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LED und die Farbwiedergabe

Bestrahlen mit Farbschatten

LED-Strahler kopfbewegt, bei einer Leistungsaufnahme von ca. 60 VA kann der EasyColor von Ayrton z. B. ein gleich helles, aber intensiveres Rot darstellen wie ein 250 W Moving Head mit Entladungslampe. Bei weißem Licht dagegen, ist die Entladungslampe weiterhin überlegen.

Die kürzlich auf dem Mark erschienen Nachfolger greifen durchaus die Wash Moving Lights der 575 Watt Entladungslampe an, wenn es sich um die Wiedergabe reiner Farben handelt.

RGBW, ROGGBC oder doch RGB

Die Problematik der Farbwiedergabe von LED Leuchtmitteln ist hinsichtlich bekannt. Dennoch reicht für eine bestimmte Anwendungen eine nur auf rot, grün und blau basierende Farbmischung aus. Warum das so ist wollen wir hier kurz darstellen.

Das Spektrum einer Farbigen LED ist sehr schmalbandig und ein LED-Chip kann nur eine einzige Farbe wiedergeben.   Bei weißen LEDs wird in der Regel eine blaue LED verwendet, um mit Hilfe von Phosphor zu der energiereichen kurzen Wellenlänge weitere langewelligere Strahlung im gelblich, roten und in geringen Maßen noch grünen Spektrum hinzuzufügen. Kurz – bei der LED handelt es sich um einen Linienstrahler. Je nach ausgestrahlter Lichtfarbe kürzen wir diese LED auch mit dem entsprechendne Buchstaben ab. R wie Rot, G für Grün, B für Blau, C für Cyan, A für Amber und W für weiss, was auch als WW für warmweiß und KW für Kaltweiss definiert wird. Die verschiedenen Farborte innerhalb einer LED-Grundfarbe werden meist nicht mit einer Buchstabenkombination abgekürzt, sondern wie in unseren Beispiel einfach als Grün und ein anderes Grün bezeichnet – GG. Im Gegensatz zum Linienstrahler steht der Kontiniumstrahler wie z.B. das Halogenleuchtmittel. Der Kontiniumstrahler strahlt alle sichtbaren Lichtspektren in eine kontinuierlich mehr oder weniger absteigende- bzw. aufsteigende Intensität. Jetzt müsste man meinen, dass man nur gutes Licht bzw. gute Farben sehen kann, wenn möglichst alle Lichtfrequenzen emittiert werden können. Dem ist aber nicht zwangsläufig so, denn hatten wir uns soeben über die Quelle – dem Leuchtmittel beschäftigt, so müssen wir uns einmal den Weg zum Empfänger und dem Empfänger selbst – dem Zuschauer beschäftigen. Denn unser Lichtempfangssystem ist ein wenig komplex, und unser Gehirn bildet auch eine Farbe, welche im Lichtspektrum nicht vorkommt. Folglich können wir in bestimmten Fällen mit einfachen RGB Linienstrahlern auch 100% gutes Licht unseren Zuschauer bieten.

Hinterleuchten

Oder

Beleuchten

Nach dem das Licht ausgesendet wird, betrachten wir uns nun den Weg des Lichtes. Strahlt er auf direkten weg zum Betrachter, oder auf indirektem Weg über eine Reflexion. Wird ein Körper bestrahlt, kann er Lichtfrequenzen absorbieren und eine andere Lichtfarbe erscheint, als wie der Körper angestrahlt wird. Somit müssen wir zwei, beinahe drei Fälle unterscheiden. Einmal bestrahlen wir mit einer Lichtquelle ein Objekt. Dieses Objekt reflektiert diese Bestrahlung zum Betrachter. Hierbei sprechen wir von Beleuchten. Auf der anderen Seite wird das emittierte Licht ohne Umwege einer reflektierenden Fläche vom Betrachter empfangen. Eigentlich müsste man dieses direktes Leuchten nennen, aber in der Praxis hat man meist eine Anordnung dass das Licht durch ein transluzenten Körper wie z.B. satiniertes Plexiglas oder Opera Folie zum Betrachter gesendet wird. Einmal abgesehen vom Rock n Roll wo 70% des Lichtes als Rücksetzer entweder als Beamshow – streng genommen wäre der Nebel dann auch ein transluzenter Stoff – oder mit dem LED-Screen direkt auf das Auge des Betrachters fällt. Deshalb sprechen wir dann vom Hinterleuchten, bestes Beispiel der hinterleuchtete Horizont in einem Fernsehstudio. Der beinahe dritte Fall ist gehört eigentlich zum Beleuchten, jedoch mit der Besonderheit, das das beleuchtete Objekt alle Lichtfrequenzen gleichmäßig reflektiert, so wie es bei weißen Gegenständen vorfinden können. Denn in diesem Fall werden wie beim Hinterleuchten alle emittierten Lichtfrequenzen zum Betrachter reflektiert und wir haben trotz Beleuchtung den Fall der Eigenschaft der Hinterleuchtung.

