Phantome, die unser Wissen beherrschen VIII

Den genauen Zeitpunkt, an dem das Phantom geboren wurde, kann ich nicht angeben. Aber es ist feststellbar, wann die Bedeutung einer guten Farbwiedergabe erkannt wurde. Es war Matthew Luckiesh, der postulierte, dass die menschliche Wahrnehmung auf das Tageslicht angewiesen wäre, weil nur das Tageslicht die Farben gut wiedergeben könne. Das war im Jahre 1926.

Es dauerte eine gute Weile, bis ein offizielles Verfahren entstand. Dessen Geburtsstunde kam 1965, als die erste offizielle Empfehlung für ein Verfahren zur Messung und Kennzeichnung der Farbwiedergabe veröffentlicht wurde. Damals wurde das Verfahren entwickelt, um die neuen[1] Leuchtstofflampen mit klassischen Glühlampen und dem Tageslicht vergleichbar zu machen. Die Methode (CIE 13) entwickelte sinnvollerweise die CIE, um eine weltweit gültige Basis zu erstellen.

Dass man sich damit so viel Zeit lassen konnte, war der Glühlampe zu verdanken, die große Bereiche dominierte, bis die Leuchtstofflampe sie in der Arbeitswelt ablöste. Zuvor galt die Farbwiedergabe der Glühlampe als "natürlich".  Sie sieht ja dem Sonnenuntergang ähnlich aus. Dass es in der Natur viele andere Lichtfarben gibt, ändert nichts an der Tatsache, dass man der Glühlampe Naturnähe nachsagt.

Die heute verwendete Methode (CIE 13.2) stammt aus dem Jahr 1974. Die Version von 1974 ist im Wesentlichen das, was wir heute noch als Standard verwenden. Dabei wurden die Testfarben präzisiert, auf denen die Berechnung des R_a-Wertes basiert.

Wie die Methode (nicht) funktioniert

Da es keine „absoluten“ Farben geben kann, beruht die Methode immer auf einer Referenzlichtquelle mit einem bestimmten Spektrum, die ausgewählte Farbmuster beleuchtet. Man legte fest, dass eine Lampe immer mit einer "idealen" Lichtquelle derselben Farbtemperatur verglichen wird (die war z. B. eine Glühlampe bei 2700 K).

Man wählte aus naheliegenden Gründen zwei Referenzlichtquellen, die Glühlampe und das Tageslicht. Wenn eine Testfarbe unter der neuen Lampe genau so aussah wie unter der Referenz, gab es 100 Punkte. Jede Abweichung führte zu einem Punktabzug.

Während man die Glühlampe sehr gut mit ihrer Farbtemperatur kennzeichnen kann, ist es mit dem „Tageslicht“ nicht so einfach. Wenn man über die Farbwiedergabe (CRI) spricht, ist das "Tageslicht" nicht einfach nur Sonnenschein, sondern eine mathematisch präzise definierte Referenzlichtquelle.

Dieses Tageslicht war zunächst die Normlichtart C. Das war eine echte Lampe mit einem speziellen Blaufilter. Wenn man die Wiedergabe von Farben mit dieser Normlichtart zur Grundlage macht, kann man die Bezeichnung Tageslicht gleich vergessen. Denn das Spektrum der Normlichtart C endete bei 380 nm, wo für die CIE Licht beginnt. Es entsprach auch nicht der natürlichen Strahlungsverteilung des Himmels.  Wer Farben bei diesem künstlichen Tageslicht betrachtet, wird nicht selten den falschen Eindruck bekommen, weil das Un-Licht (UV-Strahlung) fehlt. Diese gehört aber zur Farbwiedergabe vieler Objekte (Textilien, Papier, Wandfarben, Makeup), weil deren Farbwirkung erheblich von optischen Aufhellern bestimmt wird. Deswegen musste die CIE wider die eigene Definition des Lichts handeln und ein neues Tageslicht festlegen, die Reihe DXX. Hierbei steht D (=daylight) für Tageslicht und XX für die Farbtemperatur (D65 = Tageslicht mit der Farbtemperatur 6504 K). Die in 1964 eingeführten Spektren der neuen Tageslicht(er) sehen so aus. Was man sehr deutlich erkennt, ist, dass die Lichtkurve (V(λ)-Kurve) in allen Fällen das Licht im kurzwelligen Bereich (links bis 450 nm) sehr schlecht bewertet. Was dieses Bild aber (fast) verschweigt, ist in der Abbildung darunter hervorgehoben, die UV-Strahlung unter 380 nm.

Die hier abgebildete Strahlung erzeugt den Effekt der optischen Aufheller, ohne den eine Farbprüfung keinen Sinn macht.

