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Schriftenreihe des Fachgebietes Lichttechnik Band 9

Universitätsverlag der TU Berlin

Silvia Bensel

Messtechnische Bewertung weißer LED-LeuchtenGonio-spektralradiometrische Untersuchung räumlicher Farbunterschiede

Silvia Bensel

Messtechnische Bewertung weißer LED-Leuchten Gonio-spektralradiometrische Untersuchung

räumlicher Farbunterschiede

Die Schriftenreihe des Fachgebietes Lichttechnik wird herausgegeben von: Prof. Dr.-Ing. habil. Stephan Völker, Heike Schumacher

Schriftenreihe des Fachgebietes Lichttechnik | 9

Silvia Bensel

Messtechnische Bewertung weißer LED-Leuchten Gonio-spektralradiometrische Untersuchung

räumlicher Farbunterschiede


Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.

Universitätsverlag der TU Berlin, 2017 http://verlag.tu-berlin.de Fasanenstr. 88, 10623 Berlin Tel.: +49 (0)30 314 76131 / Fax: -76133 E-Mail: [email protected] Zugl.: Berlin, Techn. Univ., Diss., 2016 Gutachter: Prof. Dr.-Ing. Stephan Völker Gutachter: Prof. Dr. rer. nat. Cornelius Neumann Gutachter: Prof. Dr. sc. nat. Christoph Schierz Die Arbeit wurde am 6. April 2016 an der Fakultät IV unter Vorsitz von Prof. Dr.-Ing. Sibylle Dieckerhoff erfolgreich verteidigt. Diese Veröffentlichung – ausgenommen Zitate und Abbildungen – ist unter der CC-Lizenz CC BY 4.0 lizenziert. Lizenzvertrag: Creative Commons Namensnennung 4.0 http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 Druck: docupoint GmbH Satz/Layout: Silvia Bensel Umschlagfoto: Silvia Bensel, 2012 CC BY 4.0 | http://creativecommons.org/licenses/by/4.0 ISBN 978-3-7983-2910-2 (print) ISBN 978-3-7983-2911-9 (online) ISSN 2196-338X (print) ISSN 2198-5103 (online) Zugleich online veröffentlicht auf dem institutionellen Repositorium der Technischen Universität Berlin: DOI 10.14279/depositonce-5877 http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5877

Danksagung

Die vorliegende Arbeit entstand während meiner wissenschaftlichen Tätigkeit

am Fachgebiet Lichttechnik der Technischen Universität Berlin und wurde im

Rahmen des Verbundprojektes „UNILED – Erfassung und Beseitigung von

Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting“ vom Bundesministerium

für Bildung und Forschung gefördert.

Besonderer Dank gilt meinem Doktorvater Prof. Stephan Völker für die Un-

terstützung beim Dissertationsvorhaben, die wissenschaftliche Betreuung so-

wie zahlreiche kritische Diskussionen und wertvolle Anregungen.

Prof. Cornelius Neumann und Prof. Christoph Schierz danke ich für die gute

Zusammenarbeit im Verbundprojekt, die fachlichen Anregungen sowie die Be-

reitschaft zur Übernahme der externen Gutachten.

Mein herzlicher Dank gilt allen Mitarbeitern des Fachgebiets sowie den von mir

betreuten Studenten. Ich denke gerne an das ungezwungene, freundschaftliche

und konstruktive Arbeitsumfeld zurück und freue mich, gute Freunde über die

Zeit am Fachgebiet hinaus gefunden zu haben, die ich hier aufgrund der kom-

promittierenden Spitznamen besser nicht namentlich erwähne – ich gehe davon

aus, dass sich die richtigen Personen angesprochen fühlen.

Ohne die persönliche Unterstützung meiner Familie und Freunde, hätten mir

der Rückhalt und der nötige Ausgleich zur erfolgreichen Erstellung dieser Ar-

beit gefehlt. Besonders möchte ich meinen Eltern danken, die mir nicht nur das

Interesse am Thema mit in die Wiege gelegt haben, sondern während des ge-

samten Dissertationsprozesses eine gute Balance zwischen nötigem Freiraum

und motivierender Erwartungshaltung gefunden haben.

Mein größter Dank gilt meiner zauberhaften Tochter Elisa und meinem wun-

dervollen und ebenso klugen Mann Philipp. Elisa danke ich für die Motivation

zum zeitnahen Abschluss der Arbeit und Philipp für seine endlose Geduld, stete

Ermutigung und bedingungslose Liebe. Ihm ist diese Arbeit gewidmet.

Kurzfassung

Mit dem Einzug der LED (engl. Light Emitting Diode) in die Allgemeinbe-

leuchtung wächst der Bedarf an einer vollständigen Charakterisierung moderner

Lampen und Leuchten. Dies erfordert die Entwicklung neuer Mess- und Dar-

stellungsmethoden sowie die Ableitung geeigneter Kennzahlen. Im Rahmen der

vorliegenden Arbeit wird die winkelabhängige spektrale Verteilung von weißen

leuchtstoffkonvertierten LED-Leuchten gonio-spektralradiometrisch gemes-

sen, da sich bei LED-Leuchten zum Teil starke winkelabhängige Farbunter-

schiede zeigen. Durch den gewählten Messabstand zwischen Testobjekt und

Spektralradiometer kann das spektrale Verhalten der Leuchten im Fernfeld ab-

gebildet werden. Die Farbverläufe auf beleuchteten Flächen in der realen An-

wendung lassen sich dadurch nachvollziehen.

Zur Bewertung der winkelabhängigen Farbunterschiede werden Schwellen-

und Toleranzwerte bisheriger Forschungsarbeiten zusammengefasst und mit

den Schwellenwerten der aktuellen Normung für LED-Leuchten verglichen.

Daraus werden anwendungsspezifische Schwellenwerte für den Untersu-

chungsgegenstand dieser Arbeit abgeleitet. Zur Darstellung und Bewertung der

Homogenität der Farbverteilung wird ein zweidimensionales kartesisches Dia-

gramm empfohlen, das den maximalen Farbabstand in Bezug zur Hauptaus-

strahlrichtung in Abhängigkeit des sphärischen Abstands abbildet und somit

eine Zuordnung des maximalen Farbabstands im Raum ermöglicht. Eine Er-

gänzung technischer Datenblätter von LED-Leuchten um dieses Diagramm

wäre denkbar.

Abstract

Since LEDs (Light Emitting Diode) become more and more important in gen-

eral lighting, there is a growing demand for a thorough characterization of mod-

ern lamps and luminaires. Therefore, new measurement and presentation meth-

ods as well as technical key figures need to be developed. This thesis deals with

the gonio-spectroradiometric measurement of the angular dependent spectral

power distribution of phosphor-converted white LED luminaires. These lumi-

naires show significant angular dependent colour shifts. The chosen measuring

distance between the device under test and the spectroradiometer allows the

display of the spectral behavior of the luminaires in far-field. Colour shifts on

illuminated surfaces in real-life applications can be understood.

For the evaluation of angular dependent colour shifts, threshold and tolerance

values of previous research have been summarized and compared to the thresh-

old values of current standardization for LED luminaires. Hence, application-

specific threshold values for the object of study were derived. In order to pre-

sent and evaluate the homogeneity of the spatial colour distribution, a two-di-

mensional Cartesian diagram is recommended which shows the maximal colour

distance relating to the main beam direction depending on the spherical dis-

tance further allowing a spatial comprehension of the maximal colour distance.

This diagram should be part of the technical datasheets of LED luminaires.

I

Inhaltsverzeichnis

Inhaltsverzeichnis ......................................................................................I

1 Einleitung ............................................................................................1

1.1 Motivation und Problemstellung .......................................................... 1

1.2 Aufbau der Arbeit ................................................................................... 2

2 Theoretische Grundlagen ................................................................... 4

2.1 Grundlegende Eigenschaften von LEDs ............................................ 4

2.1.1 Prinzip der Weißlichterzeugung .............................................. 4

2.1.2 Bauformen und Beschichtungsverfahren ............................... 5

2.1.3 Optische Komponenten und Lichtlenkung ........................... 7

2.2 Gonioradiometrie ................................................................................... 9

2.2.1 Lichtstärkeverteilungen ............................................................. 9

2.2.2 Goniophotometer und Goniospektralradiometer ............... 12

2.2.3 Integrale und spektrale Empfänger ....................................... 14

2.3 Farbmetrik ............................................................................................. 21

2.3.1 Farbabstand .............................................................................. 22

2.3.2 Ähnlichste Farbtemperatur und Zuordnungsabstand ........ 25

2.3.3 Binning ...................................................................................... 26

2.3.4 Räumliche Farbeinheitlichkeit ............................................... 29

3 Stand der Forschung und bisherige Erkenntnisse .......................... 32

3.1 Bisherige Forschungsarbeiten zur Wahrnehmung von

Farbunterschieden ................................................................................ 32

3.1.1 Gegenüberstellung von Schwellen- und Toleranzwerten ... 40

Inhaltsverzeichnis

II

3.1.2 Vergleich von MACADAM-Ellipsen, ANSI-Binning und

Radien flächengleicher Kreise ............................................... 42

3.1.3 Einfluss von Leuchtdichte und chromatischer Adaptation 47

3.2 Bisherige Forschungsarbeiten zur Messung und Darstellung

winkelabhängiger Farbunterschiede ................................................... 49

3.2.1 Kritik an bisheriger Darstellung von Farbunterschieden

und Ableitung eigener Modelle ............................................. 57

4 Untersuchungen zur winkelabhängigen Spektralverteilung ............ 62

4.1 Untersuchungsgegenstand ................................................................... 62

4.2 Forschungsfragen und Hypothesen ................................................... 63

4.3 Messaufbau ............................................................................................ 64

4.3.1 Kalibrierung ............................................................................. 66

4.3.2 Voruntersuchungen ................................................................. 68

4.3.3 Verfahren .................................................................................. 70

4.4 Untersuchungsergebnisse .................................................................... 70

4.4.1 LED Retrofits .......................................................................... 71

4.4.2 LED Innenraumleuchten ....................................................... 79

4.5 Diskussion ............................................................................................. 84

5 Zusammenfassung und Ausblick ...................................................... 87

5.1 Zusammenfassung und Ausblick ........................................................ 87

5.2 Offene Fragen ....................................................................................... 88

Anhang ..................................................................................................... 90

A. Vergleich der Berechnungsverfahren zur räumlichen

Farbeinheitlichkeit (Angular Colour Uniformity) ............................. 90

B. LVK und Spektralverteilung von LED Retrofits in

Abhängigkeit des Elevationswinkels .................................................. 92

Inhaltsverzeichnis

III

C. Winkelabhängiger Farbabstand sämtlicher Retrofit LED-

Leuchten ................................................................................................ 95

D. Winkelabhängiger Farbabstand sämtlicher LED

Innenraumleuchten............................................................................... 97

Abbildungsverzeichnis ........................................................................... 99

Tabellenverzeichnis ............................................................................... 104

Abkürzungen und Symbole ................................................................... 106

Literatur ................................................................................................. 110

1

1 Einleitung

1.1 Motivation und Problemstellung

Der Nobelpreis für Physik des Jahres 2014 wurde an drei Forscher aus Japan

verliehen [SPIE14]. Sie entwickelten Leuchtdioden, die blaues Licht emittieren

und legten damit den Grundstein für effiziente weiße LEDs (engl. Light Emit-

ting Diode). Durch das EU-weite Glühlampen-Verbot wächst der Bedarf an

Retrofit- bzw. Ersatzlampen. Alternativen stellen neben Leuchtstofflampen

z. B. LEDs dar, die sich u. a. durch eine sehr lange Lebensdauer, hohe Licht-

ausbeute sowie flexible Einsatz- und Gestaltungmöglichkeiten auszeichnen.

Prognosen schätzen das globale Marktvolumen der Allgemeinbeleuchtung auf

83 Mrd. Euro in 2020, wovon LEDs mit 57 Mrd. Euro fast 70 % ausmachen

werden [MCKI12]. Neben einer Reduktion der Kosten basiert der Markterfolg

der LED unter anderem auf einer erhöhten Nutzerakzeptanz, die durch Pro-

duktqualität und Zuverlässigkeit erreicht wird, sowie einer einheitlichen Nor-

mung und Standardisierung, die eine Vergleichbarkeit der angebotenen Pro-

dukte ermöglicht. Zur Erreichung dieser Ziele initiierten die vier universitären

Fachgebiete für Lichttechnik in Deutschland ein vom Bundesministerium für

Bildung und Forschung gefördertes Verbundprojekt zur Erfassung und Besei-

tigung von Innovationshemmnissen beim Solid State Lighting (UNILED). Die

vorliegende Arbeit ist im Rahmen dieses Projektes entstanden und befasst sich

mit Teilaspekten zur Messung und Charakterisierung von LED-Leuchten.

Messtechnische Normen für konventionelle Leuchten wurden vor dem Einzug

der LED in die Allgemeinbeleuchtung entwickelt und basieren auf Leuchtmit-

teln wie Glühlampen, Leuchtstofflampen oder Hochdruckentladungslampen.

Da sich z. B. das Prinzip der Lichterzeugung, die Bauform, das thermische Ver-

halten, die spektrale Verteilung sowie die Abstrahlcharakteristik bei diesen

Lichtquellen erheblich von LEDs unterscheiden, ist eine Übertragung der bis-

Kapitel 1. Einleitung

2

herigen Standards nicht ohne weiteres möglich. Dennoch besteht die Notwen-

digkeit zur möglichst vollständigen Charakterisierung von LED-Leuchten, was

wiederum die Entwicklung neuer Mess- und Darstellungsmethoden sowie die

Ableitung geeigneter Kennzahlen erforderlich macht.

Neben den für Leuchten relevanten lichttechnischen Größen wie beispielsweise

dem Gesamtlichtstrom, der Lichtstärkeverteilung sowie der Lichtfarbe zeigt

sich bei einigen LED-Leuchten eine starke Winkelabhängigkeit der spektralen

Verteilung (vgl. Abbildung 1.1), die durch eine geeignete Kennzahl erfasst wer-

den sollte [BEVÖ13b]. Durch die bisher übliche Angabe räumlich gemittelter

Farbwerte würde die Ortsinformation verloren gehen.

Abbildung 1.1: Vergleich der winkelabhängigen ähnlichsten Farbtemperatur von Glüh-

lampe und LED Retrofit

Ziel der Arbeit ist daher zum einen, ein Verfahren zur Messung der winkelab-

hängigen spektralen Verteilung von LED-Leuchten mittels marktüblicher

Leuchten zu testen und ein geeignetes Darstellungsmodell sowie beschreibende

Kennzahlen für die Farbunterschiede abzuleiten.

1.2 Aufbau der Arbeit

Nachdem in diesem Kapitel die Motivation sowie die Problemstellung erläutert

und das Ziel der Arbeit kurz umrissen wurden, werden im 2. Kapitel zunächst

die grundlegenden Eigenschaften des Untersuchungsgegenstands aufgezeigt.

Der Fokus liegt hierbei auf weißen leuchtstoffkonvertierten LED-Leuchten,

Kapitel 1.2 Aufbau der Arbeit

3

deren spektrale Eigenschaften von der Art der Lichterzeugung, der Leucht-

stoffbeschichtung sowie primären und sekundären optischen Komponenten

zur Lichtlenkung abhängen. Diese werden im Folgenden näher erläutert. Im

Anschluss werden Verfahren zur Messung der räumlichen Lichtstärkevertei-

lung bzw. spektralen Verteilung vorgestellt. Die zur Ableitung von Kennzahlen

notwendigen farbmetrischen Grundlagen bilden den Abschluss des Kapitels

zum theoretischen Gerüst dieser Arbeit.

Kapitel 3 erläutert den bisherigen Stand der Forschung. Zunächst werden Ar-

beiten zur Wahrnehmung von Farbunterschieden hinsichtlich ermittelter

Schwellen- und Toleranzwerte analysiert. Diese werden anschließend mit den

aus der aktuellen Normung generierten Werten verglichen. Teilziel ist die Ab-

leitung geeigneter Schwellenwerte zur Charakterisierung von Farbunterschie-

den weißer LED-Leuchten. In einem weiteren Unterkapitel werden bisherige

Forschungsarbeiten zur Messung und Darstellung der winkelabhängigen Spek-

tralverteilung vorgestellt und kritisch bewertet. Darauf aufbauend, werden ei-

gene Kennzahlen abgeleitet und ein Modell zur Darstellung der räumlichen

Farbunterschiede vorgestellt.

Den Schwerpunkt der Arbeit bildet Kapitel 4. Aus den gewonnen Erkenntnis-

sen der vorangegangenen Kapitel werden Forschungsfragen sowie Arbeitshy-

pothesen abgeleitet, die anhand der anschließenden Messungen an ausgewähl-

ten LED-Leuchten beantwortet bzw. überprüft werden.

Kapitel 5 fasst die gewonnenen Erkenntnisse zusammen und gibt einen Aus-

blick bezüglich zukünftiger Forschungsfragen.

4

2 Theoretische Grundlagen

2.1 Grundlegende Eigenschaften von LEDs

LEDs unterscheiden sich im Vergleich zu konventionellen Lichtquellen vor al-

lem hinsichtlich des Prinzips der Lichterzeugung. Während Glühlampen auf

dem Prinzip der Temperaturstrahlung und Leuchtstofflampen auf dem Prinzip

der Gasentladung beruhen, wird bei LEDs das Prinzip der Elektrolumineszenz

ausgenutzt.

Zur Lichterzeugung werden Halbleiter mit direktem pn-Übergang verwendet,

meist dotierte III-V-Verbindungshalbleiter. Die Energie bzw. Wellenlänge der

emittierten Strahlung ist abhängig von der Größe der Bandlücke des Halblei-

ters. Grundsätzlich wird jedoch nur sehr schmalbandige Strahlung emittiert.

Heutzutage lassen sich durch verschiedenste III-V-Heterostrukturen Emissi-

onswellenlängen vom nahen UV (auf Basis von Nitriden) über Blau bis Grün

(auf Basis von AlInGaN) und Gelb bis Rot (auf Basis von AlInGaP) bis hin

zum nahen Infrarot (auf Basis von Arseniden und Antimoniden) realisieren

[HEIN04].

2.1.1 Prinzip der Weißlichterzeugung

Zur Erzeugung weißen Lichts mit LEDs werden zwei Prinzipien unterschieden:

1. die additive Mischung mehrerer farbiger LEDs

2. die Kombination einer blauen oder UV-LED mit einem Lumineszenz-

farbstoff1

Das Prinzip der Lichtmischung verschiedener farbiger LEDs findet beispiels-

weise bei sog. RGB-LEDs Anwendung, die das Licht einer roten, grünen und

1Hinweis zur Begrifflichkeit: Der für die Konversion verwendete Leuchtstoff (engl. Phosphor) ist nicht mit dem chemischen Element Phosphor zu verwechseln

Kapitel 2.1 Grundlegende Eigenschaften von LEDs

5

blauen LED miteinander kombinieren und durch eine diffuse Optik zu weißem

Licht vermischen. Durch die gezielte Ansteuerung der einzelnen LEDs kann

die Lichtfarbe dynamisch variiert werden.

Abbildung 2.1: Typische Spektren weißer Konversions-LEDs

Konversions-LEDs basieren in der Regel auf blauen LEDs (z. B. InGaN,

GaN), die mit einem gelben Farbstoff (z. B. Cerium-dotiertes Yttrium-Alumi-

nium-Granat) beschichtet werden. Die Abwärtskonversion des blauen Peaks

führt zu einem weiteren breitbandigen Gelbpeak (vgl. Abbildung 2.1). Insge-

samt ergibt sich daraus ein neutral- bis kaltweißes Spektrum. Bei warmweißen

Farbtemperaturen werden z. B. zusätzlich rotemittierende Farbstoffe beige-

mischt.

2.1.2 Bauformen und Beschichtungsverfahren

Um hohe Leistungsdichten und Lichtströme auf kleinem Raum realisieren zu

können, wurde die klassische bedrahtete LED weiterentwickelt. Bei LEDs für

die Allgemeinbeleuchtung sind heutzutage zwei verschiedene Bauformen üb-

lich:

a) SMD (engl. Surface Mounted Device) und

b) COB (engl. Chip on Board).

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1

380 430 480 530 580 630 680 730 780

s(λ)

rel

λ / nm

kaltweiße LED

warmweiße LED

Kapitel 2. Theoretische Grundlagen

6

Bei der SMD-Bauweise wird die LED direkt auf die Leiterplatte gelötet. Im

Vergleich zur bedrahteten LED ergeben sich eine bessere thermische Anbin-

dung sowie ein geringerer Platzbedarf.

Bei der COB-Bauweise wird der LED-Chip ohne Gehäuse direkt auf dem Sub-

strat aufgebracht. Handelt es sich beim Trägermaterial um ein thermisch gut

leitendes Material wie z. B. Keramik, ist der thermische Widerstand gering,

wodurch der Chip sehr gut gekühlt wird. Durch die COB-Bauweise lassen sich

sehr hohe Packungsdichten realisieren.

Je nachdem, ob sich die Leuchtstoffschicht nahe am Chip oder räumlich ge-

trennt von diesem befindet, wird beim sog. Phosphor-Coating zwischen fol-

genden Beschichtungsmethoden unterschieden:

c) ungleichmäßige chipnahe Beschichtung,

d) gleichmäßige chipnahe Beschichtung,

e) Remote Phosphor Beschichtung.

Die Art der Beschichtung beeinflusst die winkelabhängige spektrale Verteilung.

Eine ungleichmäßige Beschichtung führt zu stärkeren Inhomogenitäten als eine

gleichmäßige Beschichtung, da die Leuchtstoffkonversion abhängig vom Weg

des Lichts durch die Leuchtstoffschicht ist.

Der Abstand zwischen Chip und Leuchtstoff hat ebenso Einfluss auf die resul-

tierende spektrale Verteilung, da bei der chipnahen Beschichtung die Konver-

sion stattfindet, bevor das weiße Licht durch den Reflektor und die Linse ge-

streut wird. Bei der Remote Phosphor Beschichtung wird das blaue Licht zu-

nächst innerhalb des Reflektors homogenisiert und trifft erst danach auf die

Leuchtstoffschicht. Durch den Abstand zwischen Chip und Leuchtstoff wird

die Erwärmung des Leuchtstoffs durch die LED reduziert. Dies führt zu einer

geringeren Degradation der Leuchtstoffschicht und einer längeren spektralen

Stabilität [KWKW13].

Kapitel 2.1 Grundlegende Eigenschaften von LEDs

7

Abbildung 2.2: Bauformen von LEDs und Methoden der Leuchtstoffbeschichtung,

a) SMD-Bauweise mit chipnahem Coating, b) COB-Bauweise mit Remote Phosphor, c) un-

gleichmäßige chipnahe Beschichtung, d) gleichmäßige chipnahe Beschichtung, e) Remote

Phosphor Beschichtung, Abb. c) bis e) angelehnt an [KWKW13]

2.1.3 Optische Komponenten und Lichtlenkung

Zur Lichtlenkung gibt es grundsätzlich folgende physikalische Prinzipien:

- Spiegelnde Reflexion

- Refraktion (Brechung) in optisch klaren Medien

- Diffraktion (Beugung) an kleinen Strukturen

In der Allgemeinbeleuchtung spielt die Diffraktion aufgrund der hohen tech-

nischen Anforderungen sowie der hohen Kosten kaum eine Rolle [BODE12].

