LED Farbwiedergabeindex - Color Rendering Index (CRI) Ra - Ratgeber

Farbwiedergabeindex R_a - Color Rendering Index (CRI)

Natürliche Farben auch mit LED-Beleuchtung

Wir möchten Ihnen zeigen, worauf Sie beim Kauf moderner LED-Leuchtmittel achten müssen, um Farben so wahrzunehmen, wie Sie sie auch bei natürlichem Licht sehen würden. Das Problem wird an folgendem Beispiel deutlich: Sie sind nachts auf dem Heimweg, die Straße wird beleuchtet mit gelben Natriumdampf-Lampen. Versuchen Sie einmal, bei dieser Beleuchtung die Farben der Autos zu bestimmen. Sie werden damit große Schwierigkeiten haben. Ein weißes Fahrzeug werden Sie keinesfalls von einem gelben oder orangefarbenen Pkw unterscheiden können, aber auch andere Farben werden Sie nicht sicher identifizieren.

Farbwahrnehmung im direkten Vergleich: Links Licht aus Natriumdampf-Lampen – alles scheint gelb.
Rechts LED-Licht – Farben wie beispielsweise das blaue Parkplatzschild bleiben unterscheidbar.

Quelle: VDI Verbrauchertipps LED-Beleuchtungen

Der Grund ist einfach – Natriumdampflampen senden zumindest in der Niederdruck-Ausführung praktisch nur eine Lichtfarbe aus. Man spricht hier von monochromatischem Licht. Sie werden deshalb überall dort eingesetzt, wo große Flächen sparsam erhellt werden sollen, es auf Farbwahrnehmung aber nicht besonders ankommt. Oft wird das gelbe Licht sogar aufgrund seiner besonderen Signalwirkung gezielt eingesetzt. Sie kennen das von der Beleuchtung der Fußgängerüberwege.

So sehen wir Farben

Beim gelben Licht der Natriumdampflampe fallen uns die „falschen“ Farben sofort auf. Auch beim gemütlichen Licht einer Glühlampe ist klar, dass wir Farben nicht so sehen wie mittags bei Tageslicht, weil blaue und violette Anteile nur schwach ausgeprägt sind. Ein Wert von 2700 Kelvin repräsentiert das Licht einer Glühlampe. Diese warme Farbe werden Sie bevorzugen, wenn Sie LED für Wohnräume aussuchen. Arbeitsplätze beleuchten Sie besser mit kälterem Licht (neutral weiß) von etwa 4000 Kelvin. Diese Farbtemperatur kommt dem Tageslicht näher und bedeutet neutralere, realistischere Farben. Aber können in diesem scheinbar weißen Licht dennoch Mängel versteckt sein, die die Farbwahrnehmung beeinflussen? Dazu müssen wir uns klar machen, wie und warum Menschen überhaupt Farben sehen und unterscheiden können.

Licht wird vom menschlichen Auge als farbig wahrgenommen, weil jede Farbe einer unterschiedlichen elektromagnetischen Wellenlänge entspricht. Ein gesundes Auge besitzt Farbrezeptoren für Wellenlängen zwischen etwa 400 Nanometer (violett) und 700 Nanometer (rot). Darunter liegt das kurzwellige ultraviolette Licht, darüber das langwellige Infrarotlicht. Diese Wellenlängen sind mit bloßem Auge nicht sichtbar.

Sichtbares Licht zwischen 400 und 700 nm Wellenlänge

Quelle: 99designs.de

Weißes Licht hat keine spezielle Wellenlänge. Was wir als weißes Licht empfinden, ist in Wahrheit die Summe bzw. Überlagerung aller Wellenlängen im Spektrum. Sichtbar machen kann man dies durch eine Spektralzerlegung – man schickt das weiße Licht durch ein Prisma aus Glas. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeit der verschiedenen Wellenlängen in dem Medium Glas entsteht auf der Austrittsseite ein Farbband von Rot über Gelb, Grün, Blau und Indigo bis zum Violett. Das sind nicht zufällig die Regenbogenfarben – die Wassertropfen in der Luft wirken exakt wie das Prisma und zerlegen Sonnenlicht in seine Spektralfarben. Spektralfarben sind reine Farben, sie lassen sich also nicht weiter zerlegen.