Beim Hinterleuchtet treffen die Emittierten Farbinformationen direkt auf die drei Farbsehzellen und stimulieren Sie. Folglich kann man mit der richtigen Gewichtung mit den drei Grundfarben der Sehzellen rot grün und blau den gewünschten Farbeindruck beim Zuschauer hervorrufen.

Bei

Hinterleuchtung

ist RGB oft genug

Beleuchten wir Objekte wie z.B. das Szenenbild, das Kostüm oder das Gesicht, so weist jeder Körper mit seiner Oberfläche eine bestimmte Eigenschaft auf. Lassen wir hier die Oberflächenstrukturen wie Matt oder glänzend außer Acht. Interessant ist eher mit welchen Farbpigmenten eine Oberfläche ausgestattet ist oder auch im Naturellen  Zustand welche Lichtfrequenzen von diesem Körper reflektiert werden. So sehen wir eine Zitrone gelb, weil die Oberfläche der Zitrone keine blauen Farbspektren reflektiert. Jede Körperoberfläche reflektiert die Lichtspektren, die wir dann als wahrgenommener Farbe des Objektes interpretieren. Und so wird auch gerne geschummelt, denn das weißere Weiß eines frisch gewaschenen Hemdes liegt nicht an der Waschkraft des Waschmittels, sondern an den zugesetzten optischen Aufhellern, sprich den Phosphaten, den man dem Waschmittel zusetzt welches durch Anregung des UV Anteils des Sonnenlichtes, oder in der Disco von dem Schwarzlicht (UV-Strahler) angeregt wird und weites sichtbare Blaue Lichtanteile emittiert, wodurch wir das blauere Weiß als das hellere strahlender Weiß empfinden.

Lassen wir die Optischen Aufheller und andere Winkelzüge außer Acht, bleibt festzustellen dass ein Körper jedoch nur dann eine Lichtfarbe reflektieren kann wenn er auch mit dieser Lichtfarbe bestrahlt wird. Und damit haben wir die Begründung, dass man beim Bestrahlen möglichst alle Lichtspektren auf einen Körper senden sollte. Wir sprechen dann auch von einer guten Farbwiedergabe, doch dazu später mehr. Emittiert das Leuchtmittel bestimmte Lichtfrequenzen nicht, so können Sie nicht reflektiert werden und stehen damit dem Betrachter nicht zur Verfügung. Das Fleisch sieht fahl aus, das Gesicht leblos, das Kostüm und die Maske entwickeln nicht Ihre Brillanz und Ausdrucksstärke, das Set ist quietschend bunt – oder? Gerade Hauttöne, die mit Ihrem beige-Braun eine Mischung aus vielen Frequenzen besteht, benötigt dementsprechend eine Lichtquelle die möglichst viele Frequenzen abgibt. Wenn man dann schon mit LEDs leuchten will, dann sind LEDs mit ARGGBCWW die bessere Wahl. Bestrahlt man mit RGB eine Person, so sind fehlen einfach zu viele Spektren um die Haut in einer schönen Gesichtsfarbe erscheinen zu lassen. Selbst viele Bühnenbilder werden mit Ihren holzfarben oder grauer Flächen mit RGB nicht befriedigend zum Strahlen gebracht. Hier können die GRBW-Strahler punkten die mit Ihrer weißen LED mit der Ausstrahlung der zusätzlichen breitbandigen Phosphoranteile für eine bessere Farbwiedergabe sorgen. Diese Phosphoranteile sind auch für die Haut-Farbwiedergabe sehr vorteilhaft. RGB Strahler haben eigentlich nur dann eine Bedeutung, wenn man weiße Objekte beleuchten will. Aber selbst bei dem Versuch weiße Körper mit RGB in einem schönen weiß erstrahlen zu lassen ist meist nicht von Erfolg gekrönt. Es wird meist als Fahl und dreckig empfunden. Die Weißen LEDs sorgen hierbei für ein weitgehendste zufriedenstellendes Ergebnis.

Leider ist meist die Lichtintensität bei RGB-Strahlern bei 100% auf den drei Steuerkreisen nicht gleich hoch, wie auch dieses Beispiel zeigt. Damit verliert man deutlich an der Lichtqualität. Das weiß wirkt „dreckig“, das Blau leuchtet stärker, weist aber auch die größte Anstrahlungsintensität auf. Dementsprechend ist auch das rötlichere gelb zu erklären.  