Daher basieren die für Leuchten relevanten Optiksysteme meist auf Reflek-

toren (Reflexion), Linsensystemen (Refraktion) oder Hybridsystemen (Kombi-

nation aus Reflexion und Refraktion).

Für spiegelnde Reflektoren wird vor allem Aluminium genutzt. Silber hat zwar

einen noch höheren Reflexionsgrad, wird jedoch aufgrund der hohen Material-

c)

d)

e)

a)

b)

LED-Chip

Leuchtstoffschicht

Silber-beschichteter Reflektor


8

kosten seltener eingesetzt. Für LED-Leuchten werden häufig Freiformreflek-

toren verwendet, welche z. B. aus aluminiumbeschichteten Kunststoffen gefer-

tigt werden. Es werden aber auch Reflektoren mit diffus reflektierenden Mate-

rialien eingesetzt. Durch die Mehrfachreflexionen wird das Licht stärker ge-

streut.

Linsensysteme bestehen aus Glas oder Kunststoffen (z. B. PMMA – Polyme-

thylmethacrylat oder PC – Polycarbonat). Die Kunststoffe bieten den Vorteil,

dass sie im Spritzgussverfahren zu komplexen Freiform-Linsenoptiken geformt

werden können und nur ein geringes Materialgewicht aufweisen. Bei LED-

Leuchten kann die Freiform-Linsenoptik gleichzeitig als Abdeckung der

Leuchte verwendet werden, eine weitere Abschlussscheibe ist dann nicht nötig.

Das Licht kann durch Brechung an den Grenzflächen in die gewünschte Rich-

tung gelenkt werden. Allerdings ist die Brechzahl der Kunststoffe von der Wel-

lenlänge abhängig, so dass bei der Brechung weißen Lichts Farbränder entste-

hen können. Dieser Abbildungsfehler optischer Linsen wird als chromatische

Abberation bezeichnet.

Bei Hybridsystemen wird die gewünschte Lichtstärkeverteilung durch eine

Kombination aus Reflexion und Brechung erzeugt. Bei einer flächigen Beleuch-

tung wie beispielsweise Lichtdecken werden diffuse Reflektoren mit einer dif-

fusen Abdeckung aus z. B. Opal- oder Acrylglas kombiniert [BBC+06]. Das

Licht wird durch die starke Streuung weitestgehend homogenisiert.

Bei einigen Leuchten werden auch Schatter (Raster oder Lamellen) eingesetzt.

Diese dienen vor allem der Blendungsbegrenzung. Bei der Verwendung spie-

gelnder Materialien ist eine zusätzliche Lichtlenkung möglich. Der optische

Wirkungsgrad berücksichtigt die Verluste des jeweiligen optischen Systems und

liegt für spiegelnde Reflektoren bei ca. 60–75 %, der Wirkungsgrad von Hyb-

ridsystemen liegt bei ca. 75–80 % und für Linsensysteme aus klaren Materialien

liegt er bei > 85 %. Inwiefern optische Komponenten zur Lichtlenkung Ein-

fluss auf die winkelabhängige Spektralverteilung von LED-Leuchten nehmen,

wird in Kapitel 4 näher untersucht.

Kapitel 2.2 Gonioradiometrie

9

2.2 Gonioradiometrie

In den folgenden Unterkapiteln werden Begriffe der Gonioradiometrie in der

Lichttechnik erläutert. Hierzu zählen vor allem Systeme, Methoden und Dia-

gramme zur Erfassung und Darstellung der Abstrahlcharakteristik von Leuch-

ten.

2.2.1 Lichtstärkeverteilungen

Die lichttechnische Abstrahlcharakteristik von Leuchten wird durch die Licht-

stärkeverteilung beschrieben. Dabei stellen die Lichtstärkeverteilungskurve

(LVK) ein zweidimensionales Abbild in der Ebene und der Lichtstärkevertei-

lungskörper ein dreidimensionales Abbild im Raum dar [DIN99].

Im Kugelkoordinatensystem (r, φ, ϑ) wird ein Punkt im Raum eindeutig durch

den Radius r vom Ursprung, den horizontalen Azimut- bzw. Rotationswinkel φ

sowie den vertikalen Elevations- bzw. Höhenwinkel ϑ beschrieben.

Abbildung 2.3: links: Kugelkoordinatensystem für Lichtstärkeverteilungen, rechts: Licht-

stärkeverteilungskörper einer rotationssymmetrischen LED Lichtquelle

ϑ

φ

r

P(r, φ, ϑ)

z

y

x

0


10

Bei einer Lichtstärkeverteilung befindet sich die Lichtquelle im Ursprung des

Koordinatensystems und der Azimutwinkel beschreibt die Rotation des Mess-

objektes um eine vertikale Achse, während der Elevationswinkel die Rotation

um eine horizontale Achse anzeigt.

Betrachtet man eine beliebige Ebene bei fest stehendem Azimutwinkel, so lässt

sich die Änderung der Lichtstärke mit dem Höhenwinkel durch ein ebenes Po-

larkoordinatensystem (Polardiagramm) beschreiben.

Die LVK von Leuchten wird im Allgemeinen relativ dargestellt, das heißt alle

gemessenen Lichtstärken werden auf einen theoretischen Lampenlichtstrom

von 1.000 lm bezogen [DIN04].

Die Gesamtheit der Ebenen, die den Lichtstärkeverteilungskörper vollständig

beschreiben, wird als Ebenensystem bezeichnet. Die drei bedeutendsten Ebe-

nensysteme in der Lichttechnik sind das A-, B- und C-Ebenensystem [CIE96].

Die DIN 13032-1 [DIN04] empfiehlt das C-Ebenensytem als Standardsystem,

weshalb nur dieses System im Weiteren betrachtet wird.

Abbildung 2.4: Polardiagramm

180°

120°

90°

60°

30°

30°

60°

90°

120°0°

30°

60°

120°

90°

30°

60°

90°

120°

150°150°

cd/1000 lmC0-C180

C90-C270


11

Abbildung 2.5: C-Ebenensystem nach DIN EN 13032-1[DIN04]

Beim C-Ebenensystem verläuft die Drehachse vertikal durch den Lichtschwer-

punkt der Leuchte. Der Wertebereich der C-Ebenen beträgt 0° bis 360° und

entspricht dem Azimutwinkel φ im Kugelkoordinatensystem. Je nach Art und

Ausdehnung der Lampe bzw. Leuchte wird die C0-Ebene (φ = 0°) definiert. Bei

rotationssymmetrischen Leuchten reicht prinzipiell die Angabe einer Ebene

aus. Für gewöhnlich werden im Polardiagramm die vier Hauptebenen C0/C180

und C90/C270 dargestellt. Bei stark asymmetrischen Leuchten ist ggf. die Dar-

stellung weiterer Ebenen erforderlich oder es empfiehlt sich eine dreidimensi-

onale Darstellung. Innerhalb einer C-Ebene wird die Höhe durch den Winkel γ

(analog zum Elevationswinkel ϑ) beschrieben. Dabei zeigt γ = 180° in Richtung

des Zenith und γ = 0° in Richtung des Nadir. Die C-Ebenen sind raumfest, das

heißt sie sind unabhängig von der Neigung (Anstellwinkel) der Leuchte.


12

2.2.2 Goniophotometer und Goniospektralradiometer

Lichtstärkeverteilungen von Leuchten werden in der Regel goniophotometrisch

gemessen. Zum einen kann außerhalb der photometrischen Grenzentfernung

die Beleuchtungsstärke ermittelt werden, da diese bei einer sogenannten Fern-

feldmessung, das heißt unter Annahme einer punktförmigen Lichtquelle, pro-

portional zur Lichtstärke ist. Es gilt das photometrische Entfernungsgesetz

[GALL04]:

022

1 cos)(

r

IE (2.1)

Mit:

E Beleuchtungsstärke

I(γ1) Lichtstärke der Lichtquelle

γ2 Einfallswinkel

r Abstand zwischen Lichtquelle und Empfängerfläche

Ω0 Einheitsraumwinkel

Zum anderen kann die Lichtstärke durch eine Nahfeldmessung der örtlichen

Leuchtdichteverteilung der leuchtenden Fläche einer Leuchte innerhalb der

photometrischen Grenzentfernung bestimmt werden [SCHW10; DIN04;

SCHW10; RSP93].

Bei der Fernfeld-Messtechnik wird ein Sensor in einem definierten Abstand zur

Lichtquelle bzw. Leuchte positioniert. Das Messobjekt wird vom Sensor auf

einer virtuellen Kugeloberfläche Schritt für Schritt abgerastert. Die Winkel-

schrittweite hängt von der Abstrahlcharakteristik des Messobjektes ab. Gonio-

radiometer, bei denen als Sensor ein Photometer verwendet wird, werden als

Goniophotometer bezeichnet. Sie werden zur Messung der Lichtstärkevertei-


13

lung verwendet. Alternativ können auch andere Sensoren, wie z. B. Dreibe-

reichs-Farbmessgeräte zur Messung von Farbwerten oder Spektrometer zur

Messung der spektralen Verteilung, sog. Goniospektralradiometer (vgl. Kapitel

4.3) eingesetzt werden.

Grundsätzlich werden vier verschiedene Typen von Gonioradiometern unter-

schieden [DIN04]. Die Kategorisierung erfolgt anhand der Anordnung der

Drehachsen sowie der Drehung des Testobjekts im Raum. Alle Typen haben

mindestens zwei rotatorische Achsen (ϑ, φ) zur Winkelpositionierung sowie drei

translatorische Achsen (x, y, z) zur Ausrichtung des Prüflings.

Tabelle 2.1: Gonioradiometertypen und Beispiele

Typ 1 Typ 2 Typ 3 Typ 4

Prüfob-jekt

Rotation um vertikale und horizontale Achse

Rotation um vertikale Achse

Rotation um vertikale Achse

steht fest

Detek-tor

steht fest wird bewegt steht fest wird auf virtuel-ler Kugelfläche um das Prüfob-jekt geführt

Spiegel – – Rotation um horizontale Achse

–

Beispiel Leuchtenwender Spiralphotome-ter, Kompakt-goniophotome-ter (Lichtstro-mintegrator)

Drehspiegel Kardan-Spiralp-hotometer, Ro-botergoniopho-tometer, Nah-feldgoniopho-tometer

Zu den Fernfeld-Messsystemen zählen u. a. Leuchtenwender, zentrische und

exzentrische Drehspiegel, Lichtstromintegrator, Kardan- und Robotergonio-

photometer. Im Rahmen dieser Arbeit wird mit einem zentrischen Drehspiegel

gearbeitet. Aufbau und Funktionsweise des Systems werden in Kapitel 4.3 de-

tailliert erläutert.


14

Bei der Nahfeld-Goniophotometrie wird eine Leuchtdichtekamera meist inner-

halb der photometrischen Grenzentfernung um das Messobjekt gefahren. Es

werden Leuchtdichtebilder an verschiedenen Punkten auf einer virtuellen Ku-

gel erfasst. Die Lichtstärke einer bestimmten Richtung (ϑ, φ) wird durch die

Integration aller Leuchtdichten in diese Richtung ermittelt.

2.2.3 Integrale und spektrale Empfänger

Als Sensoren in der Lichtmesstechnik kommen sowohl integrale als auch spekt-

rale Empfänger in Frage. Zu den integralen Empfängern zählen durch Absorp-

tions- oder Interferenzfilter an die Hellempfindlichkeit des menschlichen Au-

ges (V(λ)-Kurve) oder die Normspektralwertkurven (x̅(λ), y̅(λ), z̅(λ), vgl. Kapitel

2.3) angepasste Radiometer oder CCD-/CMOS-Sensoren. Je nach Anpassung,

kann photometrisch oder farbmetrisch gemessen werden.

Ein an die V(λ)-Funktion angepasster integraler Einzelempfänger wird als Pho-

tometer bezeichnet, eine mit einem Vollfilter angepasste Kamera als Leucht-

dichtemesskamera. Wird ein Einzelempfänger an die Normspektralwertfunkti-

onen angepasst, spricht man von einem Tristimulus-Colorimeter, wird eine Ka-

mera mit Farbfilter bestückt, handelt es sich um eine Farbmesskamera.

Für Photometer werden aufgrund ihrer guten zeitlichen Konstanz meist Silizi-

umphotoelemente verwendet, die mittels Voll- oder Partialfilter spektral an die

Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges V(λ) angepasst werden. Je nach

Anpassungsgüte der relativen spektralen Empfindlichkeit srel(λ) des Empfän-

gers entstehen dabei mehr oder weniger große Fehlbewertungen. Die Messun-

sicherheit ist besonders groß, wenn die relative spektrale Verteilung der Licht-

quelle Peaks in Bereichen aufweist, in denen der Empfänger schlecht an die

V(λ)-Kurve angepasst ist. Dies sind besonders die Bereiche unterhalb von

450 nm und oberhalb von 700 nm [SNS+10].


15

Abbildung 2.6: normierte V(λ)-Kurve und real angepasste srel(λ) -Kurve eines Photometers

mit Partialfilter; links: linear skaliert, rechts: logarithmisch skaliert

Bei weißen Konversions-LEDs wird besonders der Blaupeak als kritisch erach-

tet. Eine Untersuchung der METAS [BLAT12] hat jedoch gezeigt, dass die

Messunsicherheit für Konversions-LEDs im Bereich der Messunsicherheit für

konventionelle Lichtquellen liegen, sofern die Messungen mit gut angepassten

Photometern durchgeführt werden.

Die Güte der Anpassung wird durch den f1‘-Kennwert beschrieben.

0

01

)(

)()(

'

dV

dVs

f

rel

(2.2)

0

0

)()(

)()(

)()(

dsS

dVS

ss

relA

A

relrel (2.3)


16

Mit:

srel*(λ) normierte relative spektrale Empfindlichkeit

SA(λ) spektrale Verteilung der Kalibrierlichtart (Normlichtart A)

srel(λ) relative spektrale Empfindlichkeit

V(λ) spektraler Hellempfindlichkeitsgrad des menschlichen Auges

für Tagessehen

Für Photometer, die in der Goniophotometrie verwendet werden, empfiehlt die

CIE 121 [CIE96] einen f1‘ ≤ 2 %, die DIN EN13032-1 [DIN04] einen f1‘ ≤

1,5 %.

Der Messfehler, der sich ergibt, sobald die zu untersuchende Lichtart von der

Kalibrierlichtart abweicht, wird durch die sog. Aktinität a(Z) erfasst. „Die Ak-

tinität einer Strahlung Z für einen bestimmten lichtempfindlichen Empfänger

ist das Verhältnis der Empfindlichkeit sZ bei Beleuchtung mit dieser Lichtart Z

zur Empfindlichkeit sN bei Beleuchtung mit der Bezugslichtart N“ [KROC81].

0

0

0

0

)(

)(

)(

)(

)(

dVS

dsS

dsS

dVS

Za

Z

relZ

relN

N

(2.4)

Mit:

SλN Strahlungsfunktion (relativ) der Bezugslichtart N

SλZ Strahlungsfunktion (relativ) der betrachteten Lichtart Z

srel(λ) relative spektrale Empfindlichkeit des Empfängers

V(λ) spektraler Hellempfindlichkeitsgrad des menschlichen Auges

für Tagessehen


17

Der korrigierte Wert Y(Z) ergibt sich aus der Aktinität sowie dem Messwert Ymess

wie folgt:

messYZa

ZY)(

1)( (2.5)

Der reziproke Wert der Aktinität a(Z) wird spectral mismatch correction factor

SMCF (auch F(Z)) genannt [CIE12].

)(

1)(

ZaZFSMCF (2.6)

Bei Verwendung eines Photometers mit einem f1‘ ≤ 1,5 % ergibt sich nach

[BLAT12] für weiße Konversions-LEDs ein SMCF < 1 %, welcher im Bereich

klassischer Lichtquellen liegt. Der Norm-Entwurf EN13032-4 empfiehlt für

diesen LED-Typ und einen SMCF < 1 % die Verwendung eines Photometers

mit f1‘ ≤ 1,6 % [DIN13], die CIE 127 empfiehlt einen f1‘ ≤ 1,5 % [CIE97].

Sofern der f1‘-Kennwert des Photometers und ggf. des Spiegels < 3 % beträgt,

wird laut Normung bei der Messung weißer Konversions-LEDs keine spektrale

Fehlanpassungskorrektur gefordert.

Entspricht die zu messende Lichtart der Kalibrierlichtart, hat die relative spekt-

rale Empfindlichkeit des Empfängers keinen Einfluss auf das Messergebnis.

Daher wäre eine Alternative zur Minimierung des SMCF die Verwendung eines

LED-Kalibriernormals. Aus diesem Grund entwickelt die Physikalisch-Techni-

sche Bundesanstalt PTB derzeit ein Höchstleistungs-LED-Transfernormal

[PHYS14].

Durch das Problem der Fehlanpassung integraler Empfänger wird bei der Pho-

tometrie von LED-Lichtquellen vermehrt der Einsatz spektraler Messtechnik

zur Erfassung lichttechnischer Kennzahlen diskutiert.


18

Spektralradiometer

Mit spektraler Messtechnik kann die spektrale Strahlungsverteilung einer Licht-

quelle erfasst werden. Die spektrale Aufspaltung erfolgt dabei meist anhand von

Beugung an optischen Gittern oder dispergierenden Prismen. Neben den licht-

technischen Größen können so z. B. auch die Farbwerte, Peakwellenlängen und

Halbwertsbreiten von LED-Lichtquellen bestimmt werden. In der Lichtmess-

technik finden vor allem Array-Detektorsysteme sowie scannende Systeme Ver-

wendung.

Array-Systeme sind Einfachmonochromatoren mit feststehendem Gitter und

einem aus vielen Einzelsensoren bestehenden Detektor (z. B. Dioden- oder

CCD-Array). Dieser Aufbau ermöglicht die simultane Messung des gesamten

Spektralbereichs (z. B. 360–830 nm). Der vergleichsweise schnelle Messvorgang

im Millisekunden- bis Sekundenbereich geht mit einer eingeschränkten Dyna-

mik aufgrund höheren Streulichts (ca. 5 · 10-4) einher. Größere Integrationszei-

ten bis ca. einer Minute ermöglichen eine höhere Empfindlichkeit.

Abbildung 2.7: Prinzipskizze eines Array-Spektrometers


19

Scannende Systeme arbeiten mit Einzel- oder Doppelmonochromatoren. Da-

bei wird ein einzelner feststehender Detektor mit einem sich drehenden Gitter

kombiniert und das Spektrum schrittweise abgetastet. Durch einen weiteren

Spalt mit Blenden ist die Streulichtunterdrückung im Vergleich zu einem Array-

System um ca. eine Größenordnung besser. Mit scannenden Spektralradiome-

tern wird eine hohe spektrale Auflösung und Wellenlängengenauigkeit

(<< 1 nm) erreicht. Zudem ist eine hohe Dynamik im Spektrum messbar, d. h.

es können sehr hohe aber auch sehr niedrige Bestrahlungsstärken gemessen

werden. Die schrittweise Abtastung des gesamten Wellenlängenbereichs erfor-

dert jedoch vergleichsweise lange Messzeiten (bis 0,5 s/nm) sowie zeitlich kon-

stante Eigenschaften des Prüfobjekts.

Mögliche Beiträge zur Messunsicherheit bei Spektralradiometern ergeben sich

aufgrund von Streulicht, Wellenlängenabweichungen, Nichtlinearitäten, Dun-

kelströmen und Temperaturabhängigkeiten. Die minimal mögliche erweiterte

Messunsicherheit des in dieser Arbeit verwendeten Spektralradiometers liegt bei

3,5 % (vgl. Kapitel 4.3.1). Da das vom Detektor ermittelte Signal aufgrund der

Einkoppeloptiken (Diffusor, U-Kugel etc.) sowie der spektralen Aufspaltung

sehr gering sein kann, müssen diese Messunsicherheitsbeiträge durch geeignete

Verfahren korrigiert werden.

Das Streulicht des Spektralradiometers ist das im Monochromator gestreute

Licht, das zusätzlich zum eigentlichen Messsignal durch den Empfänger bewer-

tet wird. Hierbei handelt es sich nicht um außerhalb des Systems auftretendes

Streulicht, welches z. B. durch Schwärzung der Umgebung, Blenden und Streu-

lichttuben minimiert werden sollte. Streulicht ist vor allem bei breitbandigen

weißen Lichtquellen mit hoher Dynamik (z. B. weiße Konversions-LED) kri-

tisch. Hier wirkt sich eine fehlerhafte Kalibrierung besonders stark auf das Mes-

sergebnis bzw. die daraus berechneten Kennzahlen aus.

Die spektrale Auflösung beschreibt die messbaren Wellenlängenunterschiede.

Sie hängt von der Spaltbreite und den Eigenschaften des Monochromators ab

und wird durch den Bandpass beschrieben. Die spektrale Auflösung hat Ein-

fluss auf die abgeleiteten Größen wie beispielsweise die Farbwerte. Der Spekt-


20

ralbereich bzw. die spektrale Bandbreite definiert den messbaren Wellenlängen-

bereich. Für die Messung lichttechnischer Größen sollte der gesamte visuelle

Bereich abgedeckt sein, für die Messung farbmetrischer Größen sind teilweise

größere Spektralbereiche erforderlich.

Die Linearität des Detektors gibt an, ob sich Änderungen der eingekoppelten

Lichtleistung proportional auf das Detektorsignal auswirken. Array-Systeme

sollten über die gesamte Integrationszeit linear sein [INST99].

Für ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis weisen Spektralradiometer

zum Teil sehr lange Integrationszeiten auf. Bei hohen Integrationszeiten sollte

die Strahlungsverteilung möglichst stabil sein, bei kurzen Integrationszeiten

muss eine mögliche Modulation der Strahlung berücksichtigt werden. Für einen

stabilen Dunkelstrom und eine Reduktion des thermischen Rauschens können

die Detektoren zusätzlich gekühlt werden.

Zusammenfassung

Bei Verwendung spektraler Messtechnik erfolgt die V(λ)-Anpassung mathema-

tisch, wodurch Anpassungsfehler durch das Filter vermieden werden. Zudem

ist eine Bewertung mit z. B. biologisch wirksamen Funktionen oder der skoto-

pischen Empfindlichkeit möglich. Dennoch ergibt sich aufgrund von z. B.

Streulicht, Wellenlängenabweichungen und Nichtlinearitäten eine Messunsi-

cherheit.