Wenn einzelne Farben fehlen

Uns reichen bereits die Farben Rot, Grün und Blau, um weißes Licht zu sehen. Wer seinen Computerbildschirm mit einer Lupe betrachtet, kann erkennen, dass die weiß leuchtenden Bereiche aus roten, grünen und blauen Punkten zusammengesetzt sind. Im Umkehrschluss bedeutet das: Wenn einige Farben fehlen, würden wir das zunächst nicht bemerken, weil wir trotzdem weißes Licht sehen.

Additive Farbmischung: Rot, Grün und Blau ergeben weißes Licht.

Quelle: 99designs.de

Sonnenlicht deckt das gesamte Spektrum nahezu hundertprozentig ab, allerdings verändern sich die Farbanteile je nach Tageszeit.

Im Sonnenlicht fehlen nur ganz wenige Farben.

Die hier schwarz gekennzeichneten Bereiche nennt man Fraunhofer-Linien.

Quelle: Wikipedia

Bei Kunstlicht, das durch ein Prisma zerlegt wird, kann es dagegen passieren, dass das Band unterbrochen oder an einigen Stellen schwächer ausgeprägt ist. Die Glühbirne liefert ein beinahe kontinuierliches Spektrum, genau wie das Sonnenlicht. Das kommt daher, dass sie ein thermischer Strahler ist, ihr Licht also durch das Erhitzen eines Metalls entsteht. Man nennt dies einen Schwarzen Körper oder Schwarzen Strahler. Mit der Entwicklung von Leuchtstoffröhren in den 1930er Jahren kamen erstmals Leuchtmittel zum Einsatz, die nicht das gesamte Farbspektrum abdeckten. Man spricht hier statt von einem kontinuierlichen von einem diskreten, also begrenzten bzw. unvollständigen Spektrum.

Im Gegensatz zum Sonnenlicht sendet eine Quecksilberdampf-Lampe

nur Licht einiger weniger Wellenlängen aus.

Quelle: phyx.at – Physikalische Soiree Knowledgebase

Eine Messgröße für das Farbspektrum

Mit der Erfindung von Leuchtmitteln, die zwar weißes Licht aussenden, dabei aber nicht das vollständige Farbspektrum abdecken, wurde die Einführung einer Messgröße für die „Vollständigkeit“ des Lichts erforderlich. Die falsche Wahl des Leuchtmittels kann nämlich dazu führen, dass Gegenstände unter nur scheinbar gleicher Beleuchtung völlig unterschiedlich aussehen. Das ist wichtig beispielsweise bei der Warenpräsentation und der Zubereitung von Speisen. Vor allem Fleisch kann unappetitlich grau wirken, wenn die Lichtquelle eine Schwäche im roten Bereich hat, was bei qualitativ minderwertigen LED leider häufig vorkommt – dazu später mehr.

Derselbe Apfel, zwei weiße Lichtquellen. Fehlen rote Lichtanteile (links), wirkt der Apfel weniger reif.

Quelle: BauNetz Wissen

Der Farbwiedergabeindex, englisch Color Rendering Index (CRI), beschreibt die Qualität der Farbwiedergabe einer Lichtquelle. Das Licht der Sonne wird als Idealfall angesehen, dies entspricht einem Farbwiedergabeindex von 100. Der CRI wird aber in der Praxis nicht auf ein perfektes, kontinuierliches Spektrum bezogen, sondern stets auf eine Referenzlichtquelle mit derselben Farbtemperatur. Damit kann auch das naturgemäß gelbere Licht einer Glühbirne fair bewertet werden, und auch sie erreicht einen CRI von 100. Je näher der Wert einer künstlichen Lichtquelle an 100 liegt, umso ähnlicher ist ihr Spektrum der Referenzbeleuchtung, und umso besser kann der Mensch bei einer solchen Beleuchtung Farben in gleicher Weise wahrnehmen. Die Skala darf nicht als Prozentwert interpretiert werden, sie reicht sogar bis in den negativen Bereich. Das liegt daran, dass Leuchtstoffröhren seinerzeit einigermaßen willkürlich mit einem Farbwiedergabeindex (CRI) von 50 eingestuft wurden. Die eingangs erwähnten Natrium-Niederdruckdampflampen mit monochromatischem gelbem Licht schneiden wesentlich schlechter ab als Leuchtstoffröhren und kommen damit nur auf einen Farbwiedergabeindex von ‑44.

