Visuelle Farbbewertung in einer Lichtkabine

1. Standardisierung der visuellen Farbbewertung

Die Farbwahrnehmung hängt von der persönlichen Erfahrung sowie der Beleuchtung und den Umgebungsbedingungen ab. Aufgrund der äußerst variablen und keineswegs einheitlichen externen Bedingungen ist es notwendig, die gängigen Beleuchtungssituationen zu standardisieren. Darüber hinaus sollte die Beleuchtung veränderbar sein, um die so genannte „Metamerie“, das heißt die Unterschiede in der Farbanpassung bei veränderten Lichtverhältnissen, zu erkennen und zu vermeiden. Um zuverlässige Test- und Bewertungsbedingungen zu gewährleisten, legen internationale Normen Prüfverfahren fest, die folgende Komponenten definieren: [1][2][6][7][10][12][13]

1.1 Beobachter

Der Beobachter benötigt eine normale Farbwahrnehmung und sollte für die Bewertung von Farben geschult sein. Zur Vermeidung von Augenmüdigkeit muss die Bestimmung der Farbe innerhalb von Sekunden erfolgen. Zusätzlich sind kleine Pausen zwischen den Auswertungen einzuhalten. Die Farbwidergabe ist von Mensch zu Mensch verschieden, daher sollte für die Kommunikation und Dokumentation der Farbe folgende Reihenfolge verwendet werden: Farbton - Sättigung - Helligkeit.

1.2 Objekt

Die Proben sollten flach und einheitlich in Farbe, Glanz und Oberflächenstruktur sein. Standard und Probe sind ohne Abstand direkt nebeneinander zu positionieren und sollten von Zeit zu Zeit getauscht werden. Die bevorzugte Probengröße liegt bei etwa 10 cm bis 15 cm. Der Betrachtungsabstand zwischen Augen und Probe sollte 50 cm betragen. Dieser Abstand entspricht dem 10°-Standardbeobachter. 

1.3 Umgebung

Von besonderer Bedeutung für die Farbbeurteilung sind sowohl das Sichtfeld unmittelbar neben dem Produkt als auch das umgebende Sichtfeld, wenn der Betrachter wegblickt, um seine Augen ruhen lassen zu können. Der Innenraum der Lichtkabine ist in mattgrauer Farbe, ebenso wie der Prüfer eine neutrale farbige Kleidung tragen sollte, um störende Farbreflexionen zu vermeiden. 

1.4 Beleuchtung

Die Beleuchtungsstärke an der Stelle der Farbtonbestimmung muss je nach der jeweiligen internationalen Norm zwischen 1000 lx und 5000 lx liegen. In der Regel wird eine Streuscheibe verwendet, um direkte Reflexionen zu vermeiden und eine gleichmäßige Lichtverteilung über das gesamte Prüffeld sicherzustellen.

2. Begriffserklärungen zur Charakterisierung von Licht

Licht ist elektromagnetische Strahlung in einem bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums. Normalerweise ist mit dem Wort „Licht“ der Bereich des Lichts gemeint, der für das menschliche Auge sichtbar ist, nämlich in einem Wellenlängenbereich von 400nm bis 700nm. Zur Charakterisierung des von einer Lichtquelle emittierten Lichts werden folgende Begriffe verwendet: Farbtemperatur (CT) und korrelierte Farbtemperatur (CCT), Farbwiedergabeindex (CRI Ra), sowie spektrale Energieverteilung (SPD) und Metamerie Index (MI_VIS). .