Bei Photometern liefert die Fehlanpassung den größten Beitrag zur Messunsi-

cherheit. Dafür zeichnen sich Photometer durch einen großen Dynamikum-

fang, eine gute Linearität und Kosinusanpassung sowie eine einfache Handha-

bung bei der Rückführung aus.

Für die Messung von LED-Lichtquellen eignen sich sowohl integrale als auch

spektrale Empfänger (vgl. [CIE15]). Die Qualität der Messergebnisse hängt bei

beiden Systemen von der Kenntnis der Messunsicherheitsbeiträge und der An-

wendung geeigneter Korrekturverfahren ab.

Kapitel 2.3 Farbmetrik

21

2.3 Farbmetrik

Farbe ist nach DIN 5033-1 „diejenige Gesichtsempfindung, durch die sich zwei

aneinandergrenzende, strukturlose Teile des Gesichtsfeldes bei einäugiger Be-

obachtung mit unbewegtem Auge allein unterscheiden können“ [DIN79].

Durch Farbmaßzahlen beschreibbare Farbvalenzen werden von dieser subjek-

tiven Farbempfindung unterschieden. Sofern gleiche Bedingungen herrschen,

führen gleiche Farbvalenzen zu gleichen Farbempfindungen.

Im Auge einfallende Strahlung ruft sogenannte Farbreize hervor, die durch die

Farbreizfunktion φλ bzw. bei Selbstleuchtern durch die Strahlungsfunktion Sλ

beschrieben werden. Die einfallende Strahlung wird nach drei voneinander un-

abhängigen spektralen Empfindlichkeitsfunktionen, den Spektralwertfunktio-

nen bewertet. Die CIE hat 1931 die Normspektralwertfunktionen x̅(λ), y̅(λ) und

z̅(λ) für den 2°-Normalbeobachter empfohlen. Für Selbstleuchter berechnen

sich die 2°-Normfarbwerte X, Y, Z wie folgt:

dxSX )( (2.7)

dySY )( (2.8)

dzSZ )( (2.9)

Zur Beschreibung der Farbart werden die Normfarbwertanteile x, y, z aus den

Normfarbwerten berechnet [DIN92].

ZYX

Xx

(2.10)

ZYX

Yy

(2.11)


22

ZYX

Zz

(2.12)

Es gilt:

1 zyx (2.13)

Daher reicht zur Beschreibung eines Farbortes die Angabe von zwei Norm-

farbwertanteilen x und y als Farbkoordinaten aus. Für die Darstellung in der

Ebene wird die Normfarbtafel (vgl. Abbildung 2.8) verwendet.

2.3.1 Farbabstand

Als Farbabstand wird allgemein der empfindungsgemäße Unterschied zwischen

zwei Farben bezeichnet [DIN79]. Grundlegende Untersuchungen zu Farbun-

terschieden wurden 1942 von MACADAM veröffentlicht [MACA42].

MACADAM konnte zeigen, dass gleiche euklidische Farbabstände in der CIE-

Normfarbtafel nicht gleich wahrgenommen werden. Daher werden Bereiche

gleich wahrgenommener Farbabstände um einen Bezugsfarbort nicht durch

Kreise, sondern durch Ellipsen beschrieben. Die Größe und Orientierung der

Ellipsen variiert je nach Lage in der CIE-Normfarbtafel stark. Von besonderem

Interesse für diese Arbeit sind die Ellipsen, die sich nahe dem PLANCKschen

Kurvenzug befinden.

Da der empfindungsgemäße Abstand nicht dem euklidischen Abstand ent-

spricht, wurde das Normvalenz-System weiter entwickelt und u. a. der transfor-

mierte Farbenraum CIE 1976 (L*u*v*), auch CIELUV abgeleitet. Dieser annä-

hernd empfindungsgemäß gleichabständige Farbenraum hat eine u’, v’-Farbta-

fel, die CIE-UCS-Farbtafel (engl. Uniform Chromaticity Scale Diagram, vgl.

Abbildung 2.9) bzw. das CIE 1976 (u’, v’)-Diagramm.


23

Abbildung 2.8: CIE 1931 (x, y)-Diagramm (Normfarbtafel) mit MACADAM-Ellipsen (10-

fach vergrößert) und PLANCKschem Kurvenzug (rot eingezeichnet), Bild aus [CIE14]

Abbildung 2.9: CIE 1976 (u’, v’)-Diagramm (UCS-Farbtafel) mit transformierten Ellipsen

(10-fach vergrößert) und PLANCKschem Kurvenzug, Bild aus [CIE14]


24

Es gilt:

3122

4

315

4'

yx

x

ZYX

Xu

(2.14)

3122

9

315

9'

yx

y

ZYX

Yv

(2.15)

Der Farbabstand ∆u’v’ in der Ebene wird wie folgt berechnet.

22 )'()'('' vuvu (2.16)

Für den Abstand zwischen zwei Farbörtern 0 und 1 gilt:

01 ''' uuu (2.17)

01 ''' vvv (2.18)

Die Angabe eines Farbabstands im Normvalenz-System (x, y-Farbkoordinaten)

wird aufgrund der fehlenden visuellen Gleichabständigkeit nicht empfohlen

[CIE14].

Für den Farbabstand ∆E*uv im CIELUV-Farbenraum gilt nach [CIE04]:

22 )()()( vuLE uv (2.19)


25

Mit:

01 LLL (2.20)

Und:

L* Helligkeit2 (als eines der drei Attribute von Farbe neben

Farbton und Sättigung, genauer spezifiziert in [CIE04])

Zur Bewertung von Farbabständen ∆E bei Körperfarben existieren noch wei-

tere Farbraum-Modelle (z. B. DIN99, CIECAM02) sowie Farbabstandsformeln

(z. B. ∆E94, ∆E99, ∆E00), vgl. z. B. [BOKH12]. Da in dieser Arbeit der Fokus

jedoch nicht auf der Bewertung von Körperfarbenunterschieden sondern von

Lichtfarbenunterschieden bei Selbstleuchtern liegt, wird auf diese Modelle nicht

näher eingegangen.

2.3.2 Ähnlichste Farbtemperatur und Zuordnungsabstand

Zur Beschreibung von weißem Licht wird statt der Farbkoordinaten auch die

ähnlichste Farbtemperatur Tcp (engl. Correlated Colour Temperature CCT) in

Kombination mit dem Zuordnungsabstand Duv verwendet. Dieser Parameter

beschreibt den Abstand vom PLANCKschen Kurvenzug im CIE u’, 2/3 v’-Dia-

gramm. Werte oberhalb des Kurvenzugs sind mit positivem Vorzeichen, Werte

unterhalb des Kurvenzugs mit negativem Vorzeichen gekennzeichnet. Der Zu-

ordnungsabstand Duv ist nicht mit dem Farbabstand ∆u’v’ im CIE u’, v’-Dia-

gramm zu verwechseln.

Die ähnlichste Farbtemperatur ist für einen maximalen Zuordnungsabstand Duv

bzw. ∆C

05,0)''(9

4)''( 22 ptpt vvuuC (2.21)

2 Bei Selbstleuchtern dient als Helligkeitsmaß die Leuchtdichte L, bei Körperfarben dient der Hellbezugswert [DIN79].


26

vom PLANCKschen Kurvenzug definiert [CIE04].

Es gibt verschiedene Berechnungsverfahren zur ähnlichsten Farbtemperatur,

beispielhaft sei auf [ROBE68; HLR99; MCCA92] verwiesen.

2.3.3 Binning

Je nach relevantem Parameter (Lichtstrom, Lichtausbeute, Farbwerte etc.) wer-

den LEDs in verschiedene Klassen (Bins) selektiert. Eine Klassifizierung von

LEDs für die Allgemeinbeleuchtung nach den Farbkoordinaten bzw. der ähn-

lichsten Farbtemperatur wird in der amerikanischen Norm C78.377-2011 be-

schrieben [ANSI11]. Nominalwerte und Toleranzen für Farbtemperaturen und

Zuordnungsabstände für warmweiße, neutralweiße, kaltweiße und tageslicht-

weiße LEDs sind tabellarisch aufgeführt. Toleranzgrenzen für Farbunter-

schiede werden in Form von Vierecken angegeben, die weitestgehend 7-stufi-

gen MACADAM-Ellipsen entsprechen (vgl. Abbildung 2.10).

Abbildung 2.10: ANSI-Binning für SSL-Produkte, Bild aus [ANSI11]


27

Eine MACADAM-Stufe ist als einfache Standardabweichung vom nominalen

Farbort (engl. Standard Deviation of Color Matching SDCM) definiert und ent-

spricht somit der Originalgröße der jeweiligen MACADAM-Ellipse. Eine n-fache

Standardabweichung wird als n SDCM bzw. n-stufige MACADAM-Ellipse be-

zeichnet. Je nach Anwendung kann die Einteilung nach ANSI mit einer Tole-

ranz von 7 SDCM zu grob für die Klassifizierung sein. Daher werden die vor-

gegebenen Bins noch feiner in sog. Sub-Bins unterteilt.

Laut europäischer Öko-Designrichtlinie [EU12] ist für LED-Lampen eine ma-

ximale Abweichung der Farbwertanteile von 6 SDCM zulässig. Der Hersteller

PHILIPS verwendet beim sog. Optibin 4-stufige MacAdam-Ellipsen möglichst

nah am PLANCKschen Kurvenzug. Versuche von PHILIPS zeigten, dass Far-

bunterschiede innerhalb 1 SDCM nicht sichtbar sind, von 2 bis 4 SDCM gerade

erkannt werden und von mehr als 5 SDCM deutlich sichtbar sind [PHIL10].

Nach NARENDRAN et al. werden 2-stufige MACADAM-Ellipsen empfohlen,

wenn weiße LED sichtbar nebeneinander angeordnet werden oder zur Be-

leuchtung achromatischer weißer Szenen dienen [BIHO14]. Der Hersteller OS-

RAM selektiert beim sog. Fine White Binning innerhalb 3 SDCM und orientiert

sich damit am Schwellenwert für wahrnehmbare Unterschiede (engl. Just No-

ticeable Difference JND), der jedoch nicht eindeutig definiert ist. Laut

MACADAM entspricht die JND etwa 3 SDCM. Unter der Annahme normalver-

teilter Daten und einer Detektionswahrscheinlichkeit für Farbunterschiede von

50 % ergibt sich für die JND jedoch ein Faktor von 1,18 SDCM.3 Für wahr-

nehmbare aber gerade noch tolerierbare Farbunterschiede wird der Begriff der

Just Tolerable Difference JTD verwendet. Da die MACADAM-Ellipsen in Größe

und Orientierung variieren, gilt dies entsprechend auch für die SDCM. In der

Technischen Anmerkung 001:2014 der CIE [CIE14] wird daher ein alternatives

Verfahren zur Klassifizierung beschrieben. Basierend auf dem annähernd

gleichabständigen CIE 1976 (u’, v’)-Diagramm werden die MACADAM-Ellipsen

nahe des PLANCKschen Kurvenzugs durch sog. n-stufige u’v’-Kreise ersetzt.

Gilt für den Radius r um einen Mittel- bzw. Centerpunkt (u’c, v’c)

3 Die Halbwertsbreite der Normalverteilung beträgt das 2,35-fache der Standardabweichung. Daraus ergibt sich ein Faktor

von ±1,18 für eine Detektionswahrscheinlichkeit von 50 %.


28

22 )''()''(0011,0 CC vvuunr (2.22)

sind die n-stufigen Kreise und n-stufigen Ellipsen annähernd kongruent.

Abbildung 2.11: 5-stufige MACADAM-Ellipsen für Nominal-Farbtemperaturen gemäß DIN

EN 60081 [DIN14b] und u’v’-Kreise mit Radius r = 0,0055, Bild aus [CIE14]

Für einen gerade noch wahrnehmbaren Farbunterschied nahe des PLANCK-

schen Kurvenzugs ergibt sich:

0013,018,10011,0'' JNDvu (2.23)

Auf europäischer Ebene empfiehlt die DIN EN 62707-1 [DIN14a] zum Bin-

ning von weißen LED-Packages ein gleichabständiges Raster aus Vierecken

entlang des PLANCKschen Kurvenzuges und der JUDDschen Geraden mit ei-

nem Abstand zwischen zwei Rasterpunkten von ∆u’v’ = 0,0017.


29

2.3.4 Räumliche Farbeinheitlichkeit

Für gewöhnlich werden Farbmaßzahlen räumlich gemittelt angegeben (vgl. z. B.

[CIE15], [DIN13]). Zur Bestimmung gemittelter Farbkoordinaten eignet sich

z. B. ein Kugelphotometer (sog. ULBRICHT-Kugel) mit einem Spektralradiome-

ter oder Tristimulus-Colorimeter (Dreibereichs-Farbmessgerät)4 als Empfän-

ger.

Da Kugelphotometer für größere Leuchten nicht geeignet sind, werden die

Farbkoordinaten dieser Leuchten mittels Goniospektralradiometer oder -colo-

rimeter gemessen. Um räumlich gemittelte Werte zu erhalten, werden in min-

destens zwei C-Ebenen (z. B. C0 und C90) der Elevationswinkel variiert und die

Farbkoordinaten gemessen. Aus den Messpunkten werden schließlich räumlich

gemittelte Koordinaten bestimmt.

Da bei dieser Messmethode die ursprünglichen ortsaufgelösten Informationen

zur Verfügung stehen, kann zudem eine Aussage bezüglich der räumlichen Ho-

mogenität der Farbwerte getroffen werden.

Im Norm-Entwurf EN 13032-4 [DIN13] wird die winkelabhängige Spektral-

verteilung der LED-Leuchte durch die räumliche Farbeinheitlichkeit ∆u’v’ (engl.

Angular Colour Uniformity [CIE15]) beschrieben. Dabei wird der größte Ab-

stand zwischen dem gemessenen Farbwert (u‘, v‘), der in verschiedene Rich-

tungen abgestrahlt wird, und dem räumlich gemittelten Farbwert (u’a, v’a) be-

stimmt.

22

'' )''()''( aavu vvuu (2.24)

Die Messmethodik zur Ermittlung der räumlichen Farbeinheitlichkeit ist an das

Verfahren der IES LM-79-08 [IES08] angelehnt, welches analog zur räumlichen

Farbeinheitlichkeit die „spatial non-uniformity of chromaticity“ beschreibt. Bei

4 Die CIE-Norm S 025/E:2015 [CIE15] schließt zur Absolutmessung farbmetrischer Größen von LED-Lampen, LED-Leuchten und LED-Modulen die Verwendung klassischer Dreibereichs-Farbmessgeräte aus, für einen Relativvergleich räumlicher Farbkoordinaten sind diese jedoch zugelassen.


30

diesem Berechnungsverfahren werden die Farbkoordinaten mit der ortsabhän-

gigen Bestrahlungs- bzw. Beleuchtungsstärke E gewichtet.

Die gemittelte Farbkoordinate u’a wird wie folgt berechnet:

n

i

iiia wuu1

)()('' (2.25)

mit dem Wichtungsfaktor

n

i

ii

iiii

E

Ew

1

)()(

)()()(

(2.26)

und dem Raumwinkelelement

10

180|];)cos()2

cos([|2

170,...20,10|];)2

cos()2

cos([|2

0|];)2

cos()cos([|2

)(

iii

iii

iii

i

für

für

für

(2.27)

Die gemittelte Farbkoordinate v’a wird in analoger Weise berechnet. Der Azi-

mutwinkel sollte in Schritten von ∆φ = 90° oder weniger gemessen werden, der

Elevationswinkel in Schritten von ∆ϑ = 10° oder weniger. Es werden nur Werte

berücksichtigt, bei denen die gemessene Lichtstärke mindestens 10 % der Ma-

ximallichtstärke beträgt.


31

Abbildung 2.12: Messverfahren nach IES-LM 79, Bild aus [IES08]

Im Gegensatz zum Farbabstand ∆u’v’ aus Formel (2.16) handelt es sich bei der

räumlichen Farbeinheitlichkeit ∆u’v’ aus Formel (2.24) um einen fiktiven Ab-

stand, da der räumlich gemittelte Farbwert zwar als Punkt im CIE 1976 (u’, v’)-

Diagramm abgetragen werden kann, jedoch keinen real gemessenen Farbwert

darstellt.

Eine Gegenüberstellung der Berechnungsverfahrens der IES LM-79-08 sowie

der CIE S 025/E:2015 zur Angular Colour Uniformity ist in Anhang A aufge-

führt.

32

3 Stand der Forschung und bisherige Erkenntnisse

3.1 Bisherige Forschungsarbeiten zur Wahrnehmung

von Farbunterschieden

Erste wichtige Untersuchungen zu Farbunterschieden fanden bereits Ende der

dreißiger Jahre des letzten Jahrhunderts statt. Hier seien insbesondere die Ar-

beiten von JUDD [JUDD36], WRIGHT [WRIG41], MACADAM [MACA42] und

BROWN [BROW51] erwähnt, einen umfassenden Überblick gibt [WYST67].

Abbildung 3.1: Ellipsen gleicher Wahrnehmung nach Judd, Bild aus [JUDD36]

JUDD erkannte, dass sich gleich groß wahrgenommene Farbabstände nicht

durch gleich lange Linien in der CIE-Normfarbtafel darstellen lassen. Ausge-

hend von einem ersten nahezu gleichabständigen Modell, transformierte JUDD

aneinandergrenzende Kreise gleicher Wahrnehmung in die CIE-Normfarbtafel,

Kapitel 3.1 Bisherige Forschungsarbeiten zur Wahrnehmung

33

in der sich durch die Transformation aneinandergrenzende Ellipsen ergaben.

Ein Hundertstel des Abstandes zwischen dem Ellipsenzentrum und einem

Randpunkt stellte den gerade wahrnehmbaren Unterschied dar, wobei die Er-

gebnisse für ein 6°-Gesichtsfeld gelten. Zwischen dem grünen und blauen Be-

reich der Normfarbtafel stellte JUDD Unterschiede im Bereich 1:14 fest.

WRIGHT untersuchte Farbunterschiede entlang 35 verschiedener Linien in der

CIE-Normfarbtafel. Er diente selbst als Versuchsperson seiner Experimente

und verglich ausgewählte Linien mit drei weiteren Probanden. WRIGHT defi-

nierte erkennbare Unterschiede in einem 2°-Gesichtsfeld als Schrittweite zwi-

schen zwei Farbörtern und fand besonders kleine Schrittweiten im blauen Be-

reich und besonders große Schrittweiten im roten und gelben Bereich der Farb-

tafel.

Abbildung 3.2: Linien gleicher Wahrnehmung nach Wright, Bild aus [WRIG41]

Kapitel 3. Stand der Forschung und bisherige Erkenntnisse

34

Die Unterschiede betrugen dabei 1:20, was die nicht gleichabständige Wahr-

nehmung in diesem Diagramm deutlich macht. Er propagierte ein möglichst

gleichabständiges Modell, in dem die Unterschiede (z. B. aufgrund interperso-

neller Streuung und Messunsicherheiten) maximal 1:2 betragen und bemerkte,

Zitat: “[…] nothing could be simpler than to express a colour tolerance by the radius r of a

circle centred about a point C in the colour diagram, all acceptable colours having to fall within

the area of the circle.“

Abbildung 3.3: MACADAM-Ellipsen (10-fach vergrößert), Bild aus [MACA42]

MACADAM ermittelte anhand eines einzigen Beobachters und etlicher Farbab-

gleiche Schwellenwerte für erkennbare Farbunterschiede. Als Umfeldbeleuch-

tung wählte MACADAM Normlichtart C (ca. 6.774 K) und eine Umfeldleucht-

dichte von 7,5 mL (≙ 23,87 cd/m2), das Testfeld hatte eine Leuchtdichte von


35

15 mL (≙ 47,75 cd/m2). Die Beobachterfeldgröße betrug 2°. Ergebnis der Un-

tersuchung sind die bis heute verwendeten 25 MACADAM-Ellipsen. Im Bereich

weißer Farbörter ergeben sich aus den Ellipsen Schwellenwerte für ∆u’v’ zwi-

schen 0,0007 und 0,0017 (vgl. Tabelle 3.2).

BROWN untersuchte den Einfluss der Umgebungsleuchtdichte auf die Wahr-

nehmung von Farbunterschieden in einem Bereich zwischen 10 fL und 0,03 fL

(≙ 34,26 cd/m2 bis 0,103 cd/m2). Für einen 2°-Normalbeobachter konnte er

keine signifikanten Unterschiede in der Farbwahrnehmung zwischen 10 fL (≙

34,26 cd/m2) und ca. 1 fL (≙ 3,43 cd/m2) feststellen. Erst bei niedrigeren

Leuchtdichten als 1 fL steigt die Diskriminationsschwelle deutlich an.

Aktuellere Arbeiten zur Wahrnehmung von Farbunterschieden bei Selbstleuch-

tern sind u. a. von LUCKNER [LUCK06], BIESKE [BIES10], BÖLL [BBK13],

POLSTER [POLS14], BIESKE und FIEBIG [BIFI14], BIESKE und HOMBERG

[BIHO14] sowie KRAMER [KRAM14] zu finden.

LUCKNER untersuchte Lichtfarbenunterschiede zwischen Leuchten mit neutral-

weißen und farbigen Leuchtstofflampen sowie farbige Schatten im Raum. Aus-

gehend von einer Referenzlichtfarbe von 4.000 K wurde die Lichtfarbe unter

möglichst konstanter Leuchtdichte der leuchtenden Fläche (1,20 m x 0,15 m)

von L = 9.300 cd/m2 variiert. Der Abstand zwischen den Leuchten betrug

1,6 m. 25 Probanden bewerteten den Unterschied nach den Kriterien „nicht

erkennbar“, „gerade erkannt“, „sicher gesehen“ und als „störend empfunden“.

Der ermittelte Schwellenwert für wahrnehmbare Farbunterschiede lag bei

∆u’v’ = 0,0013 ± 0,0003, der ermittelte Toleranzwert bei ∆u’v’ = 0,104 ± 0,002.

BIESKE hat in ihrer Dissertation sprunghafte Änderungen der Lichtfarbe ent-

lang des PLANCKschen Kurvenzuges sowie entlang der JUDDschen Geraden für

nacheinander dargebotene Lichtfarbenreize untersucht. BIESKE verwendete ei-

nen Lichtfarbensimulator mit Leuchtstofflampen und untersuchte Farbtempe-

raturen zwischen 3.000 K und 6.700 K und Beleuchtungsstärken von 300 lx,

500 lx und 1.000 lx mit einem Probandenkollektiv von 21 Versuchspersonen.

Die Probanden bewerteten Farbunterschiede auf einer homogen ausgeleuchte-


36

ten Fläche von 60 cm x 80 cm anhand physiologischer Kriterien (Schwellen-

werte) und psychologischer Kriterien (Toleranzwerte). Die ermittelten Schwel-

lenwerte lagen im Bereich von 1–2 SDCM und sind erwartungsgemäß etwas

größer als die Werte für simultan dargebotene Reize.