Die Farbwiedergabequalität, die mit dem Index R gekennzeichnet wird, wird nicht etwa durch einen Vergleich eines bekannten Objektes, z.B. eines Orientteppichs, unter dem Referenzlicht und der zu prüfenden Lampe bestimmt. Das wäre viel zu unwissenschaftlich. Obwohl der Orientteppich aus farbechten Fasern besteht, die ihre Farbtreue über Jahrhunderte bewiesen haben, wird mit einem Satz von 8 Prüfmustern (R₁ … R₈) aus dem Munsell-Farben-Spektrum rechnerisch geprüft.

Um von einem wirren Spektrum (unten, rechts) zu einer sauberen Zahl wie R_a = 83 zu kommen, brauchte man 1965 ein mehrstufiges Rezept. Zuerst berechnete man für jede der acht Testfarben, wie stark sie sich unter der Testlampe im Vergleich zur Referenz verschiebt. Man nutzt dafür den CIE 1960 UCS-Farbraum. Danach wurde diese Verschiebung in eine Punktzahl zwischen 0 und 100 umgewandelt. Die Formel lautet:

R_i = 100 - 4,6 • ΔE_i

Wobei ΔE_i aus dem Farbraum[1] berechnet wird. Wie kommt man aber auf den Faktor 4,6? Das ist der "Skalierungsfaktor". Die CIE hat diesen Wert so gewählt, dass eine damals handelsübliche Standard-Leuchtstofflampe (Typ "Warmweiß") genau einen Wert von 50 erhält. Man wollte eine Skala konstruieren, die für den Nutzer intuitiv sein soll.[2]

Danach rechnet man die Werte für die 8 Testfarben zusammen und mittelt. So entsteht der CRI-Wert, den man 2026 auf jeder Lampenverpackung liest. Denn CRI ist eine relevante Größe, die auch im Marketing eine große Rolle spielt. Deswegen muss der entsprechende Wert angegeben werden. Die Energiekennzeichnungsverordnung (EU) 2019/2015 macht die Angabe von R_a oder CRI zur Pflicht. Der Hersteller ist gesetzlich verpflichtet, den genauen CRI-Wert in die europäische Produktdatenbank (EPREL) einzutragen. Über den QR-Code auf der Packung muss dieser Wert für dich als Verbraucher jederzeit abrufbar sein.

Die oben angegebene Berechnungsmethode nach 8 Testfarben ist aber längst Geschichte.

Das ist der Moment, in dem die Mathematik auf die physikalische Realität trifft. Um zu verstehen, warum das 1965er-System heute "schwitzt", muss man sich ansehen, wie unterschiedlich diese Lampen ihr Licht zusammenmischen. So sieht z.B. das Spektrum einer Lampe im Vergleich mit echtem Tageslicht aus, deren Farbwiedergabeindex besser ist als in allen Beleuchtungsnormen gefordert. Das Spektrum der Lampe hat mehr Lücken als Fleisch.

Frühere Leuchtstofflampen (Halophosphat-Lampen) funktionierten wie ein schlechtes Orchester, das nur drei Töne spielt, aber behauptet, eine Sinfonie zu spielen. Deren Spektrum bestand aus extrem hohen, schmalen Spitzen. Zwischen diesen Spitzen gab es riesige Lücken. Wenn eine der acht Testfarben genau in eine solche Lücke fiel, sah sie unter der Lampe völlig grau oder verfälscht aus. Die Hersteller optimierten ihre Gase und Leuchtstoffe oft genau so, dass sie die acht Testfarben (R₁–R₈) der CIE perfekt trafen, während andere Farbtöne dazwischen völlig vernachlässigt wurden.

Ein Experte, der die Leute gut kannte, die die 8 Testfarben aussuchten, sagte seinerzeit: “Da habt ihr aber ganz gut hin- und hergeschoben, bis eure Lampen nicht drittklassig wurden.”

Da die acht CIE-Testfarben von 1965 allesamt eher blasse Pastelltöne sind, bemerken sie das Fehlen von sattem Rot kaum. Eine Lampe kann also einen CRI von 85 haben, aber die Tomaten in der Küche sehen trotzdem blass und unappetitlich aus, weil das gesättigte Rot im Spektrum einfach fehlt. Das waren die 8 Testfarben von 1965.