Hinterleuchten wir mit LED-Lichtquellen, so sind in der Regel RGB Lichtquellen völlig ausreichend. Denn unser Auge wie auch die Fernsehkamera weist für die Farbinterpretation drei Farbsensoren auf. Praktischer weise sind es die Farbsensoren für Rot Grün und Blau. Treffen jetzt die emittierten schmalbandigen LED-RGB Lichtfarben auf unsere Sensoren, werden diese entsprechend angeregt und es entsteht die Farbinterpretation durch unseren Gehirn entsprechend der Anregung der drei Zellen. Regen wir die Grünen und Roten Sinneszellen mit grüner und roter LED-Farbe an, so nehmen wir in unseren Gehirn Gelb war, obwohl gar kein Gelbes Lichtspektrum emittiert wird. Eine gelbes Licht welches mit der Wellenlänge von (ca. 590nm) abstrahlt, also aus dem physikalischen Spektrum kommt, nennt man deshalb auch Spektralfarbe. Dagegen ist das gelb gesehene Licht aus Rot und Grün eine bedingt gleiche Farbe. Wir sehen jeweis das gleiche Gelb, jedoch die Spektrale Zusammensetzung ist unterschiedlich. Das ist auch der Große Unterschied zum Beleuchten, da nun die Objekte die Beleuchtet werden, bestimmte Frequenzen wegfiltern, die uns dann in der Betrachtung fehlen und damit zu falschen Farbeindrücken führt.

Schmalrandiges gelbes Licht kann von Natrium Niederdruck oder von gelben (Amber) LEDs emittiert werden. Es stimuliert die roten und grünen Zapfen unserer Sehzellen und wir interpretieren die gelbe Farbe.

Gelb kann auch aus einer Mischung von Roten und Grünen Licht gesehen werden. Hier stimulieren das rote und das grüne Licht ebenfalls die roten und grünen Zapfen. Damit erhält unser Gehirn die gleichen Impulse und interpretiert ebenfalls Gelb.

Jetzt ist jeder Mensch anders, wir haben keine kalibrierten Messsensoren in unserem Auge. Das was wir als Farb- und Vergleichswerte auch in Normen definiert haben sind statistische Mittelwerte von tausenden von Menschen, die man befragt hat wie sie gerade was sehen. Ein hinkender Vergleich dazu wäre, wenn man z.B. Life in einem Fernsehstudio sitzt. Der Zuschauer sieht z.B. die mit LED-RGB-Leuchtmittel weiss hinterleuchtete Wand in einem schweinchen Rosa (höherer Rotanteil). Im Kamerabild bzw. dem Kontrollmonitor selbst ist dagegen das schönste Schneeweiss zu sehen. Hier hat man die RGB Werte der LEDs auf das Kamerasystem ausgerichtet und ein wenig mehr rot der LED abverlangt um den Sensor der Kamera gleichmäßig auszusteuern. Zwar könnte man die Kamera mit einem Weißabgleich auf die LED wand abgleichen so das dann Zuschauer und Kamera das gleiche sehen, jedoch sind im Studio noch viele weitere Lichtquellen im Einsatz, so das der Hauptaugenmerk erst einmal auf das Halogenlicht gelegt wird, mit der die Personen ausgeleuchtet werden und darauf die Kamera justiert. Erst dann wird das LED-Weiss auf diese Einstellung hingezogen. Das Farbempfinden des Publikum vor Ort ist dabei vom untergeordneten Interesse.

In extrem seltenen Fällen kann es auch vorkommen, dass der Zuschauer eine gedimmt hinterleuchtete Fläche welche mit weissen LEDs als ein schönes Weiss wahrnimmt, während die Kamera einen erheblichen Gelbstich zeigt. Hier hat man das seltene Phänomen, das die Abtastung der Kamera das Nachleuchten der Phosphore aufzeichnet, aber zum Zeitpunkt des emittieren des blauen Spektren der LED selber der Shutter noch zu ist.