2.1 Farbtemperatur (CT) und korrelierte Farbtemperatur (CCT)

Das Konzept der Farbtemperatur basiert auf der Tatsache, dass die Farbe eines Objekts beim Erwärmen wechselt aufgrund einer Veränderung der emittierten Strahlung. Gemäß ISO/CIE 10526:1991 (E) ist eine Farbtemperatur TC definiert als „Die Temperatur eines Planck’schen Strahlers, dessen Strahlungsquelle die gleichen Farbkoordinaten wie die eines bestimmten Reizes aufweist“. Vereinfacht ausgedrückt, ist die Farbtemperatur die Temperatur, welche die Farbeigenschaften des sichtbaren Lichts beschreibt, bezogen auf die Temperatur eines Planck’schen Schwarzkörpers. In Abbildung 1 ist der CIE x,y Farbraum dargestellt. Die schwarze Linie in der Grafik zeigt Farbkoordinaten von Schwarzkörper Lichtquellen verschiedener Temperaturen. [8] [11] [12] [13] 
Die Farbtemperatur wird üblicherweise in Kelvin (K) angegeben. Kelvin ist ein Maß für die absolute Temperatur (0°C = 273K). Farbtemperaturen über 5000K sind als kühle Farben definiert, wie beispielsweise Farben von bläulichem Weiß, wobei niedrigere Farbtemperaturen (2700K – 3000K) als warme Farben bezeichnet werden, worunter Gelb- und Rottöne fallen. Die meisten natürlichen Lichtquellen, wie Sonne und Sterne, liegen sehr nahe an den Planck’schen Farborten. Für die Beschreibung von Quellen, die Licht emittieren, das nicht genau dem Schwarzkörperstrahler entspricht, wird der Begriff der Korrelierten Farbtemperatur verwendet. Gemäß ISO/CIE 10526: 1991 (E) ist eine korrelierte Farbtemperatur Tcp definiert als „Die Temperatur eines Planck’schen Strahlers, dessen wahrgenommene Farbe, der eines gegebenen Reizes bei gleicher Helligkeit und unter bestimmten Betrachtungsbedingungen am nächsten kommt.“ [1] [2][8] [13] [12]

2.2 Spektrale Energieverteilung

Farbe und Farbtemperatur sind keine eindeutigen Parameter zur Beschreibung einer Lichtquelle. Zwei Lichtquellen mit den gleichen Farbwerten x,y und Farbtemperaturen könnten unterschiedliche spektrale Eigenschaften aufweisen und somit einen anderen Farbeindruck erzeugen. Die präziseste Art und Weise eine Lichtquelle oder eine Lichtart zu bestimmen, ist daher mit Hilfe ihrer spektralen Energieverteilungskurve (kurz: SPD Kurve, spectral power distribution curve). [1][2][8][6][10][12][13]
Die Kurve zeigt den von der Lichtquelle emittierten Strahlungsfluss bei verschiedenen Wellenlängen über das sichtbare Spektrum (Energiemenge). Die SPD-Kurve wird deshalb bei einer Wellenlänge von 560nm normiert, sodass die Berechnung unabhängig von der absoluten Beleuchtungsstärke ist.

2.3 Farbwiedergabeindex - CRI

Der Farbwiedergabeindex ist ein quantitatives Maß für eine Lichtquelle und beschreibt die Fähigkeit Farben von Objekten im Vergleich zu einer idealen oder natürlichen Lichtquelle wiederzugeben. Der Begriff CRI, Color Rendering Index, wird häufig auf handelsüblichen Beleuchtungsprodukten verwendet. Richtig definiert sollte es R_a – allgemeiner Farbwiedergabeindex – oder R_i – spezieller Farbwiedergabeindex – heißen, entsprechend den zu bewertenden Testfarbproben. 
Der CRI wird berechnet, indem die Farbwiedergabe der Testlichtquelle, mit der einer definierten Lichtquelle verglichen wird. Für Testlichtquellen unter 5000 K wird ein Schwarzkörperstrahler als definierte Vergleichsquelle eingesetzt. Tageslicht (D-Leuchtmittel) dient zum Vergleich für Testlichtquellen über 5000 K. Die Berechnung von R_i und R_a ist im technischen Bericht der CIE 13.3-1995 ausführlich erläutert. [4] Die Prüfmethode verwendet einen Satz von acht (Ra) oder 14 (Ri) CIE-1974 Farbproben aus einer frühen Auflage des Munsell-Farbsystems. Die ersten acht Proben sind mäßig gesättigt, umfassen den Farbtonkreis und weisen eine annähernd gleiche Helligkeit auf. Die restlichen sechs Proben liefern zusätzliche Informationen über die Farbwiedergabeeigenschaften der Lichtquelle.

2.4 Metamerie Index – MI

Die CIE-Veröffentlichung 51.2 beschreibt eine Methode zur Bewertung der Qualität von Tageslichtquellen. Für den sichtbaren Bereich werden fünf theoretische Proben-Paare verwendet, wobei jedes Paar aus einer Standard- und einer metameren Probe mit MI_VIS = 0 für die Standartlichtart D65 besteht. Je höher die Abweichung zwischen dem MI_VIS der Standartlichtart und dem MI_VIS der tageslichtähnlichen Lichtquelle, desto geringer ist die Qualität der Lichtquelle. [5][13][12]
In Anlehnung an MI_VIS für den sichtbaren Bereich legte die CIE auch MI_UV für den Fluoreszenzbereich fest, welcher aus drei theoretischen metameren Proben-Paaren besteht. Die Formeln für MI_VIS und MI_UV werden in Abbildung 2 gezeigt.
Dabei sind ΔE_i (L*a*b*) und ΔE_j (L*a*b*) die Farbunterschiede zwischen dem i-ten und j-ten Paar von Metameren.

