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

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

Dieser Artikel informiert anschaulich über die Funktion und Nachteile bisheriger, bekannter Farbwiedergabeparameter (Ra, Re, GAI) und leitet dann verständlich über zu den neuen Indizies R_f und R_g aus dem IES-Standard TM-30-15.

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

R_a (=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 R_e (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

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 R_a oder R_e maximal eine kleine Stichprobe darstellt.

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

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 R_a 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 R_a-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:

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 R_f

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 R_f.
(Quasi ein Profi – CRI)

Gamut-Index R_g

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.

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.

In der alternativen Grafikdarstelung (rechts) ist darüberhinaus die Farbtonverschiebung durch Vektoren zu erkennen

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

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 R_f=100, R_g=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 Rf 99 TM-30-15 Rg 100
Blauer Himmel 17 Uhr CCT = 7349 K Ra = 99 Re = 99 GAI = 101,9 TLCI = 100 TM-30-15 Rf 99 TM-30-15 Rg 101
Glühlampe E27 40W CCT = 2678 K Ra = 100 Re = 100 GAI = 47,7 TLCI = 100 TM-30-15 Rf 100 TM-30-15 Rg 100
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 Rf 74 TM-30-15 Rg 103
LED-Lampe China (billig) CCT = 2888 K Ra = 54 Re = 40 GAI = 44,7 TLCI = 21,6 TM-30-15 Rf 54 TM-30-15 Rg 86
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 Rf 90 TM-30-15 Rg 100
Muster-LED-Lampe kaltweiss CCT = 5291 K Ra = 97 Re = 95 GAI = 96,1 TLCI = 96,5 TM-30-15 Rf 91 TM-30-15 Rg 101
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.

Linksammlung

• http://www.led-professional.com/products/leds_led_modules/xicato-publishes-ies-tm-30-15-color-rendering-data-for-its-modules
• http://www.ies.org/publications/TM-30-15.html
• https://www.ies.org/PDF/Erratas/TM-30-15-Errata.pdf
• http://www.asensetek.com/ies-tm30-15-standard/