Farbwiedergabe

Kommen wir wieder zurück zum Bestrahlen von Objekten. Auch hier hat man einen Weg gesucht, um zu beschreiben bzw. zu klassifizieren, wie gut eine Farbwiedergabe ist, wenn man mit Linienstrahlern beleuchtet. Unser Farbsehen ist sehr komplex und neben den Farbsehzellen werden auch die Informationen der schwarz weiss empfangenen Zellen ausgewertet. Nachts sind alle Katzen Grau lautet der landläufige Spruch der zum Ausdruck bringt, das bei zu geringer Lichtstärke die Farbzellen keine Informationen liefern und nur noch die Helligheitszellen arbeiten und somit alles grau gesehen wird. Bei schwindendem Licht lassen die Signale nacheinander für rot, grün und blau nach. Von Grau differenziert sich Gelb noch am längsten. Mit aus diesem Grund ist Gelb auch eine ideale Signalfarbe. Zurück zur Farbwiedergabe. Hier hat man sich Gedanken gemacht und kam zum Schluss, dass man mit Hilfe von Vergleichen realer Farben am besten die Auswirkung von fehlender Farbspektren und die Auswirkung beim Betrachten, definieren kann. Man hat in der DIN 6169 die folgenden 16 Farben festgelegt: Altrosa, Senfgelb, Gelbgrün, Hellgrün, Türkisblau, Himmelblau, Asterviolett, Fliederviolett, Rot gesättigt, Gelb gesättigt, Grün gesättigt, Blau gesättigt, Rosa Hautfarbend und Blattgrün. Nun beleuchtet man die Vergleichsfarben und kann nun die Qualität der Farben begutachten bzw. anhand des berechneten reflektierten Energiegehaltes aus der Lichtquelle, und eine Wichtung zwischen den einzelnen Farben auch die Farbwiedergabe als ein Wert angeben.

Der Farbwiedergabeindex (eng.: color rendering index CRI) kann einmal mit Ra als Zahlenwert zwischen 0-100 angegeben werden, wobei 100 nur Kontiumstrahler erreichen,  oder auch Stufen zwischen 1 bis 4 charakterisiert werden, wobei die Stufen 1 und 2 jeweils mit Unterstufen A und B verfeinert wurden.

Jetzt kann man als Hersteller von Scheinwerfern hingehen und die Auswahl und Steuerung  der LEDs so betreiben, das man ausgerechnet diese Testfarben sehr gut wiedergibt um somit ein hervorragenden Farbwiedergabeindex zu erreichen. Auch die Hersteller von Weisslicht LEDs können ihre Phosphore so mischen, dass Sie einen extrem guten RA erhalten. Die gute Farbqualität, also die Wiedergabe eines breit aufgestellten Spektrum ist leider im Wiederspruch zu einer hohen Effizienz. Das Schlagwort Lumen pro Watt diktiert vielerorts das Denken und handeln. Jedoch eine hohe Effizienz erreicht man mit hohen Peakwerten einzelner Spektren, bei Weisslicht eben Blau und den Gelbanteil. Eine hocheffizente Weisslicht LED wird demnach kein gute Farbwiedergabe aufweise wie auch umgekehrt Hochefizente LEDs haben keine gute Farbwiedergabe. Und so liegt es wieder am Design, ob man mit möglich wenig Energie etwas hell haben möchte, oder mit ein wenig mehr Energieaufwand eine bessere Lichtqualität. Denn auch mit LEDs lassen sich gute Farbwiedergabequalitäten erreichen.   

Bestrahlen ohne Farbschatten

LED-Strahler, bei Strahlern der Firma Xilver ist die Farbmischung innerhalb des Scheinwerfers vollzogen. Das austretende Licht sowie der Blick auf den Lichtaustritt zeigt die gemischte Farbe im Gegensatz zum oben gezeigten LED-Strahler, wo die räumliche Trennung der drei Grundfarben weiterhin ersichtlich bleibt.

Als anstrahlendes sowie auch als selbstleuchtendes Objekt einzusetzen.

Unendliche Gestaltungsmöglichkeiten werden mit der Linear Flexlight von Osram erreicht. Die Rückseite ist selbstklebend. So können flexible Konturen mit dem LED-Streifen ausgerüstet werden. Aufgrund der geringen maximal zu erwartenden Temperaturen, können diese Streifen auf jede Dekoration aufgebracht werden. Mit kleinen Vorschaltgeräten oder einfach mit einer Batterie können im Theater so auch schnell auf der Bühne Tischkanten oder andere Stolper oder Stossgefahren gekennzeichnet werden, die ein schauspieler in einem Black out nachdemn er kurz zuvor in das grelle Bühnenlicht geschaut hatte nicht mehr wahr nimmt.

Quelle: Osram

Selbstleuchtende Objekte in Formen von Flächen und Körper, wie hier von Pulsar das ChromaPanel und der ChromaCube, sind durch populäre Fernsehshows in kürzester Zeit zu einem festen Bestandteil im Erscheinungsbild geworden. Die Farbleuchtkraft des ChromaPanels muss sich auch bei auftreffendem Fremdlicht durchsetzen.