Acht aus 14 Farben werden betrachtet

 Nach DIN 6169 werden 14 Farben analysiert, um Übereinstimmungen oder mögliche Mängel in der Farbwiedergabe im Vergleich zum natürlichen bzw. Glühlampen-Licht zu bewerten.

Farben, die nach DIN 6169 zur Bestimmung des CRI herangezogen werden.

Quelle: Wikipedia

Die Auswahl dieser Farben überrascht vielleicht, geht aber auf ein bereits 1898 von dem Künstler Albert Henry Munsell entwickeltes System zurück, das noch heute unter dem Namen Munsell Color Order System (Munsell-Farbsystem) bekannt und vor allem in den USA und Japan weit verbreitet ist.

Für die Beurteilung der Lichtqualität von Leuchtmitteln werden standardmäßig die ersten acht Munsell-Farben (Altrosa bis Fliederviolett) herangezogen. Mit Hilfe eines Spektralradiometers wird die spektrale Verteilung der zu testenden Lichtquelle mit der Normlichtquelle bei gleicher Farbtemperatur verglichen. Gemessen wird die Reflexion des Lichts von Farbtafeln mit diesen acht Farben, deren spektrales Reflexionsvermögen (Reflektanz, abgekürzt mit dem Buchstaben R oder dem griechischen Rho, ρ) bekannt ist. Als Normlicht wird bei Farbtemperaturen unter 5000 Kelvin ein Schwarzer Strahler, also zum Beispiel eine Glühbirne, verwendet. Über 5000 Kelvin kommt natürliches Licht gleicher Farbtemperatur wie die Testlichtquelle zum Einsatz. Das Ergebnis sind Indizes, die für die ersten acht Munsell-Farben als R₁ bis R₈ bezeichnet werden. Aus diesen acht Werten wird der Durchschnitt gebildet, das heißt, man addiert die Werte und teilt durch acht. Das Ergebnis bezeichnet man als R_a. Der Indexbuchstabe a steht für allgemein, R_a ist also das Kürzel für den allgemeinen Farbwiedergabeindex.

LED mit hoher Lichtqualität

Moderne weiße LED erreichen heute CRI-Werte, die nur knapp unter denen der Referenz-Lichtquelle liegen. Die nachfolgende Grafik lesen Sie wie folgt: Je weiter rechts ein Leuchtmittel eingezeichnet ist, umso besser ist sein Farbwiedergabeindex. Und je weiter oben, desto besser ist die Lichtausbeute im Verhältnis zur eingesetzten Energie. Natriumdampflampen (der grüne Kreis ganz links) sind also ebenso effizient wie LED, können aber hinsichtlich der Farbwiedergabe in keiner Weise mithalten. Die rechte Seite des Diagramms wird dominiert von LED-Leuchtmitteln (blaue und violette Ellipsen).

Effizienz und Farbwiedergabe – vor allem LED-Module schneiden hervorragend ab

Quelle: licht.de – Zentralverband Elektrotechnik- und Elektronikindustrie e. V.

In der Europäischen Union gibt es Normen, die die Anforderungen an die Lichtqualität regeln. Die Europäische Verordnung 1194/2012 schreibt für Innenräume einen Wert von R_a größer oder gleich 80 vor. Im Außenbereich und für industrielle Anwendungen reicht schon ein Farbwiedergabeindex von mindestens 65. Der Index muss auf den Verpackungen der LED-Leuchtmittel genannt werden. Wir empfehlen für Wohnräume einen Farbwiedergabeindex von mindestens 80 R_a besser 90 R_a.