Die Ergebnisse zeigten keinen Einfluss der Variationsrichtung oder Beleuch-

tungsstärke auf die Farbwahrnehmung im Untersuchungsbereich, jedoch

konnte eine Abhängigkeit der Schwellen- und Toleranzwerte von der ähnlichs-

ten Farbtemperatur festgestellt werden, sofern die Ergebnisse im CIE 1976

(u’, v’)-Diagramm dargestellt werden (vgl. Abbildung 3.4). Die Abhängigkeit

von der Farbtemperatur gilt besonders für die ermittelten Toleranzwerte.

Sprunghafte Änderungen bei warmweißen Lichtfarben werden kritischer be-

wertet als bei kaltweißen Lichtfarben. Eine Abhängigkeit der Schwellenwerte

von der Farbtemperatur konnte in anderen Arbeiten zu erkennbaren Lichtfar-

benunterschieden [MACA42; KRAM14] nicht festgestellt werden.

Abbildung 3.4: Schwellen- und Toleranzwerte in Abhängigkeit der ähnlichsten Farbtempe-

ratur bei sprunghaften Änderungen der Lichtfarbe, Bild aus [BIES10]


37

Eine Transformation der Daten von BIESKE in den CIELAB 1976-Farbraum

zeigte keine Abhängigkeit von der Farbtemperatur. Da in der Arbeit Farbun-

terschiede auf einer beleuchteten Bewertungsfläche und nicht auf einem hinter-

leuchteten Testfeld untersucht wurden, erscheint die Bewertung der wahrge-

nommenen Unterschiede anhand des CIELAB Farbraums für Körperfarben

geeigneter.

BÖLL, BODROGI und KHANH verglichen zwei verschiedene relative spektrale

Strahlungsverteilungen zweier unterschiedlicher durchstimmbarer weißer

LED-Lichtquellen mit nominaler Farbtemperatur von 5.200 K mit einer Kom-

paktleuchtstofflampe gleicher nominaler Farbtemperatur in einem Zwei-Kam-

mer-Abgleichversuch. Sieben Probanden stellten den Farbort der durchstimm-

baren LED-Lichtquellen so ein, dass kein Unterschied zum Farbort der Refe-

renzlichtquelle erkennbar war, gerade ein Unterschied erkennbar war (JND)

bzw. der Unterschied gerade noch tolerierbar war (JTD). Für den gerade er-

kennbaren Unterschied JND ergaben sich Farbortdifferenzen zwischen Test-

und Referenzlichtquelle von ∆u’v’ = 0,0012 bis ∆u’v’ = 0,0021. Für den gerade

noch tolerierbaren Unterschied JTD lagen die Werte bei ∆u’v’ = 0,0021 bis

∆u’v’ = 0,0033.

POLSTER untersuchte in ihrer Dissertation den Einfluss der Beobachterfeld-

größe (2°, 5° und 10°) auf die Farbwahrnehmung. Sie führte Side-by-Side Ab-

gleichversuche mit 19 farbtüchtigen Probanden durch und untersuchte diverse

LED-Mischspektren. Die Testfeldleuchtdichte betrug ca. 140 cd/m2, die Um-

feldleuchtdichte 70 cd/m2. Eine Halbierung der Leuchtdichte zeigte keinen

Einfluss auf die Farbdiskrimination der Probanden. POLSTER bestätigte, dass

verschiedene Spektren, die durch die gängigen CIE-Normspektralwertfunktio-

nen auf denselben Farbort abgebildet werden, zum Teil unterschiedlich wahr-

genommen werden und leitete daher neue Spektralwertfunktionen TUI ab, um

visuell gleiche Spektren besser im CIE 1976 (u’, v’)-Diagramm abbilden zu kön-

nen. Sie stellte zudem fest, dass in einem 2°-Gesichtsfeld metamere Spektren

durch die Änderung der Beobachterfeldgröße auf 10° zum Teil nicht mehr

gleich wahrgenommen werden und leitete einen „Metamerie-Index für Be-

obachterfeldgrößenabhängigkeit“ ab, um die Kompatibilität zweier Spektren in

Abhängigkeit der Beobachterfeldgröße bewerten zu können.


38

Im untersuchten Farbtemperaturbereich von 3.500 K bis 6.500 K lag die Wahr-

nehmungsschwelle bei 2° im Mittel bei ∆u’v’ = 0,0020 bis ∆u’v’ = 0,0040. Ein

größeres Beobachterfeld führt zu geringeren Schwellenwerten, die Empfind-

lichkeit gegenüber Farbunterschieden nimmt entsprechend zu.

BIESKE und FIEBIG führten Experimente zu Lichtfarbenunterschieden und far-

bigen Schatten im Raum mit 21 Probanden durch. Sie variierten die Lichtfarbe

zwischen 2.700 K und 7.500 K, wobei die Referenz bei 5.100 K lag und hielten

das Beleuchtungsniveau auf der Bewertungsfläche konstant auf 725 lx. Die ver-

wendeten Leuchten mit T5-Leuchtstofflampen hatten eine leuchtende Fläche

von 0,555 m x 0,555 m und wurden in eine Rasterdecke eingebaut, wodurch

sich ein Leuchtenabstand von ebenfalls 0,555 m ergab. Im Ergebnis wurden

Lichtfarbenunterschiede zwischen Leuchten kritischer bewertet als farbige

Schatten an Objekten. Die Schwellenwerte für Lichtfarbenunterschiede zwi-

schen Leuchten lagen im Bereich von ∆u’v’ = 0,0069 ± 0,0023, die Toleranz-

werte im Bereich ∆u’v’= 0,0375 ± 0,0062.

BIESKE und HOMBERG untersuchten Lichtfarbenunterschiede auf leuchtenden

Flächen (0,6 m x 0,6 m) mit LED-Leuchten. Ausgehend von einer Referenz-

lichtfarbe von 4.000 K untersuchten sie mit 21 Probanden Unterschiede inner-

halb und zwischen direkt nebeneinander liegenden Leuchten sowie zwischen

zwei Leuchten mit 60 cm Abstand. Es wurden Leuchtdichten von 2.100 cd/m2

und 4.200 cd/m2 gewählt, der Beobachtungswinkel bezogen auf die Flächen-

normale der Leuchten betrug 0° und 60°. Verglichen wurden 15 matte Decken-

einbauleuchten, bestehend aus vier Modulen mit je 72 LEDs. Überprüft wurde

ein ANSI 1/16-Bin (∆u’v’ ≈ 0,002). Es wurden LEDs der vier zentralen Bins

um 4.000 K ausgewählt. Im Bereich zwischen ∆u’v’ = 0,0012 und

∆u’v’ = 0,0028 konnten innerhalb der Leuchten kaum Unterschiede festgestellt

werden, zwischen zwei aneinander grenzenden Leuchten wurden im Bereich

von ∆u’v’ = 0,0007 und ∆u’v’ = 0,0041 kaum Unterschiede erkannt. Daher lie-

ßen sich auch keine eindeutigen Schwellen- oder Toleranzwerte ableiten. Es

zeigte sich jedoch, dass Unterschiede bei einer Flächenleuchtdichte

L = 2.100 cd/m2 eher wahrgenommen werden als bei L = 4.200 cd/m2. Mit

steigender Leuchtdichte nimmt die Empfindlichkeit scheinbar ab, womöglich

auch durch Blendungseffekte.


39

Die Unterschiede zwischen benachbarten Leuchten bei senkrechter Beobach-

tung sind vergleichbar mit den Ergebnissen bei einem Beobachtungswinkel von

60° und einem Leuchtenabstand von 60 cm. Die Lichtfarbenunterschiede ∆u’v’

wurden mit den CIE 2°-Normspektralwertfunktionen bestimmt, erst durch die

Verwendung der Spektralwertfunktionen von POLSTER konnte die subjektive

Bewertung durch die Lichtfarbenunterschiede ∆u’v’TUI10° abgebildet werden.

KRAMER untersuchte in seiner Dissertation die Farbdiskrimination in Abhän-

gigkeit von Weißpunkt und Farbverlauf. Dabei wählte er drei verschiedene

Testzeichen, um sowohl einen harten als auch einen weichen Übergang sowie

einen Abstand von ca. 1° (Sehwinkel) zwischen Test- und Referenzhälfte zu

vergleichen. Er untersuchte drei verschiedene Farbörter (2.700 K, 4.000 K und

6.500 K) mit 20 farbtüchtigen und normalsichtigen Probanden. Die Testzei-

chenleuchtdichte betrug 800 cd/m2, die Umfeldleuchtdichte betrug 200 cd/m2.

Die Test- und Referenzfläche wurden mit annähernd spektrengleichen weißen

Konversions-LEDs hinterleuchtet, so dass Metamerieeffekte ausgeschlossen

werden konnten. Die Probanden betrachteten das Testzeichen in einem 10°-

Gesichtsfeld. KRAMER berechnete die Farbkoordinaten dennoch mit den 2°-

Normspektralwertfunktionen, da er die Ergebnisse im CIE 1976 (u’, v’)-Dia-

gramm darstellte.

Abbildung 3.5: MACADAM Ellipsen (gestrichelt), Ellipsen von KRAMER (durchgezogen)

und ANSI-Binning im Vergleich, Bild aus [KRAM14]


40

Auch in dieser Arbeit konnten die ermittelten Schwellenwertkurven trotz Dar-

stellung im (u’, v’)-Diagramm am besten anhand von Ellipsen um die Refe-

renzvalenz dargestellt werden (vgl. Abbildung 3.5). Die Ergebnisse zeigten

keine Abhängigkeit der Farbdiskrimination vom dargebotenen Weißpunkt bei

den untersuchten Farbtemperaturen, es zeigte sich jedoch eine Abhängigkeit

der Ellipsenorientierung von der jeweiligen Farbtemperatur. Die Wahrneh-

mungsschwelle wird zudem vom Farbverlauf beeinflusst. Die Schwellenwerte

für weiche Übergänge bzw. Übergänge mit Abstand liegen um den Faktor 1,5

höher als die Schwellenwerte für harte Übergänge (∆u’v’ ≈ 0,001).

Eine VON KRIES-Transformation der von KRAMER ermittelten Ellipsen zu den

Adaptationsbedingungen von MACADAM zeigte, dass die Unterschiede vermut-

lich auf den verschiedenen Adaptationsbedingungen und nicht auf Leucht-

dichteunterschieden beruhen. Die Auswertung zur psychologischen Wahrneh-

mung der Farbunterschiede zeigte keine Drehung der Schwellenwertellipsen

zwischen physiologischer (JND) und psychologischer Schwelle (JTD), dies

spricht für die Möglichkeit zur Vergrößerung der Schwellenwerte durch Fakto-

ren.

3.1.1 Gegenüberstellung von Schwellen- und Toleranzwerten

Die in Kapitel 3.1 vorgestellten Forschungsarbeiten befassen sich zwar alle mit

der Wahrnehmung von Farbunterschieden, beruhen jedoch auf verschiedenen

Versuchsdesigns und Untersuchungsparametern. Die ermittelten Schwellen-

und/oder Toleranzwerten gelten daher nur für die jeweiligen Rahmenbedin-

gungen.

Tabelle 3.1 stellt die ermittelten Schwellen- und Toleranzwerte für weiße Far-

börter nahe des PLANCKschen Kurvenzuges gegenüber. Sofern eine ähnlichste

Farbtemperatur von 4.000 K untersucht wurde, sind die entsprechenden Werte

zwecks Vergleichbarkeit angegeben. Zudem werden die wichtigsten Versuchs-

parameter unter „Bemerkung“ zusammengefasst.


41

Tabelle 3.1: Zusammenfassung der ermittelten Schwellen- und Toleranzwerte bisheriger

Arbeiten zu wahrnehmbaren Farbunterschieden im Bereich weißer Farbörter

Quelle Schwellenwert

JND (in ∆u’v’)

Toleranzwert

JTD (in ∆u’v’)

CCT Bemerkung

MACADAM,

1942

0,0012–0,0017 4.000 K Testzeichen mit zwei Hälften

LUCKNER,

2006

0,0010–0,0016 0,0084–0,0124 4.000 K zwischen Leuchten, Ab-stand 1,6 m

BIESKE,

2010

0,0016 0,0081 4.000 K für nacheinan-der dargebotene Reize

BÖLL,

BODROGI,

KHANH,

2013

0,0012–0,0021 0,0021–0,0033 5.200 K Zwei-Kammer-Abgleichversuch

POLSTER,

2013

0,0020–0,0040 3.500 K–6.500 K

Für 2°-Be-obachter, Test-zeichen mit zwei Hälften

BIEKSE/

FIEBIG,

2014

0,0046–0,0092 0,0313–0,0437 5.100 K zwischen Leuchten, Ab-stand 0,55 m

BIESKE/

HOMBERG,

2014

> 0,0028 4.000 K innerhalb von Leuchten

> 0,0041 zwischen be-nachbarten Leuchten

KRAMER,

2014

0,0010 2.700 K, 4.000 K, 6.500 K

Testzeichen mit zwei Hälften, harter Übergang

0,0015 4.000 K weicher Über-gang

0,0015 4.000 K Lücke


42

Es zeigt sich, dass die Schwellenwerte bei den Versuchen mit Testzeichen im

Vergleich zu den Versuchen mit realen Leuchten niedriger liegen und dass die

Werte für nacheinander dargebotene Reize höher liegen als beim direkten Ab-

gleich. Farbunterschiede bei direkt aneinandergrenzenden Flächen werden kri-

tischer beurteilt als solche, bei denen die leuchtenden Flächen einen Abstand

aufweisen. Die Toleranzwerte (psychologische Schwellen) schwanken je nach

Versuchsdesign deutlich stärker als die entsprechenden physiologischen

Schwellenwerte.

3.1.2 Vergleich von MACADAM-Ellipsen, ANSI-Binning und Ra-

dien flächengleicher Kreise

Nach [WYST67] gelten für die MACADAM Ellipsen nahe des PLANCKschen

Kurvenzuges die in Tabelle 3.2 dargestellten Werte. Aus den Werten der Cen-

terpunkte wurden die zugehörigen ähnlichsten Farbtemperaturen nach dem

Verfahren von MCCAMY [MCCA92] berechnet.

Tabelle 3.2: Werte für MACADAM-Ellipsen nahe des PLANCKschen Kurvenzuges und be-

rechnete CCT

Centerpunkt MACADAM-Ellipsen, Halbachsen

a und b sowie Winkel ϑ zw. Abs-

zisse und großer Halbachse a

CCT, berechnet nach

MCCAMY

x0 y0 a b ϑ

0,305 0,323 0,0023 0,0009 58,0° 7.003 K

0,385 0,393 0,0038 0,0016 65,5° 3.997 K

0,472 0,399 0,0032 0,0014 51,0° 2.418 K

Tabelle 3.3 fasst die berechneten Halbachsen der in u’v’ transformierten Ellip-

sen zusammen. Zudem sind die Radien flächengleicher Kreise angegeben.


43

Tabelle 3.3: Aus MACADAM-Ellipsen berechnete transformierte Ellipsen in u’v’ und mitt-

lere Radien flächengleicher Kreise rM

CCT x0 y0 u‘ v‘ au’v’ bu’v’ rM

7.003 K 0,305 0,323 0,1947 0,4639 0,0013 0,0007 0,0010

3.997 K 0,385 0,393 0,2217 0,5092 0,0017 0,0012 0,0014

2.418 K 0,472 0,399 0,2759 0,5247 0,0013 0,0012 0,0012

Der mittlere Radius rM beschreibt den aus den Ellipsenhalbachsen berechneten

Radius eines flächengleichen Kreises. Es gilt:

Fläche Kreis:

2rAK (3.1)

Mit:

AK Fläche des Kreises

r Kreisradius

Fläche Ellipse:

baAE (3.2)

Mit:

AE Fläche der Ellipse

a große Ellipsenhalbachse

b kleine Ellipsenhalbachse


44

Mittlerer Radius rM (Ellipse–Kreis):

barM (3.3)

Für eine ähnlichste Farbtemperatur von 2.418 K ist der Abstand ∆u’v’ für beide

Halbachsen annähernd gleich. Für 3.997 K und 7.003 K liegen die Abstände

immer noch ca. eine Größenordnung unterhalb der Erkennbarkeitsschwelle.

Daher erscheint die Angabe mittlerer Radien im Bereich des PLANCKschen

Kurvenzuges als Näherung zulässig.

Aus den Vierecken in ANSI C78.377, die sich in guter Näherung durch Trapeze

beschreiben lassen, ergibt sich für rM:

Fläche Trapez:

hmhcaAT )(2

1 (3.4)

Mit:

AT Fläche des Trapezes

a, c parallele Grundseiten des Trapezes

h Höhe des Trapezes

Mittlerer Radius (Trapez–Kreis):

hmrM

(3.5)


45

Für eine ähnlichste Farbtemperatur von 4.000 K ergibt sich aus den ANSI Cen-

terpunkten und Eckpunkten:

0145,0m

0150,0h

0083,0Mr

Das ANSI-Bin soll einer 7-stufigen MACADAM Ellipse entsprechen. Für eine

ähnlichste Farbtemperatur von 4.000 K ergibt sich für 1 SDCM demnach ein

Wert von 0,0012.

Die berechneten mittleren Radien sowie die Schwellen- und Toleranzwerte aus

der aktuellen Normung sind in Tabelle 3.4 zusammengefasst.

Tabelle 3.4: Zusammenfassung der ermittelten Schwellen- und Toleranzwerte aus der aktu-

ellen Normung im Vergleich zu den Werten von MACADAM

Quelle 1 SDCM/rM JND JTD CCT Bemerkung

MACADAM 0,0014 0,0042 – 4.000 K Faktor 3 SDCM für JND, keine Angabe für JTD

ANSI, 2008 0,0012 0,0014 0,0083 4.000 K Faktor 1,18 SDCM für JND, Faktor 7 für JTD

CIE TN 001

u’v’-Kreis,

2014

0,0011 0,0013 0,0055 4.000 K Faktor 1,18 für JND, Faktor 5 für JTD

DIN EN

60081, 2014

(IEC 60081)


Beispielhaft sind in Abbildung 3.6 die 1 SDCM Ellipse, die 5 SDCM Ellipse so-

wie der für diese Ellipse flächengleiche Kreis nach DIN EN 60081 dargestellt.


46

Abbildung 3.6: CIE (u’, v’)-Diagramm mit Ellipsen für genormte Farbkoordinaten nach

DIN EN 60081 bei 4.000 K

Die aus der aktuellen Normung als Schwellenwerte berechneten mittleren Ra-

dien sind annähernd gleich. Sie liegen im Bereich der niedrigen Schwellenwerte

aus Tabelle 3.1 und berücksichtigen somit auch sehr kritische Farbunterschiede.

Die Toleranzwerte des ANSI-Binning entsprechen einer 7-fachen Standardab-

weichung, auf internationaler Ebene werden die Toleranzwerte durch eine 5-

fache Standardabweichung definiert. Die Normung unterscheidet bei den an-

gegebenen Schwellen- und Toleranzwerten nicht zwischen Farbunterschieden

innerhalb von Leuchten, zwischen benachbarten Leuchten oder der Art des

Farbübergangs.


47

In dieser Arbeit werden Leuchten mit ähnlichsten Farbtemperaturen von

2.700 K, 3.000 K und 4.000 K untersucht. Die ermittelten Schwellen- und To-

leranzwerte aus der aktuellen Normung (vgl. Tabelle 3.4) werden daher beispiel-

haft für diese drei Lichtfarben angegeben.

Tabelle 3.5: Schwellen- und Toleranzwerte aus der aktuellen Normung für ähnlichste Farb-

temperaturen von 2.700 K, 3.000 K und 4.000 K

Quelle 1 SDCM/rM JND JTD CCT Bemerkung

ANSI, 2008 0,0011 0,0013 0,0079 2.700 K Faktor 1,18 SDCM für JND, Faktor 7 für JTD

0,0013 0,0015 0,0093 3.000 K

0,0012 0,0014 0,0083 4.000 K

CIE TN 001

u’v’-Kreis,

2014

0,0011 0,0013 0,0055 2.700 K, 3.000 K, 4.000 K

Faktor 1,18 für JND, Faktor 5 für JTD

DIN EN

60081, 2014

(IEC 60081)


0,0011 0,0013 0,0055 3.000 K

0,0012 0,0014 0,0060 4.000 K

Aus Tabelle 3.5 lässt sich kein eindeutiger Zusammenhang zwischen der Licht-

farbe und den Schwellen- und Toleranzwerten ableiten. Da die Schwellenwerte

für die beschriebenen ähnlichsten Farbtemperaturen nur sehr geringe Unter-

schiede aufweisen, wird als Referenzwert für die folgenden Untersuchungen der

Mittelwert der angegebenen Schwellenwerte JND̅̅ ̅̅ ̅̅ mit ∆u’v’ = 0,0013 gewählt.

Dieser entspricht dem Wert der JND gemäß CIE TN 001.

3.1.3 Einfluss von Leuchtdichte und chromatischer Adaptation

Bei Körperfarben ist die Helligkeit nach DIN 5033-1 [DIN79] untrennbarer

Bestandteil der Farbe. Bei der Bewertung von Farbörtern nahe des PLANCK-

schen Kurvenzuges und photopischer Umfeld- und Testobjektleuchtdichte,

stellt sich daher die Frage nach dem Einfluss der Helligkeit auf die Wahrneh-

mung von Farbunterschieden.


48

Das Auge passt sich der Umgebungshelligkeit in einem Leuchtdichtebereich

zwischen 10-6 cd/m2 (absolute Sehschwelle) und 105 cd/m2 an [BBC+06]. Wäh-

rend bei der Adaptation an unterschiedliche Beleuchtungsniveaus die Leucht-

dichte entscheidend ist, hängt die chromatische Adaptation mit der Lichtfarbe

zusammen. Das menschliche Auge ist in der Lage, einen sogenannten Weißab-

gleich vorzunehmen und sich chromatisch an die vorherrschende Lichtfarbe

der Umgebung anzupassen. Dadurch bleibt der Farbeindruck auch bei unter-

schiedlichen Lichtfarben nahezu konstant [KBV+14].

Nach FAIRCHILD und RENIFF [FARE95] ist die chromatische Adaptation nach

60 Sekunden zu 90 % und nach 120 Sekunden vollständig abgeschlossen. Un-

tersuchungen zum Einfluss der chromatischen Adaptation auf die Diskrimina-

tionsschwelle für Farbunterschiede [WEUR15] haben gezeigt, dass die Diskri-

minationsschwelle von der chromatischen Adaptation abhängt. Entlang der

Blau-Gelb-Achse wurde ein negativer Effekt auf den Schwellenwert bemerkt,

während entlang der Rot-Grün-Achse sowohl ein positiver als auch negativer

Effekt festgestellt wurde.

