Lichtfarben – von warm bis kühl
Der Mensch erlebt seine Umwelt nicht nur durch Licht und Schatten, sondern auch durch Farben. Die Lichtfarbe eines Leuchtmittels bestimmt zudem den Raumeindruck und ist ein wichtiges Kriterium bei der Planung einer biologisch wirksamen Beleuchtung.
Das Licht jeder Lichtquelle besitzt eine Eigenfarbe, die sogenannte Lichtfarbe. Sie wird beschrieben durch die Farbtemperatur, gemessen in Kelvin (K). Je höher der Temperaturwert, desto kühlweißer die Lichtfarbe.
Die Lichtfarben von Lichtquellen sind in drei Gruppen eingeteilt:
- Warmweißes (ww) Licht wird als gemütlich und behaglich empfunden.
- Neutralweißes (nw) Licht erzeugt eine eher sachliche Stimmung.
- Tageslichtweißes (tw) Licht wirkt kühl und nüchtern und ist wichtig für biologisch wirksame Beleuchtung.
Lichtfarben der Lichtquellen
Lichtfarbe | Farbtemperatur in Kelvin |
warmweiß | 2.700 - 3.300 |
neutralweiß | 3.300 - 5.300 |
tageslichweiß | > 5.300 |
Noch ein Tipp: Tageslichtweißes Licht in Innenräumen wirkt bei Beleuchtungsstärken unter 500 Lux fahl und langweilig – so empfinden es die Mitteleuropäer. Generell werden in den mediterranen Ländern eher tageslichtweiße, in nordeuropäischen Regionen warmweiße Lichtfarben bevorzugt. Das erklärt sich dadurch, dass Lichtfarben das Temperaturempfinden beeinflussen.
Farbtemperatur bestimmen: Der Plank’sche Strahler
Wird der Wolframfaden einer Glühlampe erhitzt, so leuchtet er erst rötlich, dann gelblich und schließlich weiß. Der Physiker Max Planck hat für diese Art von Strahlung, die sogenannte Temperaturstrahlung, eine mathematische Formel entwickelt. Mit ihrer Hilfe lassen sich auch Lichtfarben oberhalb der Schmelztemperatur von Wolfram beschreiben.
Zur Bestimmung der Farbtemperatur wird der Farbeindruck einer Lampe im menschlichen Auge mit jenem eines ideal glühenden Materials (= schwarzer Strahler bzw. Plank’scher Strahler) verglichen, dessen Lichtfarbe durch seine Temperatur bestimmt wird. Wird ein solcher Plank’scher Strahler erhitzt, durchläuft er eine Farbskala von Rot, Orange, Gelb und Weiß bis zu hellblau.
CIE-Farbtafel und Black-Body-Kurve
Zur übersichtlichen Darstellung des wahrnehmbaren Farbraums hat die internationale Beleuchtungskommission CIE eine zweidimensionale Normfarbtafel entwickelt. Dieses Koordinatensystem enthält auf einer hufeisenförmigen Kurve alle Spektralfarben; die Black-Body-Kurve alle Farbtemperaturen von weißem Licht. In der Mitte liegt der Weißpunkt W (= Unbunt). Hier sind alle Farben zu gleichen Anteilen vorhanden (x = 0,33 / y = 0,33).
Die Farbe einer Lichtquelle wird nun in der Farbtafel je nach ihrer Farbtemperatur auf oder dicht neben dem CIE-Spektralfarbzug gekennzeichnet. Diese Temperatur wird durch die ähnlichste Farbtemperatur (Tcp) gekennzeichnet. Das ist diejenige Temperatur, die erhitztes Platin annimmt, um in gleicher Farbe zu erscheinen wie die Lichtquelle. So beschreiben niedrige Farbtemperaturen bis etwa 3.300 Kelvin warme, eher gelb-rötlich erscheinende Lichtfarben und hohe Farbtemperaturen kühle, weiß-blaue Lichtfarben – ähnlich dem Tageslicht, das auch bei einem bedeckten Himmel rund 6.500 Kelvin erreicht.
Das Licht von Lampen mit gleicher Lichtfarbe kann eine völlig unterschiedliche spektrale Zusammensetzung haben und deshalb auch eine andere Farbwiedergabe. Aus diesem Grund ist es nicht möglich, aus der Lichtfarbe einer Lampe auf die Qualität ihrer Farbwiedergabe zu schließen.
LED-Binning sichert einheitliche Lichtfarben
Besonderes Augenmerk in punkto Lichtfarbe erfordert die Produktion von LED-Chips. Da bei der industriellen Fertigung innerhalb einer Charge Toleranzen auftreten, etwa in der Lichtfarbe, werden LED nach der Produktion gemessen und je nach Toleranzklasse in sogenannte Bins (= Töpfchen) sortiert. Seit 2008 existiert eine Standard-Binningstruktur des ANSI (American National Standards Institute). Ein Farb-Bin entspricht dabei einer bestimmten Fläche im CIE-Farbdreieck. Nur der Einsatz sorgfältig gewählter Binning-Gruppen garantiert einheitliche Helligkeiten und Lichtfarben – und ist damit ein wichtiges Qualitätsmerkmal.
MacAdam-Ellipsen
Noch genauer beschreiben MacAdam-Ellipsen mögliche Farbabweichungen. Dieses System basiert auf den Untersuchungen von David MacAdam und beschreibt Bereiche im CIE-Farbdiagramm, in denen das menschliche Auge keine Farbunterschiede zum Zentrum der jeweiligen Ellipse erkennen kann. Die äußere Begrenzung der Ellipse kennzeichnet also die gerade noch unterscheidbaren Farben. MacAdam-Ellipsen werden oft auf einen drei-, fünf- oder siebenfach größeren Durchmesser als das Original vergrößert, damit unterschiedliche Lichtquellen besser unterschieden werden können. So unterscheiden sich Lichtquellen mit dem Farbabstand einer Drei-Stufen-MacAdam-Ellipse weniger stark als zwei Lichtquellen, deren Farbabstand einer Fünf-Stufen-Ellipse entspricht. Die Grenze des kleinsten für den Menschen wahrnehmbaren Farbunterschieds wird durch eine One-Step-MacAdam-Ellipse definiert. Produkte innerhalb dieser Ellipse können in ihren Farbnuancen vom menschlichen Auge nicht mehr unterschieden werden. Die erforderlichen Toleranzbereiche für das Binning werden durch die Anwendung der Leuchte bestimmt. Dabei gilt: Je enger das Binning der LED, desto einheitlicher das Licht und desto höher der Anschaffungspreis.
Lichtfarbe wirkt auch nichtvisuell
Die Lichtfarbe hat auch Auswirkungen auf den circadianen Rhythmus des Menschen. Sie ist deshalb ein wichtiges Kriterium bei der Planung einer biologisch wirksamen Beleuchtung nach dem Vorbild des natürlichen Tageslichts
Biologisch wirksam im Sinne der Tagesaktivierung ist vor allem tageslichtweißes Licht mit höheren Blauanteilen von mindestens 5.300 Kelvin (K). Bei LED-Modulen kann die Farbtemperatur durch das Zusammenspiel unterschiedlicher LED zwischen warmen und tageslichtweißen Lichtfarben gewählt werden. Diese Technologie nennt sich tunable white; ihre Qualität hängt stark von der Steuerungselektronik ab.
Da eine aktivierende Beleuchtung nur am Tag sinnvoll ist, werden abends warme Lichtfarben mit bis zu 3.300 K in Kombination mit niedrigen Beleuchtungsstärken empfohlen.