Fehlfarbenfrei mit LED

Art und Qualität einer Lichtquelle beeinflussen, wie eine Farbe einem menschlichen Betrachter erscheint. Labor, Druckhaus oder Zeichentisch sind nur offensichtliche Beispiele für Arbeitsplätze, an denen Licht – elektromagnetische Strahlung im vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Bereich – deshalb von großer Bedeutung ist.

Um die durchschnittliche menschliche Farbwahrnehmung zu ermitteln und beschreibbar zu machen, hat die Commission Internationale de l'Éclairage (CIE, Internationale Beleuchtungskommission) schon im Jahr 1931 eine repräsentative Untersuchung mit farbsichtigen Probanden durchgeführt. Die Versuchsteilnehmer verstellten die Helligkeit je einer roten, grünen und blauen Leuchte, um den daraus gemischten Lichteindruck auf einer weißen Fläche einer Reihe von Farbtafeln anzugleichen. Die CIE definiert ausgehend von den Ergebnissen einen Normalbeobachter-Farbraum, der den vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Farbtönen Werte für Rot, Grün und Blau zuordnet.

Referenztafeln spielen noch immer eine Schlüsselrolle zur Qualifizierung der Farbtreue von Lichtquellen. Sie wird als sogenannter Farbwiedergabewert R_a ausgewiesen, der teils auch als CRI (Color Rendering Index) bezeichnet wird. Als Testobjekte sind dafür heute acht Normtafeln nach EN 6169 etabliert. Für diese wurden überwiegend Pastellfarben ausgewählt, also niedrig gesättigte Töne. Seit sich LED-Beleuchtung mehr und mehr durchsetzt werden sechs weitere Farbtafeln diskutiert – vor allem solcher mit hoher Farbsättigung, da sich anhand kräftigerer Farben gerade die ursprünglich für LED charakteristische Rotschwäche gut aufzeigen lässt. Eine entsprechende Erweiterung der Norm ist allerdings noch nicht beschlossen.

Welche Güte die Farbwiedergabe in Arbeitsräumen erreichen muss, ist der EN 12464 zu entnehmen. Sie definiert in Tabellen die Mindestanforderungen an Beleuchtungsstärke und Farbwiedergabe für unterschiedliche Szenarien. Der Idealwert ist der unter Tageslicht gegebene R_a=100. In Innenräumen, in denen Menschen für längere Zeit arbeiten oder sich aufhalten, sind nach der Norm Leuchtmittel mit einem Farbwiedergabeindex von mindestens 80 einzusetzen. An festen, ständig genutzten Arbeitsplätzen soll mit geeigneten Maßnahmen darüber hinaus eine noch zuverlässigere Erkennbarkeit aller Farben sichergestellt werden.

Bei Leuchtdioden handelt es sich um quasi-monochromatische Halbleiter-Bauelemente, die rotes, grünes oder blaues Licht mit hoher Farbsättigung in einem sehr schmalen spektralen Bereich emittieren. Betrachter nehmen farbige Köper jedoch nur farblich korrekt wahr, wenn diese spektral breit strahlendem Licht ausgesetzt sind, das die Wellenlängen unterschiedlichster Farben abdeckt. Fehlen spektrale Bereiche, so weisen diese Lichtquellen zum Beispiel einen „Gelbstich“ oder „Rotstich“ auf: Diejenigen Farben an Objekten, deren Wellenlängen im emittierten Licht nicht enthalten sind, sind dann nur verfälscht in verschiedenen Schattierungen wahrzunehmen.

Klassische Glühlampen geben ähnlich wie die Sonne Strahlung mit einem kontinuierlichen Farbspektrum ab, das den gesamten sichtbaren Bereich einschließt und sich bis ins Infrarot erstreckt. Dadurch erreichen Lampen mit Glühfäden eine sehr gute Farbwiedergabe mit R_a=100, sind also auf einem Niveau mit natürlichem Tageslicht.

Der Farbwiedergabewert von LED beträgt hingegen – auf dem aktuellen Stand der Technik – immer unter 100. Die Wellenlängen der unterschiedlichen Halbleitermaterialien, die in monochromatischen LED verwendet werden, liegen im zweidimensional visualisierten CIExy-Farbraum in der Nähe der geschwungenen Außenflanken des Diagramms. Farborte weiter im Inneren erreichen sie also nicht. Um bei LED das Wellenspektrum zu erweitern und eine erwünschte Weißlichtemission zu ermöglichen, muss ihnen erst ein Konversionsstoff hinzugefügt werden. Der üblichste Weg ist die Beschichtung des Halbleiters einer blauen LED mit einem zumeist gelben Leuchtstoff, der aus einer Mischung anorganischer Materialien besteht. Diese auch als Phosphore bezeichneten Pulver sind in den letzten Jahren wesentlich weiterentwickelt worden. Durch Kombination einer LED mit einem modernen Leuchtstoff kann mittlerweile ein sehr breitbandiges weißes Licht mit Farbwiedergabewerten bis über 90 emittiert werden.

Nicht nur der Farbwiedergabewert ist allerdings für Weißlicht von Bedeutung, sondern auch seine sogenannte Farbtemperatur. Das Konzept der in Kelvin angegebenen Farbtemperatur leitet sich her von der Abstrahlung eines idealtypischen Schwarzkörpers, der keine sichtbare Strahlung reflektiert. Die nominelle Farbtemperatur entspricht der Temperatur des Körpers. Weißlicht mit nach dieser Regel hohen Kelvin-Werten wird von menschlichen Betrachtern als kälter empfunden, solches mit geringeren Kelvin-Werten als wärmer. Je nach Konversionsstoffcharakteristik lässt sich mit LED heute sowohl warmes Licht erzeugen, das dem von Kerzen oder Glühlampen ähnelt, als auch kälteres Licht, das an vielen Arbeitsplätzen einschließlich Werkshallen bevorzugt wird.

Inzwischen werden häufiger gezielte Entscheidungen für Weißlichtquellen mit einer bestimmten Farbtemperatur oder sogar für Beleuchtungslösungen getroffen, die je nach Bedarf Weißlicht mit unterschiedlichen Farbtemperaturen zur Verfügung stellen. Solches „Tunable White“ macht sich den Effekt zunutze, dass die Aufmerksamkeit, Motivation und Stimmung von Mitarbeitern durch eine geeignete Lichtgestaltung positiv unterstützt werden kann. Die Variation der Weißlicht-Farbtemperatur ist dabei einer von zahlreichen Aspekten des „Human Centric Lighting“, das auch am Arbeitsplatz eine immer wichtigere Rolle spielt.

Bei marktüblichen LED-basierten Produkten für industrielle Einsatzbedingungen sind die Wahlmöglichkeiten bei der Farbtemperatur bis heute allerdings oft stark begrenzt: Viele Leuchten gibt es mit einer einzigen oder gerade einmal mit zwei verschiedenen Temperaturen. Die EN 12464 definiert für sogenanntes Neutralweiß Farbtemperaturen von 3300 K bis 5300 K, nennt Temperaturen unter 3300 K Warmweiß und solche über 5300 K Kaltweiß. Leuchtmittelhersteller verwenden dieselben Klartext-Bezeichnungen mitunter abweichend. Die beste Orientierung bietet daher immer die Farbtemperatur in Kelvin, die für jedes Produkt anzugeben ist.