Schwächen der CRI Messung

Keine Frage also, dass der Farbwiedergabeindex neben der Farbtemperatur seine Berechtigung hat und wertvolle Informationen liefert. Man darf aber nicht übersehen, dass die heutige Definition keine absolut zuverlässige Beurteilung unterschiedlicher Lichtqualität ermöglicht. Folgende Mängel muss sich das CRI-Verfahren anrechnen lassen:

• Die nach DIN 6169 herangezogenen acht Farben sind nicht mehr als eine Stichprobe. Ob es Lücken bei anderen Farben im Spektrum gibt, kann man damit nicht feststellen. Mittlerweile existiert ein Index R_e mit 14 oder 15 Referenzfarben, der eine differenziertere Beurteilung ermöglicht. Die Europäische Rundfunkunion (European Broadcasting Union, EBU) hat wegen der verstärkten Anwendung von LED-Licht auf Theaterbühnen, bei Film- und Fernsehproduktionen einen eigenen Index eingeführt, den Television Lighting Consistency Index (TLCI-2012). Hier werden 18 Farben und sechs Grautöne gemessen.

Referenzfarben nach TLCI-2012

Quelle: The Guild of Television Camera Professionals

Diese Farbtafel kennen Fotofreunde unter Ihnen sicher bereits aus Kameratests. Sie wird auch bei der digitalen Bearbeitung von Bildern und Videos als Referenz für den Abgleich der Farben eingesetzt. Im direkten Vergleich zwischen den aufgenommenen Bildern und der Mustertafel lassen sich für jede Farbe bzw. jeden Grauton Abweichungen bestimmen und Korrekturwerte vorschlagen.

• Niedrige Indizes, also Mängel in der Lichtqualität, entstehen nach der heutigen Testmethodik, wenn eine Schwäche im ausgesandten Spektrum der Lichtquelle mit einer korrespondierenden Testfarbe zusammentrifft. Der Index R_a ist aber ein Mittelwert aus acht Einzelgrößen. Das bedeutet, ein schlechtes Abschneiden eines Leuchtmittels bei einer der Testfarben fließt nur zu einem Achtel in die Berechnung ein und kann durch gute Werte bei den sieben anderen Farben kompensiert werden. Minderwertige LED erreichen deshalb die EU-Norm R_a ≥ 80 trotz der Schwäche in einem Teil des Spektrums. Der gemittelte Index sagt deshalb nichts darüber aus, wie vom Betrachter bevorzugte Farben erscheinen. LED haben beispielsweise einen typischen Einbruch im Bereich einer Wellenlänge von 480 Nanometer, das entspricht grün-blauer Farbe. Licht, das vom Leuchtmittel gar nicht erst ausgesendet wird, kann von dem beleuchteten Objekt auch nicht reflektiert werden, sodass Türkis als Farbe unter LED-Licht weniger gut zur Geltung kommt. Um das Abschneiden einer Beleuchtung für bestimmte Farben zu erkennen, müsste man sich statt des allgemeinen Indexes R_a die jeweiligen Einzelindizes R₁ bis R₈, besser noch bis R₁₄ ansehen. Für die Wellenlänge 480 Nanometer wäre beispielsweise der Index R₅ (Türkisblau) interessant, für die Wahrnehmung von Rottönen der Index R₉ (gesättigtes Rot).