Auch bei KRAMER (vgl. Kapitel 3.1) zeigte eine VON KRIES-Transformation der

Schwellenwertellipsen zu den Adaptationsbedingungen von MACADAM

(Normlichtart C), dass die Unterschiede in den Ergebnissen vermutlich auf den

verschiedenen chromatischen Adaptationsbedingungen und nicht auf Leucht-

dichteunterschieden beruhen. Die unterschiedliche Leucht

dichte des Testzeichens scheint keinen Einfluss auf die Schwellenwerte zu ha-

ben, deshalb geht KRAMER davon aus, dass seine Ergebnisse für einen Leucht-

dichtebereich von 50 cd/m2 bis 800 cd/m2 gelten.

Eine Studie vom Lighting Research Center [NDF+04] konnte bezüglich der

Diskriminationsschwelle bei konstanten Adaptationsbedingungen keinen statis-

tisch signifikanten Unterschied zwischen 323 cd/m2 und 969 cd/m2 feststellen.

POLSTER wies in ihrer Dissertation (vgl. Kapitel 3.1) darauf hin, dass eine Hal-

bierung der Leuchtdichte des Testzeichens von 140 cd/m2 auf 70 cd/m2 und

der Umfeldleuchtdichte von 70 cd/m2 auf 35 cd/m2 keinen Einfluss auf die

Erkennbarkeit von Farbunterschieden hatte.

Kapitel 3.2 Bisherige Forschungsarbeiten zur Messung und Darstellung

49

Bei BIESKE und HOMBERG (vgl. Kapitel 3.1) wurden Leuchtdichten des Test-

objekts von 2.100 cd/m2 und 4.200 cd/m2 untersucht. Bei einer Flächenleucht-

dichte L = 2.100 cd/m2 wurden Farbunterschiede eher wahrgenommen als bei

L = 4.200 cd/m2. Ein Grund für die geringere Empfindlichkeit bei höherer

Leuchtdichte wird in möglichen Blendungseffekten gesehen.

Blendung kann allgemein durch eine zu hohe absolute Leuchtdichte, zu große

Leuchtdichteunterschiede (Kontraste) oder eine ungünstige Leuchtdichtever-

teilung im Gesichtsfeld auftreten. Bei der Betrachtung einer Lichtquelle schlägt

die Normung zum Augenschutz eine gerade noch akzeptable Leuchtdichte von

730 cd/m2 vor [STRA06]. Aufgrund der hohen absoluten Flächenleuchtdichte

des Testobjekts von L = 4.200 cd/m2 scheint der Einfluss der Blendung auf die

Diskriminationsschwelle zu überwiegen.

Die bisher vorgestellten Ergebnisse gelten für homogene Leuchtdichten des

Testobjekts. Betrachtet man leuchtende Flächen aus verschiedenen Winkeln,

ändert sich die Leuchtdichte mit dem Betrachtungswinkel, sofern es sich nicht

um einen LAMBERT-Strahler handelt. Wird jedoch davon ausgegangen, dass in-

nerhalb von Leuchten besonders Farbunterschiede nebeneinander liegender

Winkelbereiche als kritisch erachtet und verglichen werden und die Lichtstär-

keverteilung keine sprunghaften Änderungen aufweist, kann die Leucht-

dichteänderung vernachlässigt werden.

3.2 Bisherige Forschungsarbeiten zur Messung und

Darstellung winkelabhängiger Farbunterschiede

Je nach Herstellungsprinzip der LEDs kann es bereits auf Chip-Ebene zu In-

homogenitäten in der farbigen Abstrahlcharakteristik kommen. In einer LED-

Leuchte werden meist mehrere LED-Chips z. B. mit Linsen und/oder Reflek-

toren kombiniert, welche die Abstrahlcharakteristik zusätzlich beeinflussen.

Eine Beschreibung der winkelabhängigen Farbunterschiede des Gesamtsystems

ist daher zwingend notwendig.


50

Bisher werden spektrale Informationen als Mittelwert angegeben. Ansatz ist die

räumliche Farbeinheitlichkeit (vgl. Kapitel 2.3.4). Nach prEN13032-4 sollen in-

tegrale oder numerisch gemittelte Werte angegeben werden. Die IES LM-79-

08 empfiehlt eine Mittelwertbildung über mindestens zwei horizontale Winkel

(φ = 0° und φ = 90°) sowie ausreichend vertikale Winkel mit einer Schrittweite

Δγ ≤ 10°. Da die spektrale Verteilung jedoch räumlich inhomogen sein kann

und durch die Mittelwertbildung Informationen verloren gehen, sollten die

Werte möglichst winkelaufgelöst dargestellt werden.

Eine Darstellung der farbigen Abstrahlcharakteristik wird jedoch nicht gefor-

dert. Für Planer und Anwender wäre diese Information aber sicherlich hilfreich,

da sich aus der räumlichen Farbeinheitlichkeit keine Rückschlüsse auf die tat-

sächliche räumliche Verteilung der Farbwerte ziehen lassen. Der Wert sagt le-

diglich etwas über die Höhe der Abweichungen innerhalb der Leuchte aus,

Ortsinformationen gehen jedoch nicht hervor.

Problematisch ist die Darstellung winkelabhängiger Farbunterschiede hinsicht-

lich der abzubildenden Dimensionen. Aus den beiden Farbkoordinaten (x, y

bzw. u‘, v‘) sowie dem Helligkeitsmaß L* des Farbenraums und den drei Raum-

koordinaten (r, φ, ϑ) ergeben sich insgesamt sechs Dimensionen. Werden die

Leuchtdichte L (Helligkeitsmaß bei Selbstleuchtern) und der Abstand zum Ku-

gelursprung r vernachlässigt, reduzieren sich die Dimensionen auf vier. Dies ist

möglich, da die Leuchtdichte im relevanten Bereich scheinbar keinen Einfluss

auf die Farbwahrnehmung hat (vgl. Kapitel 3.1.3) und lediglich die Differenz

angrenzender Farbörter in einem definierten Messabstand interessiert, respek-

tive Punkte auf der Kugeloberfläche betrachtet werden, während der Radius

konstant bleibt. Die verbleibenden vier Dimensionen können jedoch nicht un-

abhängig voneinander dargestellt werden, da ein Raumpunkt auf der Kugel-

oberfläche erst durch die beiden sphärischen Koordinaten beschrieben wird

und ein Farbort nur durch beide Farbkoordinaten definiert ist. Ein vierdimen-

sionales Diagramm mit den beschriebenen Abhängigkeiten lässt sich nicht ohne

weiteres konstruieren. Für eine dreidimensionale Darstellung müssten entweder

die Farbkoordinaten oder die sphärischen Koordinaten getrennt voneinander

betrachtet werden. Eine Trennung der Farbkoordinaten ist jedoch nicht sinn-


51

voll, da ein Vergleich der Farbörter dann nicht mehr möglich wäre. Eine Tren-

nung der sphärischen Koordinaten führt dazu, dass aus der räumlichen Betrach-

tung der Farbunterschiede eine Betrachtung in der Ebene wird.

Um dieses Problem zu umgehen, stellen bisherige Arbeiten zu winkelabhängi-

gen Farbunterschieden innerhalb von Leuchten die Abweichungen meist als

ähnlichste Farbtemperatur (anstelle der beiden Farbkoordinaten) in Abhängig-

keit der sphärischen Koordinaten dar. Einige dieser dreidimensionalen Darstel-

lungsformen werden im Folgenden diskutiert.

LOPEZ et al. [LLV+10] untersuchten 30 weiße Hochleistungs-LEDs hinsicht-

lich der Abhängigkeit der Farbkoordinaten x und y von der Betriebsdauer sowie

der ähnlichsten Farbtemperatur von den Beobachtungswinkeln ϑ und φ.

Sie stellten fest, dass die gemessene Änderung der ähnlichsten Farbtemperatur

nicht ausschließlich vom Höhenwinkel ϑ abhängt, sondern gegebenenfalls auch

vom Rotationswinkel φ und wählten daher ein dreidimensionales kartesisches

Koordinatensystem zur Darstellung des Farbverlaufs (vgl. Abbildung 3.7).

Abbildung 3.7: Dreidimensionale kartesische Darstellung von Farbdrifts verschiedener

LED-Module, links: nahezu keine Änderung über den Rotationswinkel φ, rechts: Änderung

der CCT über beide Beobachtungswinkel, Bild aus [LLV+10]]

KONJHODŽIĆ et al. [KSN+09] charakterisierten farbige und weiße Hochleis-

tungs-LED-Kalibriernormale. Für das weiße LED-Kalibriernormal wurde die

winkelabhängige ähnlichste Farbtemperatur gemessen und mit Hilfe von

Falschfarben in einem Polardiagramm (vgl. Abbildung 3.8) dargestellt. Bis zu


52

einem Abstrahlwinkel von 20° verhält sich die ähnlichste Farbtemperatur für

alle Rotationsebenen nahezu homogen, bis zu einem Winkel von 50° wurden

nur geringe Abweichungen festgestellt.

Abbildung 3.8: Polare Darstellung der ähnlichsten Farbtemperatur in Abhängigkeit der

Messwinkel, Bild aus [KSN+09]

BLATTNER [BLAT12] untersuchte richtungsabhängige Farbkoordinaten von

weißen LEDs. Zur Visualisierung wählte er eine sphärische Darstellung der

ähnlichsten Farbtemperatur (vgl. Abbildung 3.9). Auch BLATTNER skalierte die

Farbunterschiede anhand von Falschfarben.

Abbildung 3.9: Sphärische Darstellung der winkelabhängigen ähnlichsten Farbtemperatur,

Bild aus [BLAT12]


53

Wie bereits in Kapitel 2.3.2 erläutert, ist der Farbort durch die ähnlichste Farb-

temperatur CCT erst zusammen mit dem Zuordnungsabstand Duv eindeutig de-

finiert. Der Zuordnungsabstand bezieht sich wiederum auf das CIE 1960

(u’, 2/3 v’)-Diagramm. Wird der Zuordnungsabstand nicht mit angegeben, kann

keine genaue Aussage über den Farbort der ähnlichsten Farbtemperatur getrof-

fen werden. Würde man zwei ähnlichste Farbtemperaturen betrachten, die zwar

denselben Wert aber beispielsweise einmal einen positiven und einmal einen

negativen Zuordnungsabstand aufwiesen, wäre ein erkennbarer Farbunter-

schied wahrscheinlich.5

Eine isoliert betrachtete ähnlichste Farbtemperatur eignet sich demzufolge

nicht zur Beschreibung winkelabhängiger Farbunterschiede. Eine Ergänzung

des Zuordnungsabstands wäre möglich, würde jedoch wieder zu einer weiteren

Dimension führen. Aus diesem Grund stellen die folgenden Diagramme statt

der Farbkoordinaten oder der ähnlichsten Farbtemperatur den aus den Farbör-

tern berechneten Farbabstand ∆u’v’ dar.

Ein ergänzender Vorschlag [PROP13] zur DIN IEC/PAS 62717 [DIN11b]

fasst Untersuchungen zur räumlichen Farbeinheitlichkeit mit 22 Testleuchten

(15 Innenraumleuchten, 7 Außenleuchten) zusammen. Für die Innenraum-

leuchten zeigen sich winkelabhängige Farbunterschiede vom Mittelwert zwi-

schen ∆u’v’ = 0,0011 und ∆u’v’ = 0,2340, für die Außenleuchten wurden Werte

zwischen ∆u’v’ = 0,0082 und ∆u’v’ = 0,2300 ermittelt.

Der Farbabstand ∆u’v‘ ist in Abhängigkeit des Höhenwinkels ϑ dargestellt. Als

Referenz dienen die räumlich gemittelten Farbwerte (vgl. Kapitel 2.3.4). Die

Rotation ist nicht vollständig beschrieben, wird jedoch durch die vier Haupt-

ebenen C0/C180 und C90/C270 repräsentiert.

5 Im Vergleich zum CIE 1960 (u’, 2/3 v’)-Diagramm wird beim CIE 1976 (u’, v’)-Diagramm die v’-Koordinate um den Faktor 1,5 gestreckt. Für niedrige Farbtemperaturen (JUDDsche Geraden nahezu parallel zur v’-Achse) und maximale Zu-ordnungsabstände (± 0,05) würde sich demnach ein deutlich sichtbarer Farbabstand von ∆u’v’ = 0,15 für denselben Wert der ähnlichsten Farbtemperatur ergeben.


54

Abbildung 3.10: Kartesische Darstellung des Farbabstands, links: rotationssymmetrisches

LED-Modul für die Innenraumbeleuchtung, rechts: achsensymmetrisches LED-Modul für

die Außenbeleuchtung, Bild in Anlehnung an [PROP13]

HERRMANN [HERR13] beschäftigte sich in ihrer Dissertation mit der Farbmes-

sung an LED-Systemen. Analog zur Lichtstärkeverteilungskurve definierte sie

eine Farbabstandsverteilungskurve und wählte ein Polardiagramm zur Darstel-

lung. Abbildung 3.11 zeigt beispielhaft die Farbabstandsverteilungskurven eines

rotationssymmetrischen LED Light Engines für die vier Hauptebenen.

Als Referenz wählte HERRMANN die Farbkoordinaten in Hauptausstrahlrich-

tung. Der dargestellte Farbabstand wird anhand der Untersuchungsdaten von

BIESKE [BIES10] als „gerade erkannt“, „sicher gesehen“ oder „störend emp-

funden“ bewertet. Da BIESKE jedoch nacheinander dargebotene Reize unter-

suchte, ist davon auszugehen, dass Farbabstände innerhalb eines LED-Systems

kritischer zu bewerten sind.

Zur Klassifizierung der Farbunterschiede wird in [PROP13] eine Tabelle mit

Kategorien der Farbabweichung vorgeschlagen (vgl. Tabelle 3.6). Die Ergeb-

nisse der Abweichungen der Außenleuchten werden bei der Kategorisierung

nicht berücksichtigt. Es werden vier Kategorien vorgeschlagen, wobei nur die

ersten drei (3, 5 und 7) begrenzt sind. Bislang fehlt jedoch eine semantische

Interpretation der Kategorien.


55

Abbildung 3.11: Polare Darstellung der Farbabstandsverteilungskurve eines LED Light En-

gines, Bild aus [HERR13]

Tabelle 3.6: Vorschlag für Kategorien der Abweichung der Farbkoordinaten vom Mittel-

wert nach [PROP13]

Kategorien der Abwei-

chung

Abweichung der Farbkoordinaten vom Mittel-

wert

3 0,003

5 0,005

7 0,007

7+ > 0,007

An dieser Stelle sei daher kurz auf die Dissertation von BRÜCKNER [BRÜC14]

verwiesen. Er untersuchte Körperfarbenunterschiede bei 2.700 K und 4.500 K

in einer diffus weißen Zwei-Kammer-Box mit 8 farbnormalsichtigen Proban-

den. Als Referenz für die warmweiße Lichtfarbe diente eine Halogenglühlampe,

die Referenz für Kaltweiß war eine Halogen-Metalldampflampe. Als Testlampen

kamen weiße LED und RGB-LEDs sowie Leuchtstofflampen zum Einsatz.


56

Die Beleuchtungsstärke am Boxboden betrug 1.000 lx, die Umfeldleuchtdichte

330 cd/m2. BRÜCKNER verglich verschiedene Farbabstandsformeln und konnte

die höchste Korrelation zwischen den visuellen Antworten und den berechne-

ten Farbdifferenzen für den Farbabstand ∆u’v’ im CIE 1976 (u’, v’)-Diagramm

feststellen.

Aus einem weiteren Versuch zur semantischen Kategorisierung mit 46 Proban-

den konnte eine Intervallskala mit sieben Kategorien abgeleitet werden.

Abbildung 3.12: Vergleich von Farbdifferenzen ∆u’v’ (schwarz) und semantischen Katego-

rien (bunt) für verschiedene Farbtemperaturen, Bild aus [BRÜC14]

Die semantische Skalierung ist nicht gleichabständig. Für große Abstände zeigt

sich zudem eine Abhängigkeit der Bewertung von der Lichtfarbe. Bewertet

wurde hier die Güte der Übereinstimmung, nicht wie z. B. bei BIESKE der er-

kennbare Unterschied. Würde man die semantische Interpretation nach BRÜ-

CKNER auf die Kategorien aus Tabelle 3.6 anwenden, würden sich für die Güte

der Übereinstimmung Urteile von „gut“ (Kategorie 3), „mäßig“ (Kategorie 5),

„gering“ (Kategorie 7) und „schlecht“ (Kategorie 7+) ergeben.


57

3.2.1 Kritik an bisheriger Darstellung von Farbunterschieden

und Ableitung eigener Modelle

Im vorangegangen Kapitel wurde bereits diskutiert, weshalb sich eine Darstel-

lung der winkelabhängigen ähnlichsten Farbtemperatur zur Beschreibung von

Farbunterschieden nicht eignet.

Bei der dreidimensionalen kartesischen sowie der sphärischen Darstellung wird

die Rotation der C-Ebenen nicht vollständig beschrieben. Werden die Grafiken

an einem PC analysiert, lassen sich diese zwar um die jeweiligen Achsen drehen,

für eine Darstellung in einem technischen Datenblatt müssten jedoch mindes-

tens zwei Abbildungen (Ansicht von vorne und hinten) erstellt werden.

Auch die kartesischen und polaren Darstellungen des Farbabstands aus

[PROP13] und [HERR13] zeigen nur ausgewählte Ebenen. Weist die farbige

Abstrahlcharakteristik des Messobjekts jedoch keine Symmetrie auf, ließen sich

die Farbabstände nur durch die Darstellung sehr vieler Ebenen korrekt wieder-

geben. Die jeweiligen Diagramme würden dann sehr unübersichtlich werden.

Werden als Referenz für den Farbabstand die räumlich gemittelten Farbwerte

gewählt, lässt sich kein Bezugsfarbort feststellen. Wird als Referenz die Haupt-

ausstrahlrichtung gewählt, sollte diese im Polardiagramm gekennzeichnet sein,

vor allem für den Fall, dass die Hauptausstrahlrichtung nicht in Richtung der

Leuchtennormale zeigt. Um einen intuitiven Bezug sowie eine einheitliche No-

tation bezüglich der Lichtstärkeverteilung herzustellen, sollte die Leuchtennor-

male zudem mit 0° statt 180° gekennzeichnet sein.

Für lediglich in den unteren Halbraum abstrahlende Leuchten würde die Dar-

stellung eines im Winkelbereich auf diesen Halbraum reduzierten Polardia-

gramms ausreichen. Die relevanten Bereiche ließen sich dann übersichtlicher

abbilden.

Um sowohl die sphärischen Koordinaten als auch die Farbkoordinaten in ei-

nem zweidimensionalen Diagramm zu berücksichtigen, bietet sich an, die Ab-

weichungen der Farbkoordinaten anhand des Farbabstands darzustellen und

die zugehörige Winkeldistanz durch den sphärischen Abstand zweier Punkte A


58

und B auf einer Kugeloberfläche im Winkelmaß zu beschreiben. Der sphärische

Abstand entspricht dem Mittelpunkts- bzw. Zentriwinkel zwischen diesen

Punkten.

Der sphärische Abstand kann mit Hilfe des Seiten-Kosinussatzes berechnet

werden.

bababac cossinsincoscoscos (3.6)

Mit:

a sphärischer Abstand zwischen Pol C6 und Punkt B

b sphärischer Abstand zwischen Pol C und Punkt A

c sphärischer Abstand zwischen A und B

φa-b Winkel des sphärischen Dreiecks zwischen den Ebenen von A

und B

Für den sphärischen Abstand folgt:

))(cossinsincos(cosarccos abbabac (3.7)

Mit:

ϑa Winkel zwischen dem Radius Kreismittelpunkt–Pol sowie dem

Radius Kreismittelpunkt–Punkt B

ϑb Winkel zwischen dem Radius Kreismittelpunkt–Pol sowie dem

Radius Kreismittelpunkt–Punkt A

φa Winkel der Ebene durch den Punkt B

φb Winkel der Ebene durch den Punkt A

6 Im Kugelkoordinatensystem für Lichtstärkeverteilungen wird der Pol in Richtung der Leuchtennormale mit 0° bezeichnet (vgl. Abbildung 2.3). Aus dieser Notation leitet sich die Formel für den sphärischen Abstand direkt aus dem Seiten-Kosinus-

satz ab und entspricht z. B. nicht der Formel für Orthodrome (Luftlinien).


59

Der sphärische Abstand c kann sowohl im Bogenmaß als auch in Grad angege-

ben werden. Da bei der Beschreibung von Lichtstärkeverteilungen Azimut und

Elevation stets in Grad angegeben werden, wird für den sphärischen Abstand

dieses Maß empfohlen und der Eindeutigkeit halber der sphärische Abstand im

Weiteren mit μ bezeichnet.

Es gilt:

rc

1180

(3.8)

Abbildung 3.13: links: Sphärisches Dreieck ABC als Teil der Kugeloberfläche sowie sphäri-

scher Abstand c, rechts: sphärischer Abstand c bzw. μ zwischen den Punkten A und B

Der sphärische Abstand enthält zwar keine exakten Informationen über die

Koordinaten im Raum, stellt jedoch ein geeignetes Maß zur Bewertung der Dis-

tanz zwischen zwei Punkten dar (vgl. Beispiele in Tabelle 3.7). Werden räumli-

che Farbunterschiede beurteilt, interessiert vor allem deren Abstand zueinan-

der. Besonders kritisch werden große Farbunterschiede mit sehr kleinen sphä-

rischen Abständen gesehen.


60

Tabelle 3.7: Sphärischer Abstand μ für verschiedene Punkte A und B auf der Kugeloberflä-

che

Punkt A Punkt B Sphärischer

Abstand μ Azimut Elevation Azimut Elevation

0° 10° 0° 20° 10°

0° 10° 90° 10° 14,12°

0° 10° 90° 20° 22,27°

45° 0° 90° 0° 0°

45° 45° 90° 45° 31,40°

45° 90° 90° 90° 45°

Um der räumlichen Farbeinheitlichkeit eine Ortsinformation zuordnen zu kön-

nen, müssen die Raumkoordinaten der Bezugspunkte bekannt sein. Wie bereits

erwähnt, fehlt den räumlich gemittelten Farbkoordinaten jedoch ein reeller Be-

zugspunkt im Raum. Daher werden die Farbkoordinaten des Punktes maxima-

ler Lichtstärke als Referenz gewählt. Zur Ermittlung der winkelabhängigen

Farbabstände zu diesem Referenzwert werden gemäß [CIE15], [DIN13] und

[IES08] nur solche Messpunkte berücksichtigt, für die gilt, dass die Lichtstärke

im jeweiligen Punkt mindestens 10 % der Maximallichtstärke beträgt. Aus die-

sem Grund eignet sich die Leuchtennormale nicht als Referenzwert, da es

Lichtstärkeverteilungen gibt, für die die Bedingung in Richtung der Leuchten-

normale nicht erfüllt wird.

Modell 1 – Kennzahl:

Zur Angabe räumlicher Farbunterschiede anhand einer Kennzahl dient der

größte euklidische Abstand zwischen den gemessenen Farbwerten und dem Re-

ferenzfarbort bei maximaler Lichtstärke MAX(∆u’v’, Imax).