Ich denke, ein Blick auf #6 Himmelblau genügt, mit was für einer Gesamtqualität man rechnen konnte. Man merkte schnell, dass die Pastelltöne wie Altrosa oder Fliederviolett nicht ausreichten, um die Qualität von Lichtquellen für gesättigte Farben oder spezielle Objekte (wie Haut oder Pflanzen) zu bewerten. Die acht Standardfarben von 1965 wurden mathematisch so gewählt, dass sie den gesamten Farbkreis abdecken sollten, aber sie sind alle wenig gesättigt. So musste 1974 nachgebessert werden. Es kamen vier gesättigte Farben hinzu, zu denen man noch die Hautfarbe (R₁₃  nachgestellt nach europäischem Teint (Munsell 5 YR 8/4)) und Blattgrün R₁₄ addierte. So ganz nach Frühling sieht das gewählte Blattgrün nicht aus. Die letzte Testfarbe, Blattgrün, zeigt deutlich, was diesem System gefehlt hat. Es gibt selten eine Farbe, die unsere Umwelt prägt. Eine Lampe konnte also volle 100 Punkte bekommen, ohne dass sie Blattgrün wiedergeben konnte.

Wo die Methode krankte

Die Methode 1965 krankte zum einen daran, dass zwei unterschiedliche Lichtquellen (Normlichtart A und Normlichtart C/D65 einen Höchstwert von 100 erreichen konnten. Dies lesen bis heute viele so, dass die Zahl 100 eine Prozentzahl wäre. Und eine 100-prozentige Farbwiedergabe? Perfekt! Es kann nicht besser gehen. Ein R_a = 100 heißt nur, dass jemand berechnet hat, dass die 8 Testfarben gut wiedergegeben werden sollen. Beleuchtungen mit der Glühlampe und D65 ergeben sehr unterschiedliche Farbumgebungen. Aber für beide gilt CRI = 100.

Die Berechnung wird meines Wissens nicht nachgeprüft. Obwohl ich im Laufe meiner Karriere viele Jahre im Lichtlabor verbracht habe, vier Semester Farbenlehre studiert und im Farblabor gearbeitet habe und rund einem Drittel der großen Namen der Branche persönlich begegnet bin, habe ich nie einen Menschen erlebt, der den Farbwiedergabeindex für eine Lampe berechnet.

Die Angabe von Zahlenwerten, die mit 100 enden, suggeriert, dass es sich um eine Art Skala handele, die sich von der simplen Nominalskala unterschiedet. Eine Nominalskala kategorisiert die Objekte der Betrachtung (z.B. in Rot, Grün, Blau). Folgt diese Kategorisierung einem Wertesystem, spricht man von einer Ordinal-Skala. Bei dem Beispiel von Rot, Grün und Blau kann man die Einordnung nach der Wellenlänge des Lichts vornehmen und die Aufzählung als Blau (kürzeste Wellenlänge), Grün und Rot (längste Wellenlänge) aufsetzen.Beide Skalenformen rechtfertigen eine Angabe von Zahlen nicht, weil diese in die Irre führen. Skalen mit echten Zahlenwerten sind zum einen Intervall-Skalen, bei denen der Abstand zwischen Punkten (1 und 2 oder 3 und 4) gleich ist. Das gilt z.B. für die Celsius-Skala für Temperaturen. Eine Differenz von 2 °C bleibt stets gleich.

Die höchste Skalenform ist die Verhältnisskala. Sie hat einen echten Nullpunkt und immer gleiche Abstände. Sie kann positive wie negative Werte einnehmen, wie bei Höhen. Da man bei einer Farbwiedergabe einen negativen Index nicht deuten kann, erwartet man einen Nullpunkt. Dies stimmt leider nicht, CRI kann auch – 44 betragen (Natriumdampflampe). Warum man je einen CRI von 0 berechnen sollte, wüsste ich nicht, außer dass die Lampe kein Licht abgibt. Eine Kerze hat einen CRI von fast 100, obwohl man bei Kerzenschein blaue Socken kaum von schwarzen unterscheiden kann. Eine Lampe kann einen stolzen CRI von 90 haben, aber eine Tomate trotzdem braun aussehen lassen, weil das wichtige R9 (gesättigtes Rot) nicht Teil der Berechnung ist. Man hat sich nur darauf geeinigt, bei 0 die Grenze für die Vermarktung zu ziehen, weil „CRI - 40“ im Baumarkt schwer zu verkaufen wäre.

