich bei obiger Betrachtung bleiben z.B. Farben wie R9 (rot) und und da es verschiedene „Rot“ gibt und auch noch viele weitere Farben greift der neue Standard auf 99 Referenzfarben (CES = Colour Evaluation Samples) zurück. Diese sind über den gesamten Farbraum verteilt. Nach Messung mit dem Lichtspektrometer vergleicht dieses die ermittelten Farborte mittels aufwendigem Rechenverfahren mit den Referenzfarborten und bildet daraus den sogenannten Fidelity-Index Rf.
(Quasi ein Profi – CRI)

Gamut-Index Rg

Zur Analyse der Farbsättigung, sowie ggf. Farbtonverschiebung wurde ein kreisförmiger Farbraum aus 16 Farborten festgelegt. (ähnlich GAI)

Der daraus resultierende Kreis gilt als Referenzfläche. Abweichungen von dieser Fläche lassen Rückschlüsse hinsichtlich Farbsättigung zu. Werte über 100, analog zur obigen GAI-Betrachtung sind möglich.

Die graphische Umsetzung erlaubt weiterführende Auswertungen.

TM-30-15 Gamut Index

So zeigt die Grafik links eine LED-Lampe mit einem übersättigten Grünbereich. Das findet man leider häufig bei billigen LED-Lampen. Dadurch wird die spektrale Dichte passend für die V-Lambda optimiert und damit der Lumen-Wert nach oben getrickst.

Leider werden jedoch z.B. die roten Farbbereiche nicht nicht gesättigt. Entsprechend liegt der R9 bei -8.

Weitere Werte der Messung ergaben:

Ra = 70
Re = 61
GAI=53,5
Duv=0,0029 (Abweichung von Black body line)

Diese graphische Darstellung erlaubt somit lokale Abweichungen vom Referenzkreis sofort zu erkennen und ermöglicht somit eine schnelle Aussage der farbabhängigen Sättigungsgrade.

TM-30-15 zeigt Farbtonverschiebung In der alternativen Grafikdarstelung (rechts) ist darüberhinaus die Farbtonverschiebung durch Vektoren zu erkennen

Zwar wurde hier ein guter Wert für den Gamut-Index Rg = 97 erreicht, doch betrachtet man die Farbtonabweichung, gezeigt über die grünen Pfeile, so erkennt man hier deutlich, warum der Fidelity-Index Rf = 68 so niedrig ist. (vgl. Ra=70)

Viele lange Pfeile auch entlang des Referenzkreises mögen ggf. einen 1:1 Gamut zeigen. Nur in Verbindung beider Werte ist eine finale qualitative und quantitative Bewertung des Leuchtmittels oder Leuchte möglich.

Fidelity-und Gamut-Index innerhalb eines Diagramms

Fidelity Rf und Gamut Rg Index in einem Diagramm

Entsprechend hat das IES-Gremium sich für eine Darstellung beider Werte in einem Koordinatensystem entschieden.

So ist eine Bewertung des oder der Leuchtmittel(s) mit einem Blick möglich.

Linke Abbildung zeigt das Ergebnis einer Messreihe verschiedenster LED-Lampen, Glühlampen, sowie Leuchtstofflampen.

Eindeutig identifizierbar ist definitiv die Glühlampe rechts an der Spitze mit Rf=100, Rg=100 und stellt somit das Optimum dar.

 

Beispiele von Messungen mit dem Lichtspektrometer Lighting Passport von Asensetek

 

Sonnenlicht direkt 17 Uhr

CCT = 5162 K
Ra = 99
Re = 99
GAI=89,6
TLCI = 98

TM-30-15 Rf99
TM-30-15 Rg100
Spektrum TageslichtFoto Sonnenlicht
06-tm30-color-vector-maskedSonnenlicht Fidelity IndexTM30-15 Sonnenlicht Fidelity und Gamut
Blauer Himmel 17 Uhr

CCT = 7349 K
Ra = 99
Re = 99
GAI = 101,9
TLCI = 100

TM-30-15 Rf99
TM-30-15 Rg101
Spectrum blauer Himmelblauer Himmel
Gamut blauer HimmelFidelity Vektor blauer Himmel Gamut und Fidelity blauer Himmel
Glühlampe E27 40W

CCT = 2678 K
Ra = 100
Re = 100
GAI = 47,7
TLCI = 100

TM-30-15 Rf100
TM-30-15 Rg100
Spektrum GlühlampeGluehlampe Bild Spektrometervergleich
06-tm30-color-vector-maskedGlühlampe Vektor TM30Glühlampe Fidelity und Gamut
Tageslicht, Sonnenlicht oder Glühlampe stellen eine idealle Lichtquelle dar. Rg und Rf finden sich jeweilig in der Spitze des TM30-15 Dreieckdiagramms.
Energiesparlampe