Die Klassifizierung von MI_VIS und MI_UV erfolgt gemäß folgender Tabelle.

Die Herausforderung besteht darin, einen D65-Simulator zu entwickeln, der der Lichtart CIE D65 so nahe wie möglich kommt, da es gegenwärtig keine D65 Lichtquellen gibt. Die Qualität eines Simulators wird mit dem Metamerie-Index MI_VIS entsprechend den Qualitätsklassen A bis E objektiv bewertet, wobei die Kategorie A für die genaueste Simulation steht.

Abbildung 1 Planck’sche Farborte innerhalb des CIE x,y Farbraums

Abbildung 2 Berechnung der Metamerie Indizes MIVIS and MIUV

3. Simulation von CIE Lichtarten mit künstlichen Lichtquellen

3.1 Definition der Begriffe Lichtquelle und Lichtart

Bei der Betrachtung von Lichtquellen und Lichtarten ist es wichtig den Unterschied zwischen diesen beiden Begriffen zu verstehen. Nach Billmeyer und Saltzmann ist eine Lichtquelle definiert als „physisch realisierbares Licht, dessen spektrale Energieverteilung experimentell ermittelt werden kann“. Eine Lichtart hingegen ist beschrieben als „Licht, das durch eine relative spektrale Energieverteilung bestimmt ist, welche als Quelle physikalisch umgesetzt werden kann oder auch nicht“.
Die CIE (Commission Internationale de l’Éclairage) legte eine Reihe von SPD-Kurven fest, um Referenz-Spektren für farbmetrische Anwendungen bereitzustellen, sogenannte CIE Normlichtarten,

3.2 CIE Normlichtart A

Die Normlichtart A wurde 1931 von CIE eingeführt und entspricht einer konventionellen Wolfram Glühlampe. Die relative Spektralenergie (SPD) gleicht der eines Planck’schen Strahlers bei einer Temperatur von ca. 2856 K. Um die Normlichtart A in einer Lichtkabine zu simulieren, werden konventionelle Glühbirnen oder heutzutage auch Quarzhalogenlampen (CT ˜ 3000 K) verwendet. nwendungen bereitzustellen, sogenannte CIE Normlichtarten (Abbildung 3).

3.3 CIE Normlichtart F-Serie

CIE definierte zwölf Arten von Leuchtstoffröhren, F1 bis F12, welche in drei Gruppen unterteilt sind. Die Unterschiede bestehen in der Bandbreite und dem Wellenlängenmaximum ihrer Emissionsspitzen. Dadurch werden unterschiedliche Farbwiedergabeindizes und Farbtemperaturen erreicht.

Von diesen zwölf werden F2 und F11 in der Industrie am häufigsten eingesetzt. F2 Lichtarten, auch „CWF“ (cool white fluorescent) genannt, haben eine CT von ca. 4000 K und einen CRI Ra˜ 60. F11 Lichtarten, bekannt unter dem Namen TL84, haben eine CT von ungefähr 4000 K und einen CRI Ra > 85. Zur Simulation der Normlichtarten der F-Serie in einer Lichtkabine werden handelsübliche Leuchtstoffröhren verwendet (Abbildung 4). [11] [16] [17]

3.4 CIE Normlichtart 65

Im Jahr 1964 definierte die CIE eine Reihe von Tageslichtarten durch zahlreiche Messungen von realem Tageslicht (siehe Tabelle unten). Aus 622 Messungen wurden die theoretischen SPD-Kurven des Tageslichts in einem Wellenlängenbereich von 330nm bis 700nm ermittelt. Die CIE Normlichtart D65 ist der wohl wichtigste Industriestandard für Tageslicht bei 6508 K, welches einem durchschnittlichen Tageslicht zur Mittagszeit in West und Nord Europa entspricht. Dabei umfasst es sowohl direktes Sonnenlicht als auch das von einem klaren Himmel gestreute Licht mit UV-Anteil.