Der CRI bestraft jede Abweichung von der Referenz – egal in welche Richtung. Eine LED, die Obst knackiger aussehen lässt als das echte Sonnenlicht, kriegt einen schlechteren CRI als eine LED, die Farben einfach nur stumpf wiedergibt. Schlicht gesagt: Die Skalenqualität des Farbwiedergabeindexs ist sehr fragwürdig. Wenn es nur dabei bliebe! Obwohl die CIE bereits 1964 ihre Normlichtart C ohne UV-Anteil abschaffen musste, weil Produkte, deren Farbe unter diesem Standardlicht geurteilt wurde, nicht allzu viel Ähnlichkeit mit ihrer Farbe unter realen Bedingungen hatten, wird auch heute noch der allgemeine Farbwiedergabeindex R_a von 1965 mit 8 Testfarben angegeben. D.h., das Testen von Produkten wie Autos oder Textilien findet unter dem Einfluss von UV-Licht statt. Die Fähigkeit von Lampen, Farben wiederzugeben, gibt man aber wie am ersten Tag ohne UV an.

Zu guter Letzt: die Benutzung des Wortes Tageslicht für eine fiktive Normlichart. Erstens gibt es mehrere Normlichtarten, deren Name mit D wie daylight anfängt. Zweitens – und das ist schlimmer – schließt die Definition des Tageslichts durch die CIE die Tageslicht genannten Normlichtarten aus: Licht bedeutet (e-ilv Begriff 17-21-013) Strahlung in dem Spektralbereich der sichtbaren Strahlung (= optische Strahlung, die in der Lage ist, eine Sehempfindung direkt hervorzurufen). Tageslicht bedeutet (e-ilv Begriff 17-29-105) Teil der globalen Sonnenstrahlung, die in der Lage ist, eine Sehempfindung hervorzurufen.

Somit wird als Tageslicht etwas definiert, das in der Natur nicht existiert. Dieses Tageslicht entspricht nicht der Normlichtart, die als Tageslicht angegeben wird.

Das „wahre“ Tageslicht wird im normalen Leben Tageslicht genannt, wo man natürliche Strahlung wahrnimmt. Bei Gebäuden gilt dies auf beiden Seiten von Fenstern. Überall, wo man Innenräume mit natürlicher Strahlung beleuchtet, wird sie Tageslichtbeleuchtung genannt. In Wirklichkeit handelt es sich im Innenraum um sehr stark gefiltertes Licht. Während der allgemeine Glaube herrscht. Glas sei lichtdurchlässig, also transparent, ist die Situation sehr intransparent, ohne dass relevante Leute wie Architekten dies immer merken. Das untere Bild zeigt die Filterwirkung von einigen Gläsern im Vergleich mit einer einfachen Verglasung. Eine Verglasung, die das Licht nur schwächt, aber farblich unbeeinflusst lässt, würde eine horizontale Gerade ergeben. Dies entspricht etwa der einfachen Verglasung, die rund 90% des Lichts hineinlässt. Alle anderen abgebildeten Gläser sind nicht farbneutral.

Nach dem Standard ISO/TR 9241-610 kann die Verglasung von Gebäuden im Minimum die Lichtmenge um 8% reduzieren. Maximalwerte für verschiedene moderne Gläser liegen zwischen 69% und 29%. Hierbei wird das Licht so gefiltert, dass CRI maximal 97 beträgt, d.h. die Verglasung reduziert die Güte der Farbwiedergabe etwas. Die Reduktion kann bis CRI = 77 erfolgen. Eine Lampe mit dieser Qualität der Farbwiedergabe darf in der EU nicht für Innenräume verkauft werden. Das bedeutet schlicht, dass das natürliche Tageslicht in Innenräumen nicht nur in der Größenordnung von etwa 1% ihrer natürlichen Intensität ankommt, sondern auch spektral erheblich verfälscht werden kann.

Hierbei ist noch nicht berücksichtigt, dass das Glas mittlerweile die gesamte UV-Strahlung wegfiltert. D.h., ein schönes Weiß, das erst mit Hilfe von optischen Aufhellern erzeugt wird, sieht man in Innenräumen nicht mehr. Es sieht aus, als wäre der Gilb drin.

Fazit und Aussichten

Das hier besprochene Phantom verdient eigentlich die Bezeichnung Zombie, zumal seine Fehler bereits in den 1970ern erkannt worden waren. Obwohl Korrekturen erfolgten (CIE 13.2 1974  und CIE 13.3 1995) blieb es bei der Größe R_a, die nunmehr in der neuesten Beleuchtungsnorm der CIE ISO/CIE 8995-1:2025 für die Beschreibung der Farbwiedergabe herangezogen wird. Da die Überarbeitung dieser Norm über 20 Jahre gedauert hat, die letzte Version war 2002, wird es keine baldige Änderung geben.