• Der Index R_a beschreibt keine absolute Lichtqualität über das gesamte sichtbare Spektrum, sondern vergleicht nur die Testlichtquelle mit dem Referenzlicht. Einer Glühlampe, die mit warmweißer Lichtfarbe (ca. 2.700 Kelvin) leuchtet, fehlen beispielsweise weitgehend blaue und violette Farbanteile. Diese Farben werden also unter Glühlampenlicht schlecht wiedergegeben. Ist die Farbwiedergabe bei LED-Beleuchtung vergleichbar schlecht, ergibt sich trotzdem ein hoher CRI-Wert. Dieser Effekt ist durchaus beabsichtigt, denn wenn Sie ein LED-basiertes Leuchtmittel als Ersatz für Ihre Glühbirne kaufen, möchten Sie ja einen möglichst identischen Beleuchtungseindruck haben – mit allen Schwächen, die die Glühbirne früher eben auch schon mit sich brachte. Wer aber Wert auf eine hundertprozentig korrekte Farbwiedergabe legt, muss dafür sorgen, dass sich der Index R_a auf ein Referenzlicht mit einem möglichst vollständigen Spektrum bezieht. Am ehesten ist das bei Leuchtmitteln mit einer Farbtemperatur zwischen 4500 und 6000 Kelvin (neutralweiß, kaltweiß oder tageslichtweiß) gewährleistet.

Unsere Empfehlungen für den LED-Kauf

Die Diskussion um Aussetzer im Spektrum einer Lichtquelle, also besonders schlechte Farbwiedergabe bei bestimmten Wellenlängen, ist nicht ausschließlich theoretischer Natur und auch nicht nur für besondere Beleuchtungssituationen interessant. Selbstverständlich stellen eine Druckerei, ein medizinisches Labor, ein Zahntechniker oder ein Modedesigner andere Anforderungen an die Lichtqualität, als Privatanwender für einen Wohnraum. Bei der Kaufentscheidung für die Wohnzimmerbeleuchtung schauen Kunden deshalb zu Recht zunächst auf die Farbtemperatur der Leuchtmittel. 2700 Kelvin, warmweißes Licht, entspricht der natürlichen Lichtfarbe in den Morgen- und Abendstunden, es wird deshalb als angenehm empfunden. Dass kein Störgefühl wegen der Wiedergabe einzelner Farben auftritt, stellt die Mindestanforderung von R_a ≥ 80 laut EU-Verordnung bereits sicher. Natürlich könnte man auch für das Schlafzimmer LED mit einem R_a über 90 kaufen, aber der Unterschied wäre vermutlich nicht oder nur bei einigen wenigen Farben wahrnehmbar, etwa wenn Sie Kleidung für den nächsten Tag herauslegen. Außerdem ist aus den oben genannten Gründen ein hoher R_a-Wert keine Garantie für eine gleichmäßig gute Farbwiedergabe. So gibt es zum Beispiel LED-Lampen mit einem hervorragenden CRI von R_a  ≥ 90. Schaut man auf die Einzelwerte, findet man oft eine Schwäche bei gesättigtem Rot von R₉ = 60. Für die R_a-Berechnung spielt das aber keine Rolle, weil die Messung nach den ersten acht Farben endet und die gesättigten Farben gar nicht berücksichtigt werden.

In der Küche sieht die Bedeutung der Lichtqualität schon anders aus als im Schlafzimmer. Hier gibt es tatsächlich Erfahrungsberichte, dass sich die Zubereitung von Speisen verändert habe bzw. bei gleichem Rezept scheinbar andere Ergebnisse bringt, seit die Beleuchtung der Arbeitsfläche auf LED-Streifen an der Unterseite der Küchenoberschränke umgestellt ist. Wie bereits erwähnt, kann besonders die Farbe von Fleisch anders wahrgenommen werden. Ob der beobachtete Effekt tatsächlich mit dem Farbwiedergabeindex zusammenhängt, lässt sich ohne konkrete Kenntnis der vorher und nachher verwendeten Leuchtmittel nicht beurteilen. Vielleicht hängt es ja doch mit der Farbtemperatur zusammen, denn selbstverständlich sieht rotes Fleisch anders aus, je nachdem, ob es von einer Warmton-Leuchtstoffröhre oder mit neutralweißen LED beleuchtet wird. Eine Standard-Leuchtstofflampe liegt in der Farbwiedergabe übrigens nur zwischen R_a = 65 bis 80. Weiße LED müssen dagegen aufgrund der EU-Verordnung mindestens 80 erreichen, bedeuten also fast immer eine verbesserte Farbwiedergabe gegenüber der Röhre.