Abbildung 3 Simulation von Normlichtart A mit Halogenglühlampen in byko-spectra pro

Abbildung 4 Simulation von Normlichtart F2&F11 mit Leuchtstoffröhren in byko-spectra pro

4. Simulation von D65 in einer Lichtkabine

Um Tageslicht zu simulieren können verschiedene Arten von Lampen in kommerziell verfügbaren Lichtkabinen / Leuchtkästen zur visuellen Abmusterung verwendet werden.  Ein Probenpaar kann sehr unterschiedlich aussehen abhängig wie gut eine künstliche Lichtquelle CIE Normlichtart nachbildet. 
Im folgenden Beispiel wird ein Probenpaar in Lichtkabine 1 mit Leuchtstoffröhren (z.B. F7 mit CT ca. 6500K und einem CRI Ra von ca. 96) beurteilt. Die Tageslicht Simulation simuliert CIE Normlichtart D65 nur annährend mit einem CIE MIVIS (siehe Kapitel 2.4) Güteklasse B (siehe Abbildung 5). Der visuelle Unterschied ist unter diesen Abmusterungsbedingungen signifikant.
Als nächstes wird das Probenpaar in Lichtkabine 2, byko-spectra pro, beurteilt. Dabei werden Halogenlampen mit einem speziell entwickelten Blaufilter kombiniert mit einer LED-Zeile. Diese Kombination simuliert CIE Normlichtart hervorragend ohne jegliche Spitzenausschläge (siehe blaue Kurve in Abbildung 6) mit einer CIE MI_VIS Güteklasse A. Unter diesen Beobachtungsbedingungen ist ein nur kleiner Unterschied bei dem Probenpärchen wahrnehmbar, was der Betrachtung unter natürlichem Tageslicht draußen entspricht.

Abbildung 5 Tageslichtsimulation mittels Leuchtstoffröhre

Abbildung 6 Tageslichtsimulation mittels Kombination von gefilterten Halogenlampen mit und ohne LEDs

5. Zusammenfassung

BYK-Gardners Lichtkabine byko-spectra pro bewältigt die Herausforderung natürliches Tageslicht im Labor zu erzeugen durch eine intelligente Kombination aus gefilterten Halogenlampen und einem LED-Feld. Diese Konstellation garantiert eine hervorragende Tageslichtsimulation, nach CIE geprüft. 
Die eingebauten Sensoren in der Lichtkabine kontrollieren zudem ständig die Lampenleistung und passen die Spannung automatisch an, womit die Stabilität des Beleuchtungssystems gewährleistet ist. Zur Kontrolle des Lampenzustands und Signalisierung eines Lampenaustausch werden die tatsächliche Farbtemperatur, die Lichtintensität und die Lampenbetriebszeit auf dem Display der Lichtkabine angezeigt. Die Lebensdauer von Tageslicht der Kategorie A ist auf 600 Stunden verlängert worden, um die Wartungsintervalle zu reduzieren. 
Je nach Produktanwendung muss Farbe unter unterschiedlichen Lichtarten beurteilt werden. Die für Metamerie ausgelegte Lichtkabine byko-spectra pro bietet Tageslicht der Kategorie A (D65), eine Glühlampenbeleuchtung (A), drei Leuchtstoff-Lichtarten (CWF, TL84, U30) und UV-Licht zur Beurteilung von fluoreszenten Farben. 
Da diffuses Licht bei der Bewertung von Unifarben von zentraler Bedeutung ist, wird das Licht mittels Streuscheiben verteilt, um eine gleichmäßige Beleuchtung über das gesamte Prüffeld zu gewährleisten. In Übereinstimmung mit internationalen Normen sind die Innenwände mit einem matten, hellen Grau versehen, um den Beobachter vor Außeneinflüssen zu schützen.
Neben der technischen Leistungsfähigkeit einer Lichtkabine spielt auch eine effiziente und komfortable Bedienung für den Anwender eine wichtige Rolle. Das große Farbdisplay ermöglicht nicht nur das Ändern von Lichtarten, sondern auch eine einfache Menübedienung. Die im Lieferumfang enthaltene Fernbedienung erlaubt das Bedienen der Lampen aus einer Entfernung von bis zu zehn Meter. Ein sogenannter Sequenzmodus durchläuft automatisch eine vordefinierte Reihenfolge der Lichtarten, um eine volle Konzentration auf die Abmusterung zu ermöglichen. 
byko-spectra pro ist als Lichtkabine und als Leuchtkasten erhältlich. Die Leuchtkästen können entweder als Set oder als Verbund mehrerer Einzelkomponenten an der Decke angebracht werden. Dadurch ist es möglich einen kompletten Raum auszustatten um die Farbharmonie von Systemkomponenten oder Endprodukten, wie ganzen Fahrzeugen, zu bewerten. Sowohl Lichtkabinen als auch Leuchtkästen der byko-spectra pro Familie erfüllen die Beleuchtungsanforderungen der Güteklasse A und sorgen so für die notwendige Genauigkeit bei der visuellen Farbbeurteilung.