CIE hat 2017 mit CIE 224 CIE Technical Report Colour Fidelity Index for Scientific Use eine verbesserte Methode vorgelegt. Allerdings soll sie nur für „wissenschaftliche“ Anwendung gelten, was immer das sein mag. Zuvor hatte die US-amerikanische IES mit IES TM-30-15 Method for Evaluating Light Source Color Rendition, Illuminating Engineering Society eine Alternative vorgelegt. Danach folgten aber noch IES TM-30-18 Method for Evaluating Light Source Color Rendition, 2018 und IES TM-30-20 Method for Evaluating Light Source Color Rendition, 2019.

Diese plötzliche Eile hat viel mit der LED als Leuchtmittel zu tun. LEDs haben ein völlig anderes Spektrum als Glühlampen. Sie können bei den 8 Standardfarben super abschneiden, aber bei gesättigten Farben (besonders Rot, bekannt als R₉) kläglich versagen. Auf der anderen Seite können LED sehr gute Spektren erreichen, ohne dafür an Effizienz einzubüßen.[1] Mit IES TM-30-15 kam der Gamechanger. Das war kein simpler Index, sondern ein komplexes System mit 99 Testfarben statt nur 8, einem neuen Fidelity Index R_f, der den Unterschied zwischen Licht und Referenzlicht angibt. Hinzu kam noch ein R_g wie Gamut, der beschreibt, wie intensiv oder gesättigt die Farben unter einer Lichtquelle erscheinen. Der Gamut ist die Gesamtheit aller Farben, die ein System (eine Lampe, ein Monitor oder ein Drucker) darstellen kann. R_g > 100: Die Farben wirken gesättigter und kräftiger. Ein Apfel sieht unter diesem Licht „roter“ aus, als er eigentlich ist. Das wirkt oft brillant und attraktiv. R_g <100: Die Farben wirken blasser oder „entsättigt“. Das Licht wirkt flach und lässt Oberflächen oft etwas grau oder leblos erscheinen.

Somit haben wir eine Methode, die nicht nur angibt, ob die Farbe “richtig” ist. Bei hoher Fidelity und einem Gamut von 100 werden die Farben “naturgetreu” wiedergegeben, was z.B. für Museen oder Kleidung wichtig ist. Bei Gamut über 100 wirken Farben frisch und lebendig. So etwas lässt die Obstauslagen im Supermarkt oder modische Artikel in Boutiquen anziehender erscheinen. LEDs mit einem Gamut-Wert unter 90 lassen die Farben müde und gräulich wirken. Die findet man häufig in Büros, bei denen sich die Lichttechnik nicht gerade viel Mühe macht.

Die letztere Methode (IES TM-30-20) soll die Zukunft bedeuten. Sie wurde 2020 aktualisiert, die besagte Beleuchtungsnorm ISO/CIE 8995-1 von 2025 hat sie noch nicht wahrgenommen.

Merkmal	CRI (CIE 13.3)	IES TM-30-20
Anzahl Testfarben	8 (Pastelltöne)	99 (reale Objekte, Natur, Haut)
Farbraum	Veraltet (1964)	Modern und präzise (CAM02-UCS)
Aussagekraft	Nur Genauigkeit	Genauigkeit + Sättigung + visuelle Grafik
LED-Optimierung	Mangelhaft (R9-Problem)	Exzellent für moderne LED-Spektren

[1] Bei Leuchtstofflampen war die Güte des Spektrums mit einem höheren Energieverbrauch für den gleichen Lichtstrom verbunden. So konnte eine Beleuchtung mit einem Vollspektrum bis 60% mehr Energie bei der gleichen Beleuchtungsstärke verbrauchen wie eine vergleichbare Dreibandenlampe.

[1] Ein Farbraum ist im Grunde ein mathematisches Koordinatensystem, das dazu dient, Farben messbar und vergleichbar zu machen. In diesem Raum wird jeder Farbe eine Adresse zugewiesen. Die meisten Farbräume basieren auf drei Achsen (Dimensionen), da das menschliche Auge drei Arten von Farbrezeptoren hat. Je nachdem, wie man diese Achsen definiert, entstehen unterschiedliche Modelle. Manche dieser Modelle sind technikorientiert. In der Wissenschaft ist der Farbraum wahrnehmungsorientiert und unabhängig von der Technik.

[2] So ganz intuitiv wurde die Skala dennoch nicht. Da musste man etwas nachhelfen. So gilt der Bereich CRI 90 – 100 als 1A. CRI zwischen 80 und 89 wurde 1B genannt, damit die Dreibandenlampe nicht zweitklassig erscheint. Danach kommt 2A (CRI 70 – 79).

[1] In 1965 war die Leuchtstofflampe nicht neu. Sie hatte sich aber weitgehend durchgesetzt, so dass die Glühlampe in Arbeitsbereichen weitgehend abgelöst wurde.

.