Quelle: Pulsar

Quelle: Largo

Als anstrahlendes sowie auch als selbstleuchtendes Objekt einzusetzen.

LED-Streifen (Strips) werden einfach aneinandergereiht und können in verschiedenen Profilen Einsatz finden und z. B. Treppenstufen markieren. Die Farbmischung erfolgt durch milchige Kunststoffabschlüsse. Hauptvorteil hierbei ist z.B. bei Treppenstufenprofilen, die "unendliche" Lebensdauer, das besonders das auswechseln der Leuchtmittel in Treppenkanten sehr aufwendig und damit Kostenintensiv ist.

Die Bestrahlung mit einer Weißen LED bringt bessere Ergebnisse wie eine unkoordienierte RGB-Bestrahlung wie im vorigen Bild zu sehen war.

Fehlt bei der Lichtquelle die Roten Strahlungsanteile, dann werden rote Körper auch nicht mehr farbig dargestellt. Aber auch das Gelb driftet stärker in den Grün Bereich ab.

Noch Interessanter verhalten sich die Farben beim Fehlen von Grün. Hier werden Gelbe Körper genau so rot dargestellt wie die Roten Körper auch. Logischerweise können grüne Körper keine Farbe mehr annehmen.

Farbtemperatur

Betrachtet man weißes Licht, so bewegt sich die Weiße Farbe entsprechend der Erhitzung des Schwarzen Körpers auf eine Linie durch das Farbdreieck und nimmt genaugenommen verschiedenen Farben an, welche wir aber mit unseren Gehirn als Weiß interpretieren während eine Kamera mittels Weißabgleich, manuell oder automatisch erst die Interpretation der Farbe zu einem Weiss erlernen muss. Die Temperatur die der Schwarze Körper bei Erhitzung annimmt, ist die Bezeichnung der Farbtemperatur, welche die Emission der kontinuierlichen Strahlunsverhältnisse in deren Intensität zwischen dem kurzwelligen und Langwelligen Spektren des sichtbaren Lichtes entspricht. So glüht z.B. der Wolframfaden mit einer Farbtemperatur von 3200K (Kelvin). Das (°) Grad wird in diesem Fall weggelassen. Bei RGB-LED-Leuchtmittel die Hinterleuchten kann somit jede gewünschte Farbtemperatur wiedergegeben werden, solange die Wahl der Einzellichtfarben im Farbdreieich eine Fläche bildet, in der die Farbtemperaturkurve sich auch bewegt. Weisse LEDs mit nicht optimal ausgewogenen Phoshoranteilen können auch neben der Plankschen Kurve liegen, genau wie man einer RGB LED Farbmischung jede Farbe annehmen lassen kann innerhalb des möglichen Farbraumes, was auch bedeutet, dass man sich links und rechts neben der Plankschen Kurve sich bewegen kann. In diesem Fall haben wir eine CCT eine correlated colour temperature also eine annähernde Farbtemperatur. Dies kann bei manchen LED-Scheinwerfern auch einstellen, ob man mehr in Richtung Magenta oder Grün driften möchten. Auch kann die Farbtemeratur in das Gelbliche bzw. sich von der Plankschen Kurve entfernen, wenn man die LED nicht Axial in der Mitte betrachtet bzw. beleuchtet, sondern man von der Seite betrachtet, bzw. mit dem Ausläufern des Lichtkegels beleuchtet. Das liegt meist daran, das zum Rand hin mehr Phosphore durchleuchtet werden und somit die Zusammensetzung des Spekrums verändert. Bei RGB-Strahlern hat man dagegen meist den unerwünschten Effekt, das die roten LEDs aufgrund der anderen Geometrie als die grünen und blauen LEDs von der anschließenden Optik das Licht anders geworfen wird, was meist als rötlichen Rand war genommen wird.

Die Wahl der LED-Lichtquelle ist abhängig von der Aufgabe. Beleuchtung von “kritischen“ Farben benötigen Weisse LEDs mit guten Farbwiedergabeindex, oder zumindest Farbmisch LED-Einheiten die möglichst eine vielbandigen Wiedergabe leisten können wie ARGGBC Strahler, wobei die genaue Zusammenstellung der Einzelfarben durchaus variieret werden kann. Bei einfachen beleuchten der meisten standard-veranstaltungen leisten auch RGBW LED-Engine gute Ergebnisse. Dagegen sind beim Hinterleuchten RGB-LEDs völlig ausreichend.

Austesten der LED-Wirkung bei gleichzeitiger Bestrahlung mit Halogenlicht auf das transluzente Material.

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