))''()''(()( 22

,'' maxmaxmax IiIiIvuvvuuMAXMAX (3.9)


61

Mit:

u’i, v‘i Farbkoordinaten des Messpunktes i

u’Imax, v’Imax Farbkoordinaten des Messpunktes mit maximaler Licht-

stärke

Diesem Abstand wird der sphärische Abstand μ beigeordnet. Er wird aus den

räumlichen Koordinaten des Referenzfarbortes sowie des Ortes mit maxima-

lem Farbabstand gemäß Gleichung 3.7 berechnet.

Modell 2 – grafische Darstellung:

Zur grafischen Darstellung räumlicher Farbunterschiede kann ein kartesisches

Diagramm verwendet werden, das die gemessenen Farbabstände ∆u’v’, Imax in Ab-

hängigkeit des sphärischen Abstands μ in einer repräsentativen Ebene (bei Sym-

metrie der farbigen Abstrahlcharakteristik) oder in allen C-Ebenen aufzeigt.

62

4 Untersuchungen zur winkelabhän-gigen Spektralverteilung

Zur Überprüfung der Anwendbarkeit und Aussagekraft der Kennzahlen und

Modelle zur winkelabhängigen Spektralverteilung werden im folgenden Kapitel

Untersuchungen an handelsüblichen LED-Leuchten präsentiert.

4.1 Untersuchungsgegenstand

Sichtbare Farbverläufe innerhalb von Leuchten oder auf Flächen, die durch

diese Leuchten beleuchtetet werden, wirken vor allem in der Innenraumbe-

leuchtung störend. Daher gelten z. B. die ANSI Binning-Kriterien ausschließ-

lich für diesen Anwendungsbereich, entsprechende Kriterien für die Außenbe-

leuchtung fehlen. Hinsichtlich sichtbarer Farbunterschiede werden Außen-

leuchten auch aufgrund der deutlich größeren Abstände zwischen Lichtquelle

und Beobachter bzw. Lichtquelle und Bewertungsfläche weniger kritisch beur-

teilt. Der Fokus bei der Entwicklung dieser Leuchten liegt primär auf der Ener-

gieeffizienz, die Lichtqualität im Sinne einer homogenen spektralen Verteilung

hat nur nachrangige Bedeutung.7

Die Untersuchungen zur winkelabhängigen Spektralverteilung beschränken

sich daher auf ausgewählte Innenraumleuchten für verschiedene Anwendungs-

zwecke. Zum einen werden technische Innenraumleuchten für Büro- und Ver-

kaufsräume untersucht. Der Fokus wurde hier auf Langfeldleuchten und quad-

ratische Leuchten für Raster- bzw. Kassettendecken gelegt. Zum anderen wer-

den Retrofit LEDs betrachtet. Diese sind durch Sockel gekennzeichnet, die für

konventionelle Lampentypen entworfen wurden. Sie können ohne weiteren

Aufwand als Ersatzprodukt verwendet werden. Ob es sich bei Retrofits um

7 Einen Überblick zu winkelabhängigen Farbunterschieden von neutralweißen LED-Außenleuchten gibt [BEVÖ13a].

Kapitel 4.2 Forschungsfragen und Hypothesen

63

Lampen oder Leuchten handelt, ist nicht eindeutig definiert. Wird von einer

integrierten Lampe gesprochen [DIN13], die das entsprechende Betriebsgerät

bereits enthält, kann eine Retrofit als Lampe definiert werden. Wird eine Lampe

jedoch als Lichtquelle aufgefasst, die zum Betrieb ein externes Vorschaltgerät

benötigt [DIN11a], fällt eine Retrofit nicht unter die Definition einer Lampe.

In dieser Arbeit werden Retrofits als LED-Leuchten aufgefasst, da sie alle zum

Betrieb nötigen Komponenten (elektrische, optische, mechanische und thermi-

sche) bereits enthalten.

4.2 Forschungsfragen und Hypothesen

Durch die Messungen an realen Leuchten, soll zum einen überprüft werden, ob

sich die gemessenen Farbunterschiede anhand des vorgeschlagenen Modells so-

wie der Kennzahlen eindeutig beschreiben lassen. Zum anderen soll die Güte

der räumlichen Farbhomogenität anhand der bisherigen Untersuchungen zu er-

kennbaren Farbunterschieden bewertet werden. Die zentralen Fragen lauten:

1. Wie kritisch sind reale LED-Leuchten hinsichtlich räumlicher Farbun-

terschiede zu bewerten?

2. Lassen sich die Farbunterschiede anhand des vorgeschlagenen Modells

bzw. der Kennzahlen eindeutig beschreiben?

Die folgenden Arbeitshypothesen wurden aus den gewonnenen Erkenntnissen

der Kapitel 2 und 3 abgeleitet und sollen anhand der nachfolgenden Messungen

verifiziert bzw. falsifiziert werden.

1. Form der Lichtstärkeverteilung

Bei Quasi-LAMBERTschen Lichtstärkeverteilungen besteht ein funktio-

naler Zusammenhang zwischen dem gemessenen Farbabstand und dem

zugehörigen sphärischen Abstand.

2. Einfluss optischer Komponenten zur Lichtlenkung

Bei mattierten Optiken treten im Vergleich zu klaren Optiken geringere

Farbabstände auf, da eine höhere Durchmischung stattfindet.

Kapitel 4. Untersuchungen zur winkelabhängigen Spektralverteilung

64

3. Wahl des Referenzfarbortes

Durch den Bezug zu räumlich gemittelten Farbkoordinaten, weist die

räumliche Farbeinheitlichkeit geringere Werte als der maximale Farbab-

stand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung MAX(∆u’v’, Imax) auf.

4.3 Messaufbau

Zur Messung der winkelabhängigen spektralen Verteilung wurde ein Drehspie-

gelgoniophotometer verwendet, das um einen spektralradiometrischen Emp-

fänger ergänzt wurde (vgl. Abbildung 4.1). Das Drehspiegelgoniophotometer

GO-DS 2000 des Herstellers LMT Lichtmesstechnik GmbH hat einen partial-

gefilterten temperierten Photometerkopf mit einem f1‘ Kennwert von 0,9 %.

Als Spektrometer wurde das Array-System CAS 140 CT des Herstellers Instru-

ment Systems GmbH mit gekühltem back-thinned CCD Sensor gewählt. Ge-

genüber frontal belichteten Sensoren weist dieser eine höhere Empfindlichkeit

im blauen Spektralbereich auf. Auf ein scannendes System wurde aufgrund der

hohen Integrationszeit (Messgeschwindigkeit im Quickscan-Mode von 200 nm

pro Sekunde) verzichtet.

Der Versuchsaufbau ist in Abbildung 4.1 dargestellt. Das Array-Spektrometer

befindet sich auf einem in longitudinaler Richtung verschiebbaren Wagen. Die-

ser ist über Führungsschlitten mit Laufrollen in ein an der Decke montiertes

Linearführungssystem (Stahlwellenführung) eingehängt. Das Spektrometer ist

über ein Lichtleiterkabel mit einer kosinusangepassten Einkoppeloptik EOP-

120 verbunden. Zur exakten Ausrichtung im Strahlengang ist die Optik auf ei-

nem XY-Positioniertisch montiert. Die mittlere Kosinusanpassung der Einkop-

peloptik ist aufgrund der geringen Einstrahlwinkel im Fernfeld für den

Messaufbau ausreichend. Eine sehr gute Kosinusanpassung würde mit einem

geringeren Lichtdurchsatz einhergehen. Dies wäre bei der Messung geringer

Bestrahlungsstärken unter kritischen Winkeln jedoch problematisch.

Kapitel 4.3 Messaufbau

65

Abbildung 4.1: Prinzipskizze des Drehspiegelgoniometers mit photometrischem und spekt-

ralradiometrischem Empfänger

Abbildung 4.2: Spektrometer mit Eingangsoptik und Streulichttubus

Spektro-meter

V(λ)


66

Vor der Einkoppeloptik des Spektrometers befinden sich ein Diffusor sowie

eine mit schwarzer Veloursfolie ausgekleidete Tubus-Box, die zur Reduktion

des Streulichts dient (vgl. Abbildung 4.2). Je nach Messabstand sind verschie-

dene Blenden unterschiedlicher Durchmesser einsetzbar. Die Einkoppeloptik

des Spektrometers befindet sich auf gleicher Höhe wie der integrale Empfänger

[BEVÖ12].

4.3.1 Kalibrierung

Der photometrische Empfänger des Drehspiegels wurde mit einer von der Phy-

sikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) kalibrierten Lichtstärke-Normal-

lampe des Typs WI41/G kalibriert. Die Verteilungstemperatur des Kalibriern-

ormals beträgt 2.856 K. Bei einer Nominalstromstärke von 5,83000 A ergibt

sich ein Lichtstärkewert von 267,9 cd mit einer erweiterten Messunsicherheit8

von 0,62 %. Der Reflexionsgrad des Spiegels sowie die Messentfernung werden

automatisch in die Kalibrierung mit einbezogen.

Das System wurde zudem mit einem Lichtstromnormal Typ Osram Nitraphot

BR 500 W kalibriert. Die erweiterte relative Messunsicherheit beträgt 1,7 %.

Die Ebenheit des Spiegels sowie Abweichungen im Reflexionsgrad wurden ge-

mäß [DIN04], Anhang C überprüft. Die Standardabweichung der Messwerte

betrug 0,97 % (< 1,5 %), wobei kein Messwert mehr als 5 % vom Mittelwert

abwich (maximal 3,04 %).

Das Spektralradiometer sowie die Einkoppeloptik wurden hinsichtlich der

spektralen Bestrahlungsstärke werksseitig geprüft. Dazu diente ein Arbeitsnor-

mal (250 W Halogenglühlampe HLX), welches auf ein PTB Bezugsnormal

rückführbar ist. Die erweiterte relative Messunsicherheit ist abhängig von der

Wellenlänge und beträgt im Bereich von 360 nm bis 400 nm 7 %, von 400 nm

bis 450 nm 4,5 % und von 450 nm bis 830 nm 3,5 %.

8 Die erweiterte relative Messunsicherheit ergibt sich durch Multiplikation mit dem Erweiterungsfaktor k = 2. Für eine

Normalverteilung liegt der Wert der Messgröße mit 95 % Wahrscheinlichkeit im zugeordneten Werteintervall.


67

Da beim Einsatz des Systems im Messaufbau der Drehspiegel mit berücksich-

tigt werden muss, wurde zur Anpassung der Kalibrierdaten im Labor eine auf

die spektrale Bestrahlungsstärke im Wellenlängenbereich von 250 nm bis

1.100 nm kalibrierte Quarzhalogenglühlampe Typ FEL-FE 1.000 W verwendet.

Die erweiterte relative Messunsicherheit der angegebenen spektralen Bestrah-

lungsstärkewerte ist abhängig von der Wellenlänge und beträgt im für das ver-

wendete Spektralradiometer relevanten Bereich von 360 nm bis < 400 nm 4 %,

von 400 nm bis < 800 nm 3 % und von 800 nm bis < 830 nm 4,5 %.

Die zur Aufnahme der Kalibrierlampe im Drehspiegel nötige Spezialmessfas-

sung wurde zwar konstruiert und bestellt, jedoch nicht mehr rechtzeitig wäh-

rend der Projektlaufzeit geliefert. Behelfsweise wurde daher der spektrale Re-

flexionsgrad des Spiegels separat bestimmt. Zur Einhaltung der photometri-

schen Grenzentfernung sind Messungen mit dem Drehspiegel-Goniophotome-

ter in zwei verschiedenen Messabständen möglich. Für beide Distanzen wird

derselbe Photometerkopf verwendet, in der zweiten Distanz wird zusätzlich

über einen Umlenkspiegel9 gemessen, dessen Eigenschaften durch ein optisches

Filter vor dem ersten Streulichttubus abgebildet werden. Der spektrale Trans-

missionsgrad dieses Filters entspricht daher der spektralen Reflexion des Spie-

gels (vgl. Abbildung 4.3).

Abbildung 4.3: Spektrale Reflexion des Spiegels im Bereich von 360 nm bis 830 nm

9 Der Umlenkspiegel sowie der Drehspiegel sind laut Hersteller aus dem gleichen Material gefertigt und entsprechen sich in ihren optischen Eigenschaften.


68

4.3.2 Voruntersuchungen

Die minimal mögliche Distanz der Eingangsoptik des Spektrometers zum

Messobjekt beträgt 6,87 m ± 0,001 m, der maximal mögliche Abstand beträgt

17,42 m ± 0,0012 m. Die Abstandsmessung erfolgte mit einem unter dem Emp-

fänger fest montierten Laserdistanzmessgerät Leica DISTO™ D3a BT. Bis zu

einer Entfernung von 10 m ist die Messunsicherheit des Gerätes mit einer zwei-

fachen Standardabweichung von 2σ = ± 0,001 m angegeben, für einen Bereich

zwischen 10 m und 30 m nimmt die Messunsicherheit mit ± 0,025 mm/m zu.

Zwischen diesen beiden Messentfernungen im Fernfeld weichen die gemesse-

nen winkelabhängigen Farbkoordinaten u‘ und v‘ (∆γ = 15°) einer rotations-

symmetrischen 8 W LED Retrofit maximal ± 0,001 voneinander ab. Für alle

weiteren Messungen der winkelabhängigen Spektralverteilung wurde ein fester

Messabstand von 6,87 m ± 0,001 m gewählt, um auch bei Messobjekten nied-

riger Leistung eine möglichst hohe Aussteuerung des Spektrometers sicher zu

stellen.

Der Durchmesser des photometrischen Empfängers beträgt 30 mm, der

Durchmesser der Einkoppeloptik beträgt 25,4 mm. Für einen Abstand zwi-

schen photometrischem Empfänger und Messobjekt von 17,667 m ergibt sich

ein Öffnungswinkel von ω = 0,1°. Für einen Abstand zwischen der Ein-

gangsoptik des Spektrometers und dem Messobjekt von 6,87 m ergibt sich ein

Öffnungswinkel von ω = 0,2°. Der Öffnungswinkel bestimmt die maximal

mögliche Winkelauflösung der beiden Empfänger im jeweiligen Abstand. Mit

dem Winkelgeber des Goniometers lässt sich eine minimale Schrittweite von

0,1° einstellen. Die Winkelschrittweite lag bei sämtlichen Messungen deutlich

über der jeweils möglichen Winkelauflösung.

LED-Lichtquellen benötigen eine gewisse Anlaufzeit bis zu einem thermisch

und photometrisch stabilen Zustand. Messungen dürfen erst nach Erreichen

dieses stabilen Zustands beginnen. Für elektrische und photometrische Daten

gilt die Bedingung, dass die Messwerte innerhalb der letzten 15 Minuten nicht

mehr als 0,5 % schwanken dürfen, wobei in jedem Fall eine mindestens 15-


69

minütige Aufwärmphase abgewartet werden muss. Ein thermisches Gleichge-

wicht ist erreicht, sofern sich die Temperatur für mindestens 15 Minuten in

einem Intervall von maximal ± 1° C bewegt [DIN13].

Zur Beurteilung des Anlaufverhaltens wurden die Temperatur am Messobjekt

sowie die Beleuchtungsstärke in Hauptausstrahlrichtung aufgezeichnet. Zur

Temperaturmessung wurde ein ALMEMO® Datenlogger mit NTC-Oberflä-

chenfühler (erweiterte Messunsicherheit mit k = 2 von 0,06 K) unter zusätzli-

cher Verwendung von Thermoleitpaste am Gehäuse des Messobjekts befestigt.

Abbildung 4.4 zeigt beispielhaft das Anlaufverhalten einer LED Retrofit bis

zum Erreichen des thermisch stabilen Zustands. Dieser ist laut dem Normungs-

kriterium im Beispiel nach 37 Minuten erreicht.

Die Beleuchtungsstärke wurde mit dem photometrischen Empfänger des

Drehspiegels gemessen. Die Messwerte sind in Abbildung 4.5 dargestellt. Ein

stabiler Zustand ist hier nach 40 Minuten erreicht.

Die elektrische Leistung schwankte über den gesamten Messzeitraum in einem

Bereich < 0,1 %. Ein stabiler Zustand wurde für die untersuchten Leuchten

nach maximal 60 Minuten erreicht.

Abbildung 4.4: Anlaufverhalten einer LED Retrofit bis zum thermisch stabilen Zustand


70

Abbildung 4.5: Anlaufverhalten einer LED Retrofit bis zum photometrisch stabilen Zu-

stand

4.3.3 Verfahren

Das Messverfahren zur Ermittlung der räumlichen Farbeinheitlichkeit ∆u’v’

wurde bereits in Kapitel 2.3.4 beschrieben. Zur Vergleichbarkeit der Kennzah-

len wurde der Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung MAX(∆u’v’, Imax)

unter denselben Bedingungen ermittelt. Die C-Ebenen wurden in einem Ab-

stand von 45° gemessen, der Höhenwinkel γ in Schritten von 10°. Je nach Ab-

strahlwinkel der Leuchten, wurde der gemessene Winkelbereich begrenzt. Für

die Auswertung wurden nur Messwerte berücksichtigt, bei denen die gemessene

Lichtstärke mindestens 10 % der Maximallichtstärke betrug.

Die Messbedingungen im Labor entsprachen den Norm-Prüfbedingungen für

lichttechnische Messungen.

4.4 Untersuchungsergebnisse

Die Untersuchungsergebnisse der Retrofit LED-Leuchten sowie der Innen-

raumleuchten werden in den folgenden beiden Unterkapiteln präsentiert.

Kapitel 4.4 Untersuchungsergebnisse

71

4.4.1 LED Retrofits

Eine selbst durchgeführte Marktanalyse von 120 zufällig ausgewählten LED

Retrofits E27 aus dem Jahr 2012 ergab, dass die Systeme ähnlichste Farbtem-

peraturen im Bereich von 2.700 K bis 6.500 K aufwiesen, wobei 90 der 120

Leuchten in einem Bereich von 2.700 K bis 4.000 K lagen. Zur Untersuchung

der winkelabhängigen Spektralverteilung wurden daher 15 LED Retrofits mit

ähnlichsten Farbtemperaturen zwischen 2.700 K und 4.000 K ausgewählt und

vermessen. Dabei handelte es sich ausschließlich um weiße Konversions-LEDs,

die Anzahl der rotationssymmetrisch eingesetzten LEDs variierte pro Retrofit

zwischen 4 und 80.

Bei vier der untersuchten Leuchten fielen die Hauptausstrahlrichtung und die

Leuchtennormale nicht zusammen. Für alle anderen Leuchten wurde die maxi-

male Lichtstärke in Richtung 0° (Nadir) gemessen, wobei zehn dieser Leuchten

Abbildung 4.6: Beispiele untersuchter LED Retrofits mit mattem und klarem Außenkolben


72

Abbildung 4.7: Beispielhafter Verlauf der LVK von LED Retrofits, links: Hauptausstrahl-

richtung entspricht Leuchtennormale (mattiert), rechts: Hauptausstrahlrichtung versetzt zur

Leuchtennormale (klar)

eine annähernd LAMBERTsche Abstrahlcharakteristik aufwiesen. Abbildung 4.7

zeigt beispielhaft die rotationssymmetrischen Lichtstärkeverteilungen der un-

tersuchten Leuchten.

Tabelle 4.1 fasst die Messergebnisse zusammen, beginnend mit dem Testobjekt,

welches den kleinsten Wert für die räumliche Farbeinheitlichkeit ∆u’v’ aufwies.

Ein Vergleich mit dem maximalen Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahl-

richtung MAX(∆u’v’, Imax) zeigt, dass die aufsteigende Tendenz der Abstandswerte

weitestgehend übereinstimmt und dass – wie erwartet – die Werte der räumli-

chen Farbeinheitlichkeit insgesamt kleiner sind.

Bezüglich der Lichtfarbe, der elektrischen Leistung sowie der Anzahl der ver-

bauten LEDs innerhalb der Leuchten lässt sich kein eindeutiger Zusammen-

hang aus den Ergebnissen ableiten. Die Art der Beschichtung des Kolbens hat

zwar keinen Einfluss auf die Höhe des maximalen Farbabstands, jedoch zeigen

sich bei den mattierten Leuchten eine insgesamt homogenere Lichtstärkevertei-

lung (vgl. Abbildung 4.7) sowie ein stärkerer Zusammenhang zum Verlauf des

winkelabhängigen Farbabstands (vgl. Abbildung C.2, Anhang C).

C0-C180C90-C270

C0-C180C90-C270 cd/klm cd/klm

180° 180°120° 40°

90° 30°

60°

30°

30°

10°

10°

20°

20°

30°

40°

60°

90°

120°0°

150° 150° 150° 150°

120° 120° 120° 120°

90° 90° 90° 90°

60° 60° 60° 60°

30° 30° 30° 30°

0°


73

Fallen Hauptausstrahlrichtung und Leuchtennormale zusammen, entspricht der

sphärische Abstand μ ca. dem halben Abstrahlwinkel, wurde die maximale

Lichtstärke nicht bei 0° gemessen, ist der sphärische Abstand kleiner (vgl. Ta-

belle 4.1).

Tabelle 4.1: Räumliche Farbeinheitlichkeit und Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahl-

richtung mit sphärischem Abstand für die untersuchten LED Retrofits

Nr. CCT Wattage Kolben γ Imax ∆u’v’ MAX(∆u’v’, Imax) μ

1 2.700 K 8 W matt 90° 0,0011 0,0012 80°

2 4.000 K 7,7 W matt 0° 0,0012 0,0020 120°

3 2.700 K 8 W matt 0° 0,0014 0,0027 120°

4 2.700 K 4,4 W klar 0° 0,0026 0,0043 80°

5 3.000 K 4 W matt 0° 0,0029 0,0043 120°

6 3.000 K 6 W matt 0° 0,0038 0,0042 100°

7 2.700 K 4,1 W klar 50° 0,0039 0,0038 50°

8 2.700 K 8,1 W klar 40° 0,0045 0,0052 70°

9 2.700 K 6 W matt 0° 0,0048 0,0062 120°

10 3.000 K 3 W klar 70° 0,0049 0,0085 71,25°

11 2.700 K 8,5 W matt 0° 0,0056 0,0052 110°

12 3.000 K 10 W matt 0° 0,0058 0,0075 120°

13 3.000 K 8 W matt 0° 0,0078 0,0077 120°

14 3.000 K 5,4 W matt 0° 0,0082 0,0098 120°

15 2.700 K 8,1 W matt 0° 0,0090 0,0133 120°


74

Für die gemessenen Testobjekte mit Quasi-LAMBERTscher Lichtstärkevertei-

lung lagen die Farbabstände für eine Winkelschrittweite von γ = 10° im Bereich

von maximal ± 2·10-4. Für davon abweichende Lichtstärkeverteilungen lagen

die Farbabstände im Bereich von maximal ± 4·10-4.