CCT = 2588 K
Ra = 85
Re = 77
GAI = 42,7
TLCI = 52,9

TM-30-15 Rf74
TM-30-15 Rg103
Spektrum Energiesparlampe Energiesparlampe LSL
Gamut EnergiesparlampeFalsche Farben EnergiesparlampeFidelity Rf und Gamut Rg
LED-Lampe China (billig)

CCT = 2888 K
Ra = 54
Re = 40
GAI = 44,7
TLCI = 21,6

TM-30-15 Rf54
TM-30-15 Rg86
Spektrum einer billigen China LED Lampebillige LED Lampe
China LED GamutFarbtonverschiebungen China LEDTM3015 Fidelty und Gamut Index
Die Schwachstellen von billigen Lampen und auch Energiesparlampen werden mittels TM30-15 schnell aufgedeckt. Selbst der hohe Rg der Energiesparlampe genügt nicht, um in die „Spitzenposition“ zu gelangen.
LEDON-LED-Lampe

CCT = 2673 K
Ra = 91
Re = 88
GAI = 45,7
TLCI = 89

TM-30-15 Rf90
TM-30-15 Rg100
Spectrum LEDON LampeLEDON LED Lampe Produkt bild
Rg Gamut index und Graphic LEDON LampeFarbechtheit bei LEDON gezeigt am TM3015Sehr gute Werte für Rf und Rg (TM30-15) bei LEDON
Muster-LED-Lampe kaltweiss

CCT = 5291 K
Ra = 97
Re = 95
GAI = 96,1
TLCI = 96,5

TM-30-15 Rf91
TM-30-15 Rg101
Spektrum Musterlampe LEDMusterlampe von Looking für Testmessungen
rot leicht übersättigtVector diagram TM-30 2015TM30-2015 Diagramm
Die LEDON Lamp GmbH hat sich zum Ziel gesetzt bestmöglich LED-Leuchtmitteln zu entwickeln, die nahe der Glühlampe sind. Die TM-30-15 Indizes zeigen eine gelungene Umsetzung.

Auch eine auf der L&B2016 kostenlos erhaltene LED-Musterlampe eines taiwanischen Herstellers zeigt bemerkenswerte gute Indizes. Auffällig jedoch ist die etwas „Übersättigung“ in Rot. Wohl zur Erreichung eines guten R9-Wertes.(98)

 

Wie obige Beispiele zeigen ist der neue lichttechnische Parameter TM30-15 wohl eine gelungene Umsetzung. Auch die Messung der Parameter ist heute mit preiswerten Smartspektrometern möglich. Asensetek scheint zur Zeit der einzige Hersteller von Lichtspektrometer zu sein, welche diese Berechnung bereits in ihre Geräte integriert haben.
Alle anderen müssen sich zur Zeit noch die Mühe machen, diese Parameter über einen Import der Spektrumstabellen in eine Excel-Makro-Datei zu berechnen.

Video „New Color Metrics, IES TM-30-15 – IES Oct.2015 Meeting

Weitere umfangreiche Informationen zeigt auch folgendes Video. Es zeigt die Vorstellung von TM-30-15 während einem IES-Meeting im Oct 2015 durch Michael Royer.

Preiswertes Lichtseminar zum Thema: hier klicken!

Linksammlung

 

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1 Gedanke zu “IES TM-30-15 Neuer Standard zur Farbwiedergabe-Bestimmung”

  1. Hallo Herr Reichelt,
    ihr Artikel hier ist wie ich finde eine sehr gelungene und extrem gut verständliche Erklärung des TM-30-15 Modells und wie damit die Qualität des Lichtes einer Leuchtquelle gedeutet werden kann. Das der CRI nicht ausreicht um heutigen Qualitätsansprüchen in der Leuchtenindustrie zu genügen ist ja lange klar. Bisher fehlte mir persönlich eine leicht verständliche Erklärung. Die habe ich nun hier in Ihrem ausführlichen Bericht bekommen, vielen Dank dafür.
    Wir von BRIDGELUX legen besonderen Wert auf Lichtqualität, gerne können sie auch einmal unsere Decorserie testen die wie ich selbst gemessen habe (mit dem Lighting Passport) extrem gute Werte Liefert.
    Gruss
    Thomas Hillebrand
    Director of Sales
    Deutschland und Niederlande
    BRIDGELUX, INC

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