Abbildung 4.8: Beispielhafte Innenansichten der LED Retrofits mit rotationssymmetrischer

Anordnung der einzelnen LEDs

Da die farbige Abstrahlcharakteristik der LED Retrofits eine Rotationssymmet-

rie aufwies, wird im Folgenden nur eine beispielhafte C-Ebene pro Leuchte be-

trachtet.

Abbildung 4.9 zeigt den Verlauf des Farbabstands in Bezug zur Hauptausstrahl-

richtung für die C0-Ebene der LED Nr. 1 (best case), Abbildung 4.10 den Ver-

lauf für LED Nr. 15 (worst case). Die Farbabstände sind zunächst in Relation

zum Elevationswinkel dargestellt. Die Lichtstärkeverteilungskurven sowie die

winkelabhängigen Spektralverteilungen der Leuchten Nr. 1 und 15 sind bei-

spielhaft in Anhang B aufgeführt.


75

Abbildung 4.9: Winkelabhängiger Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung für

LED Retrofit Nr. 1, C0-Ebene

Abbildung 4.10: Winkelabhängiger Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung für

LED Retrofit Nr. 15, C0-Ebene

Der Schnittpunkt mit der Abszisse kennzeichnet den Ort der maximalen Licht-

stärke. Bei LED Nr. 1 liegt dieser Ort bei einem Elevationswinkel von 90° und


76

der sphärische Abstand μ beträgt 80°, bei LED Nr. 15 liegt die maximale Licht-

stärke bei 0° und der sphärische Abstand beträgt 120°. Der maximale Farbab-

stand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung tritt bei LED Nr. 1 bei γ = 10° auf,

bei LED Nr. 15 liegt dieser Ort bei γ = 120°. Für beide Beispiele ergibt sich ein

großer sphärischer Abstand, der größte Farbabstand innerhalb der Leuchten

liegt demnach nicht in dicht aneinandergrenzenden Bereichen.

Ob erkennbare Farbunterschiede in direkt aneinandergrenzenden Bereichen

vorliegen, lässt sich durch einen Vergleich der Daten mit dem Schwellenwert

JND aus Kapitel 3.1.2 beurteilen.

Abbildung 4.11: Vergleich der winkelabhängigen Farbabstände von LED Retrofit Nr. 1

und Nr. 15 mit Kennzeichnung der Erkennbarkeitsschwelle (JND)

Aus Abbildung 4.11 wird deutlich, dass die Abweichungen für LED Nr. 1 im

gesamten Messbereich unterhalb des Schwellenwertes liegen und respektive

nicht erkannt werden, unabhängig davon, ob dicht aneinander grenzende oder

weit voneinander entfernte Bereiche betrachtet werden. Für LED Nr. 15 gilt

dies im Bereich von ± 30°, darüber hinaus steigt der Farbabstand stetig an. Ab

einem Bereich von ± 70° liegen die Farbabstände zwischen Elevationswinkeln

von ∆γ = 10° bereits über dem Schwellenwert.


77

Abbildung 4.12: Farbabstand in Relation zum sphärischen Abstand für LED Nr. 1

Abbildung 4.13: Farbabstand in Relation zum sphärischen Abstand für LED Nr. 15

Abbildung 4.12 und Abbildung 4.13 zeigen die gemessenen Farbabstände in

Abhängigkeit der zugehörigen sphärischen Abstände. Auch durch diese Dar-

stellungsform lassen sich die bereits beschriebenen Zusammenhänge nachvoll-

ziehbar abbilden. Bei LED Nr. 1 wurden für verschiedene Farbstände gleiche

sphärische Abstände ermittelt, daher liegen einige Messpunkte übereinander.


78

Für alle untersuchten LED-Leuchten mit Quasi-LAMBERTscher Abstrahlcha-

rakteristik und maximaler Lichtstärke in Richtung der Leuchtennormale (alle

mattierten Leuchten außer LED Nr. 1), konnte ein ähnlicher Verlauf der win-

kelabhängigen Farbabstände festgestellt werden. Abbildung 4.14 zeigt die Mit-

telwerte und Standardabweichungen dieser zehn Leuchten für den unteren

Halbraum. Im Mittel lässt sich der Zusammenhang zwischen dem Abstrahlwin-

kel und dem Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung durch die mit-

tels Regression gefundene quadratische Gleichung

0002,0102104 627

,'' max

Ivu

(4.1)

beschreiben. Bezogen auf die berechneten Mittelwerte weist die Gleichung ein

Bestimmtheitsmaß von R2 = 0,99 auf.

Abbildung 4.14: Mittelwerte und Standardabweichungen der winkelabhängigen Farbab-

stände aller gemessenen LED Retrofits mit Quasi-LAMBERTscher Abstrahlcharakteristik


79

4.4.2 LED Innenraumleuchten

Aus dem Bereich der technischen Innenraumleuchten wurden 8 verschiedene

Leuchtentypen für Büro- und Verkaufsräume ausgewählt. Pro Leuchtentyp

wurde jeweils ein Testobjekt mit ähnlichster Farbtemperatur von 3.000 K (a)

und von 4.000 K (b) untersucht. Dabei handelte es sich zum einen um Lang-

feldleuchten für Systemdecken oder Pendelleuchten und zum anderen um

quadratische Leuchten für Raster- bzw. Kassettendecken (vgl. Abbildung 4.15).

Als Leuchtenabdeckung dienten sowohl klare Linsenoptiken als auch Diffuso-

ren aus Acrylglas. Einige Modelle wiesen keine Sekundäroptiken auf, die Licht-

lenkung wurde stattdessen durch die Primäroptiken der LEDs sowie Metallre-

flektoren bzw. Schatter realisiert. Die eingesetzten warm- oder neutralweißen

LEDs bzw. LED-Module basierten ausschließlich auf dem Prinzip der Leucht-

stoffkonversion.

Die Leuchten hatten entweder achsen- bzw. rotationssymmetrische sog. Bat-

wing-Lichtstärkeverteilungen mit maximaler Lichtstärke im Bereich von γ = 10°

bis γ = 40° oder die Leuchten wiesen rotationssymmetrische Lichtstärkevertei-

lungen mit maximaler Lichtstärke in Richtung γ = 0° auf. Laut Hersteller reich-

ten die Abstrahlwinkel von 60° bis 120°, wobei der gesamte untere Halbraum

gemessen wurde und für die Auswertung der Bereich bis zu 10 % der Maximal-

lichtstärke herangezogen wurde. Abbildung 4.16 zeigt beispielhaft die achsen-

und rotationssymmetrischen Lichtstärkeverteilungen der untersuchten Leuch-

ten.

Tabelle 4.2 fasst die Messergebnisse zusammen, die Sortierung erfolgte nach

aufsteigenden Werten der räumlichen Farbeinheitlichkeit ∆u’v’ für Leuchten mit

3.000 K. In Anhang D sind die winkelabhängigen Farbabstände sämtlicher In-

nenraumleuchten für zwei beispielhafte C-Ebenen sowie der Schwellenwert

JND gemäß [CIE14] abgebildet.

Für die meisten Leuchten liegen die Werte des maximalen Farbabstands in Be-

zug zur Hauptausstrahlrichtung MAX(∆u’v’, Imax) wie erwartet über den Werten

der räumlichen Farbeinheitlichkeit. Bei den Leuchten 6a und 6b widersprechen

sich die Ergebnisse (s. u.). Bei allen Leuchten außer Typ 8 liegen die Werte des


80

Farbabstands sowie der räumlichen Farbeinheitlichkeit für die Testobjekte mit

4.000 K über den Werten der Vergleichsleuchten mit 3.000 K. Hier wird ein

feineres Binning seitens der Hersteller für warmweiße Leuchten vermutet.

Abbildung 4.15: Beispiele untersuchter LED Innenraumleuchten, oben: quadratische

Leuchten (mattiert), Mitte und unten: Langfeldleuchten (klar)

Abbildung 4.16: Beispielhafter Verlauf der LVK von LED Innenraumleuchten, links: ach-

sensymmetrische Batwing-Lichtstärkeverteilung, rechts: rotationssymmetrische Lichtstärke-

verteilung mit Imax bei γ = 0°

C0-C180

C90-C270

C0-C180

C90-C270cd/klm cd/klm


81

Tabelle 4.2: Räumliche Farbeinheitlichkeit und Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahl-

richtung mit sphärischem Abstand für die untersuchten LED Innenraumleuchten

Nr. CCT Form/Symmetrie

LF: Langfeldleuchte Q: quadratische Leuchte AS: achsensymmetrisch RS: rotationssymmetrisch K: klar M: mattiert

γ Imax ∆u’v’ MAX(∆u’v’, Imax) μ

1a 3.000 K LF, RS, K 10° 0,0005 0,0008 43,36°

1b 4.000 K LF, RS, K 20° 0,0036 0,0038 20°

2a 3.000 K Q, RS, K 10° 0,0027 0,0026 10°

2b 4.000 K Q, RS, K 10° 0,0042 0,0044 10°

3a 3.000 K Q, RS, K 40° 0,0031 0,0048 40°

3b 4.000 K LF, RS, K 40° 0,0043 0,0065 40°

4a 3.000 K LF, AS, K 10° 0,0034 0,0046 43,36°

4b 4.000 K LF, AS, K 10° 0,0043 0,0058 43,36°

5a 3.000 K Q, RS, M 0° 0,0064 0,0114 50°

5b 4.000 K Q, RS, M 0° 0,0112 0,0196 50°

6a 3.000 K Q, AS, M 40° 0,0066 0,0014 20°

6b 4.000 K Q, AS, M 40° 0,0067 0,0018 54,07°

7a 3.000 K LF, RS, M 10° 0,0071 0,0099 50,73°

7b 4.000 K LF, RS, M 0° 0,0082 0,0099 50°

8a 3.000 K LF, AS, K 20° 0,0084 0,0096 37,88°

8b 4.000 K LF, AS, K 20° 0,0078 0,0088 37,88°


82

Die Art der Leuchtenabdeckung (diffus oder klar) scheint keinen Einfluss auf

die Höhe der räumlichen Farbeinheitlichkeit zu haben. Vergleich man hingegen

den maximalen Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung, zeigen sich

bei Typ 6 deutlich niedrigere Werte, die bei einer Leuchte mit LAMBERTscher

Abstrahlcharakteristik und diffuser Optik auch zu erwarten wären (vgl. Abbil-

dung 4.17). Durch die Gewichtung der mittleren Farbkoordinaten mit der Be-

leuchtungsstärke pro Raumwinkelelement (vgl. Kapitel 2.3.4), werden die Be-

zugsfarbkoordinaten bei der räumlichen Farbeinheitlichkeit verzerrt. Die sich

rechnerisch ergebenden mittleren Farbkoordinaten bei Leuchtentyp 6 liegen au-

ßerhalb des Bereichs der tatsächlich gemessenen Farbkoordinaten, deshalb er-

rechnet sich ein vergleichsweise hoher Wert für die räumliche Farbeinheitlich-

keit. Dieser suggeriert einen großen Farbabstand zum Bezugswert, obwohl die

tatsächlich gemessenen winkelabhängigen Farbabstände sehr gering sind und

beinahe alle unterhalb der Erkennbarkeitsschwelle liegen (vgl. Abbildung D.2,

Anhang D).

Wird als Vergleichsmaß sämtlicher Leuchten der maximale Farbabstand in Be-

zug zur Hauptausstrahlrichtung MAX(∆u’v’, Imax) gewählt, zeigen sich für die

Leuchten 1a, 2a, 6a und 6b die geringsten winkelabhängigen Farbunterschiede

und für die Leuchtentypen 5, 7 und 8 besonders kritische Farbabstände (vgl.

Tabelle 4.2).

Abbildung 4.17: Farbabstand in Relation zum sphärischen Abstand für LED 6a und 6b

Zieht man zusätzlich den sphärischen Abstand in Betracht, fällt bei Leuchte 2a

der geringe Winkelversatz zwischen minimalem und maximalem Farbabstand

zum Referenzort auf (vgl. Abbildung 4.18). Trotz des vergleichsweise niedrigen


83

Farbabstands wird durch den geringen sphärischen Abstand deutlich, dass der

maximale Farbabstand innerhalb der Leuchte in sehr nah aneinandergrenzen-

den Bereichen liegt.


Ebenso zeigt sich bei Leuchtentyp 8 (vgl. Abbildung 4.19) ein vergleichsweise

hoher Farbabstand, der jedoch erst in den Randbereichen des Abstrahlwinkels

(> ± 30°) auftritt, was durch den entsprechend größeren sphärischen Abstand

bestätigt wird.


Fallen Hauptausstrahlrichtung und Leuchtennormale zusammen, entspricht der

sphärische Abstand μ wie schon bei den LED Retrofits ca. dem halben Ab-

strahlwinkel. Für die überwiegende Zahl der gemessenen Innenraumleuchten

ergeben sich auch bei maximalen Lichtstärken in anderen Winkelbereichen ähn-

lich große sphärische Abstände.


84

Die Farbabstände für eine Winkelschrittweite von γ = 10° variieren stark von

Leuchte zu Leuchte und liegen im Bereich von maximal ± 9·10-4 bis maximal

± 1·10-2.

4.5 Diskussion

Die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Kennzahlen sowie des Modells zur

Darstellung winkelabhängiger Farbunterschiede wurde anhand realer LED-

Leuchten überprüft. Zudem wurde untersucht, ob große Farbunterschiede in

aneinander grenzenden Bereichen innerhalb der Leuchten auftraten und daher

besonders kritisch zu beurteilen sind.

Die Wahl des maximalen Farbabstands in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung ist

darin begründet, dass im Vergleich zur räumlichen Farbeinheitlichkeit ein realer

Referenzfarbort mit entsprechenden sphärischen Koordinaten gegeben ist. Die

zusätzliche Angabe des sphärischen Abstands ermöglicht eine Zuordnung des

maximalen Farbabstands im Raum. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass

beide Größen in einem zweidimensionalen kartesischen Diagramm gegeneinan-

der abgetragen werden können, was eine einfache grafische Darstellung in ei-

nem technischen Datenblatt bedeutet.

Weist die räumliche spektrale Verteilung eine Rotationssymmetrie auf, können

die gemessenen Werte einer beliebigen Ebene repräsentativ dargestellt werden.

Ebenso können aber auch sämtliche Messwerte verschiedenster Ebenen abge-

bildet werden. Räumliche Farbunterschiede können anhand des Modells leicht

nachvollzogen werden.

Bezüglich der Arbeitshypothesen lassen sich folgende Ergebnisse festhalten:

1. Form der Lichtstärkeverteilung

Bei Quasi-LAMBERTschen Lichtstärkeverteilungen besteht ein funktio-

naler Zusammenhang zwischen dem gemessenen Farbabstand und dem

zugehörigen sphärischen Abstand.

Kapitel 4.5 Diskussion

85

Für die LED-Leuchten mit annähernd LAMBERTscher Abstrahlcharakteristik

und maximaler Lichtstärke in Richtung der Leuchtennormale wurde ein ähnli-

cher Verlauf der winkelabhängigen Farbabstände festgestellt. Der Zusammen-

hang zwischen dem Abstrahlwinkel und dem Farbabstand in Bezug zur Haupt-

ausstrahlrichtung konnte durch eine quadratische Gleichung beschrieben wer-

den. Die These kann für Quasi-LAMBERTsche Lichtstärkeverteilungen mit ma-

ximaler Lichtstärke in Richtung der Leuchtennormale folglich bestätigt werden.

2. Einfluss optischer Komponenten zur Lichtlenkung

Bei mattierten Optiken treten im Vergleich zu klaren Optiken geringere

Farbabstände auf, da eine höhere Durchmischung stattfindet.

Bei den LED Retrofit zeigte sich, dass sichtbare Farbunterschiede bei mattier-

ten Leuchten erst im Bereich größerer sphärischer Abstände (≥ 50°) auftraten.

Kritischer zu beurteilen sind hingegen die gemessenen Farbabstände der

Leuchten mit klarer Optik. Diese wiesen bereits sichtbare Unterschiede im Be-

reich kleinerer sphärischer Abstände auf. Bei den untersuchten Innenraum-

leuchten für Büro- und Verkaufsräume konnte ein vergleichbarer Einfluss der

Sekundäroptiken nicht eindeutig festgestellt werden, jedoch zeigten sich auch

hier die geringsten winkelabhängigen Farbunterschiede für eine Leuchte mit

Quasi-LAMBERTscher Abstrahlcharakteristik und diffuser Optik.

Hinsichtlich der These lässt sich für die untersuchten Leuchtenarten festhalten,

dass Leuchten mit diffuser Optiken nicht per se geringere Farbabstände auf-

weisen, sichtbare Unterschiede jedoch erst zwischen größeren sphärischen Ab-

ständen auftreten.

3. Wahl des Referenzfarbortes

Durch den Bezug zu räumlich gemittelten Farbkoordinaten, weist die

räumliche Farbeinheitlichkeit geringere Werte als der maximale Farbab-

stand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung MAX(∆u’v’, Imax) auf.

Ein Vergleich der gemessenen räumlichen Farbeinheitlichkeit mit dem maxi-

malen Farbabstand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung zeigte grundsätzlich

niedrigere Werte für die räumliche Farbeinheitlichkeit. Der tatsächliche maxi-

male Farbabstand innerhalb der Leuchte wird durch diese Kennzahl folglich


86

unterbewertet. Durch die Wahl gemittelter Farbkoordinaten als Referenzpunkt

ergibt sich darüber hinaus das Problem, dass durch die Gewichtung der mittle-

ren Farbkoordinaten mit der Beleuchtungsstärke pro Raumwinkelelement die

Bezugsfarbkoordinaten bei der räumlichen Farbeinheitlichkeit verzerrt werden

können. Werden stattdessen die Farbkoordinaten des Punktes maximaler Licht-

stärke als Referenz gewählt, entspricht der resultierende Kennwert dem tatsäch-

lich gemessenen Farbabstand.

Trotz der erläuterten Vorteile des vorgeschlagenen Modells, können nicht

sämtliche Zusammenhänge wiedergegeben werden. Bezüglich der Farbunter-

schiede kann im Zusammenhang mit dem sphärischen Abstand zwar nachvoll-

zogen werden, ob es sich um nah beieinander oder weit voneinander entfernt

liegende Bereiche innerhalb der Leuchte handelt, eindeutige Ortskoordinaten

werden jedoch nicht abgebildet. Zur Bewertung von Farbunterschieden sind

diese nicht zwingend erforderlich, für die Abbildung der winkelabhängigen

Spektralverteilung im Sinne einer Lichtstärkeverteilung wären diese jedoch not-

wendig.

Eine Aussage über die Richtung der Farbverschiebung (entlang des PLANCK-

schen Kurvenzuges oder entlang der JUDDschen Geraden) kann anhand des

Modells nicht getroffen werden. Bezüglich der Bewertung erkennbarer Farbun-

terschiede scheint diese Information jedoch weniger relevant. In den Arbeiten

von MACADAM und KRAMER liegen die Unterschiede zwischen den Ellipsen-

halbachsen a und b eine Größenordnung unterhalb der Erkennbarkeitsschwelle

(vgl. Kapitel 3.1). Auch BIESKE geht aufgrund ihrer Ergebnisse davon aus, dass

die Variationsrichtung keinen Einfluss auf die Bewertung der Lichtfarbenun-

terschiede hat [BIES10].

87

5 Zusammenfassung und Ausblick

5.1 Zusammenfassung und Ausblick

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Verfahren zur Messung der winkelabhän-

gigen spektralen Verteilung von LED-Leuchten mittels marktüblicher Retrofit-

und Innenraumleuchten getestet und ein geeignetes Darstellungsmodell sowie

beschreibende Kennzahlen für die gemessenen Farbunterschiede abgeleitet.

Es wurden Schwellen- und Toleranzwerte für erkennbare Farbunterschiede bis-

heriger Forschungsarbeiten zusammengefasst und mit den Schwellenwerten

der aktuellen Normung für LED-Leuchten verglichen. Daraus wurden anwen-

dungsspezifische Schwellenwerte für den Untersuchungsgegenstand dieser Ar-

beit abgeleitet.

Die Anwendbarkeit der vorgeschlagenen Kennzahlen sowie des Modells zur

Darstellung winkelabhängiger Farbunterschiede wurde anhand realer LED-

Leuchten überprüft. Dazu wurde ein Drehspiegel-Goniophotometer um einen

spektralradiometrischen Empfänger ergänzt. Durch den gewählten Messab-

stand zwischen Testobjekt und Spektralradiometer konnte das spektrale Ver-

halten der Leuchten im Fernfeld abgebildet werden. Die Farbverläufe auf be-

leuchteten Flächen in der realen Anwendung lassen sich dadurch nachvollzie-

hen.

Die Vorteile und Grenzen des Modells sowie der Kennzahlen wurden aufge-

zeigt und mit der räumlichen Farbeinheitlichkeit sowie bisherigen Modellen

verglichen. Eine Anwendung der vorgeschlagenen Kennzahlen zur Bewertung

der Homogenität der Farbverteilung in der aktuellen bzw. zukünftigen Nor-

mung wäre denkbar. Zur Hilfestellung für Planer und Anwender sollte das vor-

geschlagene Modell zur Darstellung winkelabhängiger Farbunterschiede Be-

standteil des technischen Datenblatts von LED-Leuchten werden.

Kapitel 5. Zusammenfassung und Ausblick

88

5.2 Offene Fragen

In dieser Arbeit wurden Retrofit LED sowie Innenraumleuchten für Büro- und

Verkaufsräume untersucht. Für annähernd LAMBERTsche Lichtstärkeverteilun-

gen mit maximaler Lichtstärke in Richtung der Leuchtennormale wurde ein

funktionaler Zusammenhang zwischen dem gemessenen Farbabstand und dem

zugehörigen sphärischen Abstand gefunden. Bei Leuchten mit diffuser Optik

traten sichtbare Unterschiede erst zwischen größeren sphärischen Abständen

auf. Diese Erkenntnisse gelten jedoch nur für die untersuchten Leuchtenarten.

Zur Ableitung und Bestätigung allgemeingültiger Thesen wären weitere Unter-

suchungen mit Leuchten für verschiedenste Applikationen notwendig.

Der Einfluss der Leuchtdichte auf die Detektionsempfindlichkeit wurde in Ka-

pitel 3.1.3 diskutiert. Ob eine geringere Empfindlichkeit für Farbunterschiede

im Bereich hoher Leuchtdichten tatsächlich auf Blendungseffekten beruht,

sollte in weiteren Versuchen mit Leuchten entsprechend hoher Leuchtdichten

untersucht werden.

In der Arbeit von POLSTER zeigte sich ein Einfluss der Beobachterfeldgröße

auf die Detektionsempfindlichkeit von Farbunterschieden. Da leuchtende Flä-

chen sowie beleuchtete Flächen im Raum für gewöhnlich in einem größeren

Gesichtsfeld als 2° wahrgenommen und bewertet werden, sollten Farbunter-

schiede gegebenenfalls mit angepassten Spektralwertfunktionen berechnet wer-

den. Die Schwellen- und Toleranzwerte sollten entsprechend angepasst werden.

Die Intervallskala zur semantischen Kategorisierung von BRÜCKNER gilt trotz

Angabe der Farbunterschiede ∆u’v’ im CIE 1976 (u’, v’)-Diagramm nur für

simultan dargebotene Farbunterschiede von Körperfarben und kann daher

nicht ohne weiteres für Lichtfarbenunterschiede herangezogen werden. Eine

differenzierte semantische Skalierung von Lichtfarbenunterschieden in ähnli-

cher Form sollte daher Inhalt zukünftiger Forschung sein.

Beim Vergleich der Schwellenwerte bisheriger Arbeiten zu Farbunterschieden

zeigte sich, dass bei den Versuchen mit Testzeichen im Vergleich zu den Ver-

suchen mit realen Leuchten die ermittelten Schwellenwerte niedriger lagen und

Kapitel 5.2 Offene Fragen

89

die Toleranzwerte je nach Versuchsdesign stark schwankten. Eine erste Unter-

suchungen an realen LED-Leuchten in einem realen Umfeld lieferte noch keine

eindeutigen Erkenntnisse bezüglich der Schwellen- und Toleranzwerte (vgl.

[BIHO14]). Im Hinblick auf ein anwendungsspezifisches Bewertungsmodell in-

klusive semantischer Interpretation der jeweiligen Kategorien herrscht noch

weiterer Forschungsbedarf.

90

Anhang

A. Vergleich der Berechnungsverfahren zur räumli-

chen Farbeinheitlichkeit (Angular Colour Unifor-

mity)

Berechnung nach IES LM-79-08 siehe Kapitel 2.3.4

Berechnung nach CIE S 025/E:2015:

1. Messung der winkelabhängigen Strahlungsfunktion Sλ(ϑ,φ) (relative

spektrale Verteilung) und Berechnung der winkelabhängigen Farbwerte

X(ϑ,φ), Y(ϑ,φ) und Z(ϑ,φ):

dxSX )(),(),( (A.1)

(Y(ϑ,φ) und Z(ϑ,φ) analog)

2. Berechnung der räumlich integrierten Farbwerte X, Y und Z aus den win-

kelabhängigen Farbwerten durch Integration über den Raumwinkel:

2

0 0

sin),( ddXX (A.2)

Anhang A

91

(Y und Z analog)

3. Berechnung der gemittelten Farbkoordinaten u’a und v’a gemäß:

ZYX

Xu a

315

4'

(A.3)

ZYX

Yv a

315

9'

(A.4)

Tabelle A.1 fasst die gemäß beider Verfahren berechneten gemittelten Farbko-

ordinaten beispielhafter LED-Innenraumleuchten zusammen. Die Ergebnisse

stimmen in guter Näherung überein. Das Verfahren der LM-79-08 ist eine Ap-

proximation, streng genommen gilt das Berechnungsverfahren nach CIE

S 025/E:2015.

Tabelle A.1: Spektrale Verteilung von LED Nr. 1 für verschiedene Elevationswinkel

Beispielleuchten ua‘ va‘

Leuchte 1: Homogenes Beispiel

LM-79-08 0,2619 0,5236

CIE S 025/E:2015 0,2617 0,5235

Differenz 0,0002 0,0001

Leuchte 2: Inhomogenes Beispiel

LM-79-08 0,2462 0,5201

CIE S 025/E:2015 0,2458 0,5194

Differenz 0,0004 0,0007

Anhang

92

B. LVK und Spektralverteilung von LED Retrofits in

Abhängigkeit des Elevationswinkels

Abbildung B.1: Spektrale Verteilung von LED Nr. 1 für verschiedene Elevationswinkel

Anhang B

93

Abbildung B.2: Spektrale Verteilung von LED Nr. 15 für verschiedene Elevationswinkel

Anhang

94

Abbildung B.3: Lichtstärkeverteilungskurven, links: LED Nr. 1, rechts: LED Nr. 15

Anhang C

95

C. Winkelabhängiger Farbabstand sämtlicher Retrofit

LED-Leuchten

Abbildung C.1: Winkelabhängiger Farbabstand für klare LED Retrofit Nr. 4, 7, 8 und 10

sowie für mattierte LED Retrofit Nr. 1

Anhang

96

Abbildung C.2: Winkelabhängiger Farbabstand für mattierte LED Retrofit mit maximaler

Lichtstärke in Richtung der Leuchtennormale

Anhang D

97

D. Winkelabhängiger Farbabstand sämtlicher LED In-

nenraumleuchten

Abbildung D.1: Winkelabhängiger Farbabstand für LED Innenraumleuchten Nr. 1a bis 4b

Anhang

98

Abbildung D.2: Winkelabhängiger Farbabstand für LED Innenraumleuchten Nr. 5a bis 8b

99

Abbildungsverzeichnis

Abbildung 1.1: Vergleich der winkelabhängigen ähnlichsten Farbtemperatur

von Glühlampe und LED Retrofit .......................................................... 2

Abbildung 2.1: Typische Spektren weißer Konversions-LEDs .......................... 5

Abbildung 2.2: Bauformen von LEDs und Methoden der

Leuchtstoffbeschichtung, a) SMD-Bauweise mit chipnahem

Coating, b) COB-Bauweise mit Remote Phosphor,

c) ungleichmäßige chipnahe Beschichtung, d) gleichmäßige

chipnahe Beschichtung, e) Remote Phosphor Beschichtung,

Abb. c) bis e) angelehnt an [KWKW13] ................................................. 7

Abbildung 2.3: links: Kugelkoordinatensystem für Lichtstärkeverteilungen,

rechts: Lichtstärkeverteilungskörper einer rotationssymmetrischen

LED Lichtquelle ......................................................................................... 9

Abbildung 2.4: Polardiagramm ............................................................................. 10

Abbildung 2.5: C-Ebenensystem nach DIN EN 13032-1[DIN04] ................. 11

Abbildung 2.6: normierte V(λ)-Kurve und real angepasste srel(λ) -Kurve

eines Photometers mit Partialfilter; links: linear skaliert, rechts:

logarithmisch skaliert ............................................................................... 15

Abbildung 2.7: Prinzipskizze eines Array-Spektrometers .................................. 18

Abbildung 2.8: CIE 1931 (x, y)-Diagramm (Normfarbtafel) mit MACADAM-

Ellipsen (10-fach vergrößert) und PLANCKschem Kurvenzug (rot

eingezeichnet), Bild aus [CIE14] ............................................................ 23

Abbildung 2.9: CIE 1976 (u’, v’)-Diagramm (UCS-Farbtafel) mit

transformierten Ellipsen (10-fach vergrößert) und PLANCKschem

Kurvenzug, Bild aus [CIE14] .................................................................. 23


100

Abbildung 2.10: ANSI-Binning für SSL-Produkte, Bild aus [ANSI11] ........... 26

Abbildung 2.11: 5-stufige MACADAM-Ellipsen für Nominal-

Farbtemperaturen gemäß DIN EN 60081 [DIN14b] und u’v’-

Kreise mit Radius r = 0,0055, Bild aus [CIE14] ................................... 28

Abbildung 2.12: Messverfahren nach IES-LM 79, Bild aus [IES08] ................ 31

Abbildung 3.1: Ellipsen gleicher Wahrnehmung nach Judd, Bild aus

[JUDD36] .................................................................................................. 32

Abbildung 3.2: Linien gleicher Wahrnehmung nach Wright, Bild aus

[WRIG41] .................................................................................................. 33

Abbildung 3.3: MACADAM-Ellipsen (10-fach vergrößert), Bild aus

[MACA42] ................................................................................................. 34

Abbildung 3.4: Schwellen- und Toleranzwerte in Abhängigkeit der

ähnlichsten Farbtemperatur bei sprunghaften Änderungen der

Lichtfarbe, Bild aus [BIES10] ................................................................. 36

Abbildung 3.5: MACADAM Ellipsen (gestrichelt), Ellipsen von KRAMER

(durchgezogen) und ANSI-Binning im Vergleich, Bild aus

[KRAM14] ................................................................................................. 39

Abbildung 3.6: CIE (u’, v’)-Diagramm mit Ellipsen für genormte

Farbkoordinaten nach DIN EN 60081 bei 4.000 K ............................ 46

Abbildung 3.7: Dreidimensionale kartesische Darstellung von Farbdrifts

verschiedener LED-Module, links: nahezu keine Änderung über

den Rotationswinkel φ, rechts: Änderung der CCT über beide

Beobachtungswinkel, Bild aus [LLV+10]] ............................................ 51

Abbildung 3.8: Polare Darstellung der ähnlichsten Farbtemperatur in

Abhängigkeit der Messwinkel, Bild aus [KSN+09] ............................. 52

Abbildung 3.9: Sphärische Darstellung der winkelabhängigen ähnlichsten

Farbtemperatur, Bild aus [BLAT12] ...................................................... 52


101

Abbildung 3.10: Kartesische Darstellung des Farbabstands, links:

rotationssymmetrisches LED-Modul für die

Innenraumbeleuchtung, rechts: achsensymmetrisches LED-Modul

für die Außenbeleuchtung, Bild in Anlehnung an [PROP13] ............ 54

Abbildung 3.11: Polare Darstellung der Farbabstandsverteilungskurve eines

LED Light Engines, Bild aus [HERR13] .............................................. 55

Abbildung 3.12: Vergleich von Farbdifferenzen ∆u’v’ (schwarz) und

semantischen Kategorien (bunt) für verschiedene

Farbtemperaturen, Bild aus [BRÜC14] ................................................. 56

Abbildung 3.13: links: Sphärisches Dreieck ABC als Teil der

Kugeloberfläche sowie sphärischer Abstand c, rechts: sphärischer

Abstand c bzw. μ zwischen den Punkten A und B .............................. 59

Abbildung 4.1: Prinzipskizze des Drehspiegelgoniometers mit

photometrischem und spektralradiometrischem Empfänger ............. 65

Abbildung 4.2: Spektrometer mit Eingangsoptik und Streulichttubus ............ 65

Abbildung 4.3: Spektrale Reflexion des Spiegels im Bereich von 360 nm bis

830 nm ....................................................................................................... 67

Abbildung 4.4: Anlaufverhalten einer LED Retrofit bis zum thermisch

stabilen Zustand ....................................................................................... 69

Abbildung 4.5: Anlaufverhalten einer LED Retrofit bis zum photometrisch

stabilen Zustand ....................................................................................... 70

Abbildung 4.6: Beispiele untersuchter LED Retrofits mit mattem und

klarem Außenkolben ................................................................................ 71

Abbildung 4.7: Beispielhafter Verlauf der LVK von LED Retrofits, links:

Hauptausstrahlrichtung entspricht Leuchtennormale (mattiert),

rechts: Hauptausstrahlrichtung versetzt zur Leuchtennormale (klar) 72

Abbildung 4.8: Beispielhafte Innenansichten der LED Retrofits mit

rotationssymmetrischer Anordnung der einzelnen LEDs .................. 74


102

Abbildung 4.9: Winkelabhängiger Farbabstand in Bezug zur

Hauptausstrahlrichtung für LED Retrofit Nr. 1, C0-Ebene .............. 75

Abbildung 4.10: Winkelabhängiger Farbabstand in Bezug zur

Hauptausstrahlrichtung für LED Retrofit Nr. 15, C0-Ebene ............ 75

Abbildung 4.11: Vergleich der winkelabhängigen Farbabstände von LED

Retrofit Nr. 1 und Nr. 15 mit Kennzeichnung der

Erkennbarkeitsschwelle (JND) ............................................................... 76

Abbildung 4.12: Farbabstand in Relation zum sphärischen Abstand für

LED Nr. 1 ................................................................................................. 77


LED Nr. 15 ............................................................................................... 77

Abbildung 4.14: Mittelwerte und Standardabweichungen der

winkelabhängigen Farbabstände aller gemessenen LED Retrofits

mit Quasi-LAMBERTscher Abstrahlcharakteristik ................................. 78

Abbildung 4.15: Beispiele untersuchter LED Innenraumleuchten, oben:

quadratische Leuchten (mattiert), Mitte und unten:

Langfeldleuchten (klar) ............................................................................ 80

Abbildung 4.16: Beispielhafter Verlauf der LVK von LED

Innenraumleuchten, links: achsensymmetrische Batwing-

Lichtstärkeverteilung, rechts: rotationssymmetrische

Lichtstärkeverteilung mit Imax bei γ = 0° ............................................... 80


LED 6a und 6b ......................................................................................... 82


LED 2a und 2b ......................................................................................... 83


LED 8a und 8b ......................................................................................... 83


103

Abbildung B.1: Spektrale Verteilung von LED Nr. 1 für verschiedene

Elevationswinkel ....................................................................................... 92

Abbildung B.2: Spektrale Verteilung von LED Nr. 15 für verschiedene


Abbildung B.3: Lichtstärkeverteilungskurven, links: LED Nr. 1, rechts:

LED Nr. 15 ............................................................................................... 94

Abbildung C.1: Winkelabhängiger Farbabstand für klare LED Retrofit Nr.

4, 7, 8 und 10 sowie für mattierte LED Retrofit Nr. 1 ........................ 95

Abbildung C.2: Winkelabhängiger Farbabstand für mattierte LED Retrofit

mit maximaler Lichtstärke in Richtung der Leuchtennormale ........... 96

Abbildung D.1: Winkelabhängiger Farbabstand für LED

Innenraumleuchten Nr. 1a bis 4b .......................................................... 97

Abbildung D.2: Winkelabhängiger Farbabstand für LED

Innenraumleuchten Nr. 5a bis 8b .......................................................... 98

104

Tabellenverzeichnis

Tabelle 2.1: Gonioradiometertypen und Beispiele ............................................. 13

Tabelle 3.1: Zusammenfassung der ermittelten Schwellen- und

Toleranzwerte bisheriger Arbeiten zu wahrnehmbaren

Farbunterschieden im Bereich weißer Farbörter .................................. 41

Tabelle 3.2: Werte für MACADAM-Ellipsen nahe des PLANCKschen

Kurvenzuges und berechnete CCT ........................................................ 42

Tabelle 3.3: Aus MACADAM-Ellipsen berechnete transformierte Ellipsen in

u’v’ und mittlere Radien flächengleicher Kreise rM ............................. 43

Tabelle 3.4: Zusammenfassung der ermittelten Schwellen- und

Toleranzwerte aus der aktuellen Normung im Vergleich zu den

Werten von MACADAM ........................................................................... 45

Tabelle 3.5: Schwellen- und Toleranzwerte aus der aktuellen Normung für

ähnlichste Farbtemperaturen von 2.700 K, 3.000 K und 4.000 K ..... 47

Tabelle 3.6: Vorschlag für Kategorien der Abweichung der

Farbkoordinaten vom Mittelwert nach [PROP13]............................... 55

Tabelle 3.7: Sphärischer Abstand μ für verschiedene Punkte A und B auf

der Kugeloberfläche ................................................................................. 60

Tabelle 4.1: Räumliche Farbeinheitlichkeit und Farbabstand in Bezug zur

Hauptausstrahlrichtung mit sphärischem Abstand für die

untersuchten LED Retrofits ................................................................... 73

Tabelle 4.2: Räumliche Farbeinheitlichkeit und Farbabstand in Bezug zur

Hauptausstrahlrichtung mit sphärischem Abstand für die

untersuchten LED Innenraumleuchten ................................................ 81

Tabellenverzeichnis

105

Tabelle A.1: Spektrale Verteilung von LED Nr. 1 für verschiedene


106

Abkürzungen und Symbole

Abkürzung Definition

AlInGaN Aluminiumindiumgalliumnitrid

AlInGaP Aluminiumgalliumindiumphosphid

ANSI American National Standards Institute

AS achsensymmetrisch

CCD Charge-coupled Device

CCT ähnlichste Farbtemperatur, engl. Correlated Colour

Temperature

CIE Commission Internationale de l'Eclairage

CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor

COB Chip on Board

DIN Deutsches Institut für Normung

EN Europäische Norm

GaN Galliumnitrid

IES Illuminating Engineering Society

InGaN Indiumgalliumnitrid

JND Schwellenwert für wahrnehmbare Unterschiede, engl.

Just Noticable Difference

JTD gerade noch tolerierbarer Farbunterschied, engl. Just

Tolerable Difference

K klar

LED Leuchtdiode, engl. Light Emitting Diode

LF Langfeldleuchte


107

LVK Lichtstärkeverteilungskurve

M mattiert

PC Polycarbonat

PMMA Polymethylmethacrylat

PTB Physikalisch-Technische Bundesanstalt

Q Quadratische Leuchte

RGB Rot Grün Blau

RS Rotationssymmetrisch

SDCM Standardabweichung vom nominalen Farbort, engl.

Standard Deviation of Color Matching

SMCF Spectral Mismatch Correction Factor

SMD Surface Mounted Device

SSL Solid State Lighting

TN Technical Note

UCS Uniform Chromaticity Scale

UNILED Akronym zum Verbundprojekt zur Erfassung und

und Beseitigung von Innovationshemmnissen beim

Solid State Lighting

UV Ultraviolett

Symbol Definition

a(Z) Aktinität der Lichtart Z

a, b große und kleine Ellipsenhalbachse

a, c parallele Grundseiten des Trapezes

a, b, c sphärische Abstände zwischen den Punkten A, B und

C des sphärischen Dreiecks

A Fläche (mit Indizes K: Kreis, E: Ellipse, T: Trapez)


108

cd Candela, Einheit der Lichtstärke

c sphärischer Abstand im Bogenmaß

γ Höhenwinkel, auch vertikaler Winkel

∆u’v’ Farbabstand in der Ebene (UCS-Farbtafel)

∆E*uv Farbabstand im Raum (CIELUV Farbenraum)

∆u’v’ räumliche Farbeinheitlichkeit

Duv / ∆C Zuordnungsabstand

E Beleuchtungsstärke

fL Foot-Lambert

h Höhe (des Trapezes)

I Lichtstärke

K Kelvin, Einheit der ähnlichsten Farbtemperatur CCT

L Leuchtdichte

L* Helligkeit als Attribut der Farbe

λ Wellenlänge

lm Lumen, Einheit des Lichtstroms

lx Lux, Einheit der Beleuchtungsstärke

m2 Quadratmeter, Einheit der Fläche

mL Millilambert

μ sphärischer Abstand in Grad

MAX(∆u’v’, Imax) Maximaler euklidischer Abstand zwischen gemesse-

nen Farbwerten und Referenzfarbort bei maximaler

Lichtstärke

nm Nanometer, Einheit der Wellenlänge

Ω Raumwinkel

π Kreiszahl

Ф Lichtstrom


109

φ Azimutwinkel, auch horizontaler bzw. Rotationswin-

kel, entspricht den C-Ebenen

φa-b Winkel des sphärischen Dreiecks zwischen den Ebe-

nen von A und B

r Radius

rM mittlerer Radius

s Sekunde, Einheit der Zeit

srel(λ) relative spektrale Empfindlichkeit

S(λ) spektrale Verteilung/Strahlungsfunktion

Tcp ähnlichste Farbtemperatur (Bezeichnung in Deut-

scher Norm)

ϑ Elevationswinkel, entspricht dem Höhenwinkel γ

u', v', w' Farbwertanteile des CIE 1976 (u’, v’)-Diagramms

u'a, v'a gemittelte Farbkoordinaten

V(λ) Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges

ω Öffnungswinkel

x, y, z translatorische Achsen

x, y Normfarbwertanteile des CIE 1931 (x, y)-Diagramms

x̅(λ), y̅(λ), z̅(λ) Normspektralwertfunktionen

X, Y, Z Normfarbwerte

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ISSN 2196-338X (print) ISSN 2198-5103 (online)

1: Völker, Stephan; Schumacher, Heike (Hrsg.): Jahresbericht 2012. - 2013. - 61 S. ISBN 978-3-7983-2517-3 (print) EUR 5,80

ISBN 978-3-7983-2518-0 (online)

2: Völker, Stephan; Schumacher, Heike (Hrsg.): Jahresbericht 2013. - 2014. - 67 S. ISBN 978-3-7983-2667-5 (print) EUR 8,00 ISBN 978-3-7983-2668-2 (online)

3: Völker, Stephan; Schumacher, Heike (Hrsg.):

8. Symposium Licht und Gesundheit. Eine Sondertagung der TU Berlin gemeinsam mit DAfP und LiTG; 19. und 20. März 2014, Messegelände Berlin - 2014. - 201 S. ISBN 978-3-7983-2671-2 (print) EUR 12,50 ISBN 978-3-7983-2672-9 (online)

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6: noch nicht erschienen 7: Völker, Stephan; Schumacher, Heike (Hrsg.):

Jahresbericht 2015/2016. - 2016. - 62 S. ISBN 978-3-7983-2834-1 (print) EUR 9,00 ISBN 978-3-7983-2835-8 (online)

8: Völker, Stephan; Schumacher, Heike (Hrsg.): 9. Symposium Licht und Gesundheit. Abstracts - 2016. - 75 S. ISBN 978-3-7983-2866-2 (print) EUR 8,00 ISBN 978-3-7983-2867-9 (online)

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ISBN 978-3-7983-2910-2 (print)ISBN 978-3-7983-2911-9 (online)

Silvia Bensel

Messtechnische Bewertung weißer LED-LeuchtenGonio-spektralradiometrische Untersuchung räumlicher Farbunterschiede

Mit dem Einzug der LED in die Allgemeinbeleuchtung wächst der Bedarf an einer vollständigen Charakterisierung moderner Lampen und Leuchten. Dies erfordert die Entwicklung neuer Mess- und Darstellungsmethoden sowie die Ableitung geeigneter Kennzahlen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird die winkelabhängige spektrale Verteilung von weißen leuchtstoffkonvertierten LED-Leuchten gonio-spektralradiometrisch gemessen, da sich bei LED-Leuchten zum Teil starke räumliche Farbunterschiede zeigen. Zur Bewertung dieser Farbunter-schiede werden Schwellen- und Toleranzwerte bisheriger Forschungsarbeiten zusammenge-fasst und mit den Schwellenwerten der aktuellen Normung für LED-Leuchten verglichen. Daraus werden anwendungsspezifische Schwellenwerte für den Untersuchungsgegenstand dieser Arbeit abgeleitet. Zur Darstellung und Bewertung der Homogenität der Farbverteilung wird ein zweidimensionales kartesisches Diagramm empfohlen, das den maximalen Farbab-stand in Bezug zur Hauptausstrahlrichtung in Abhängigkeit des sphärischen Abstands abbildet und somit eine Zuordnung des maximalen Farbabstands im Raum ermöglicht.

Messtechnische Bewertung weißer LED-Leuchten

9 783798 329102I S B N 9 7 8 - 3 - 7 9 8 3 - 2 9 1 0 - 2 http://verlag.tu-berlin.de

Schriftenreihe des Fachgebietes Lichttechnik Band 9

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