7.5 Farbmetrik
Farbe ist das Ergebnis visueller Sinneswahrnehmung. Bei der Farbwahrnehmung werden chromatische und achromatische Farben kombiniert.
Dabei unterscheidet man zwischen chromatischen Farben wie Gelb, Orange, Braun, Rot, Pink, Grün, Blau, Violett oder achromatischen Farben wie Weiß, Grau, Schwarz etc., die bei Helligkeit, Dämmerung, Licht, Dunkelheit oder bei einer Kombination verschiedene Eigenschaften aufweisen.
Die wahrgenommene Farbe hängt von mehreren Faktoren ab: Spektrale Verteilung des Farbreizes; Größe, Form, Struktur und Umgebung der Reizfläche; Adaptionszustand des visuellen Systems des Beobachters und personenbezogene Erfahrung mit vorangegangenen und ähnlichen Sichtbedingungen (siehe weitere Informationen über die Farbmetrik).
Messung von Farbe und Beleuchtungsstärke
Bei vielen Anwendungen in Bezug auf Farb- oder Farbtemperaturmessung selbst leuchtender Lichtquellen, wird die Messgeometrie der Beleuchtungsstärke herangezogen. Durch eine angemessene absolute Kalibrierung der Messsysteme kann sowohl die Beleuchtungsstärke in Lux (lx) einer Referenzebene als auch die farbmetrischen Parameter ermittelt werden. Wird das einfallende Licht diffus reflektiert, muss die Messung mit einem Messsystem vollzogen werden, welches ein an die Kosinus- Funktion angepasstes Gesichtsfeld besitzt. Nur so können die Gesetze für einfallende diffuse Strahlung einer oder mehrerer Strahlquellen erfüllt werden. Detektoren zur Messung absoluter Beleuchtungsstärke erfordern eine spezielle Messgeometrie mit räumlich unterschiedlicher Kosinus-Funktion. Ist die einfallende Strahlung nicht parallel, ist die Genauigkeit der Kosinus-Funktion für das Messergebnis von entscheidender Wichtigkeit. In Deutschland klassifiziert DIN 5032, Teil 7, die Qualität der für Beleuchtungsstärke ausgelegte Messgeräte (Luxmeter / Photometer). Die Einteilung erfolgt gemäß ihrer Messgenauigkeit:
- Geräte unterhalb der Klasse A weisen eine insgesamte Messunsicherheit von 7,5 % gegenüber präziser Messungen auf.
- Geräte der Klasse B weisen eine insgesamte Messunsicherheit von 10 % für Betriebsmessungen.
In der Farbmetrik liegen keine äquivalenten Regelungen vor, sodass einige aus DIN-5032 auch für Farbmessgeräte für Beleuchtungsstärke angewandt werden können.
Abb 1: Messgerät für Farbe und Beleuchtungsstärke
Messung von Farbe mit Spektralradiometers
Heutzutage werden normalerweise spektrale Messungen für Farbauswertungen genutzt. Dies aufgrund der geringeren Messunsicherheiten. Spektralradiometer ausgehend von Handheld-Geräten, die mit Hochgeschwindigkeits-Bining-Geräten enden.
Fig 2: Spektralradiometer
Messung von Farbe und Lichtstrom
Lichtstrom ist eine Größe, mit der die Gesamtmenge an in alle Richtungen emittierter Strahlung einer Lichtquelle gemessen wird. Die dazugehörige photometrische Einheit ist Lumen (lm). Der Lichtstrom dient u. a. als Referenzgröße für den Wirkungsgrad von Glühlampen, Bogenlampen, LEDs und weiteren Quellen. Ermittelt wird er durch das Verhältnis zwischen zugeführter elektrischer Leistung und Lichtstrom.
Strahlt eine Lichtquelle einen nahezu parallelen Strahl aus, kann der Lichtstrom mittels eines Photodetektors ermittelt werden. Dabei wird davon ausgegangen, dass der Strahldurchmesser kleiner ist als jener der Detektor-Messöffnung. Ist der Lichtstrahl jedoch stark divergierend oder liegt eine Raumwinkeleigenschaft von 4π vor, muss eine Messgeometrie herangezogen werden, die der Ermittlung des gesamt emittierten Lichts dient. Dabei spielt die Richtung, in die emittiert wird, keine Rolle. Hohlkörper, idealerweise in Form einer hohlen Kugel, werden dabei am häufigsten für stark divergierende Quellen benutzt. Sie enthalten eine diffus reflektierende Innenwand. In Deutschland sind derartige Hohlkugeln als Ulbrichtkugeln bekannt. Der wesentliche Aufbau einer Ulbrichtkugel wird in der nachfolgenden Grafik gezeigt.
Messung von Farbe und Lichtstärke
Mit der Lichtstärke wird der in eine bestimmte Richtung emittierte Lichtstrom einer Quelle gemessen. Für die Richtung liegt dabei ein festgelegter Raumwinkel vor. Die photometrische Messeinheit ist Candela (cd). Besonders bei bildgebenden Systemen (Linsensystemen, Reflektoren) ist die Messung der Lichtstärke von Lampen und Projektoren wichtig. Hierbei gilt es, die anschließende Verteilung der Lichtstärke ausgehend vom Beleuchtungsoder Strahlersystem zu berechnen.
Die Messung der Lichtstärke verlangt eine Gesichtsfeldbeschränkung des Farbdetektors im Hinblick auf den gewünschten Raumwinkel. Eine solche Sichtfeldeingrenzung von Detektorköpfen wird für gewöhnlich durch raumwinkelspezifische Adapterleitungen erreicht. Dabei müssen die Innenwände dieser Leitungen so beschaffen sein, dass sie nur einen niedrigen Reflexionsgrad aufweisen. Raumwinkelspezifische Leitungen werden stirnseitig am Detektor angebracht.
Abb. 2: Typische Messgeometrien
Messung von Farbe und Leuchtdichte
Mit der Leuchtdichte wird die Lichtstärke von emittierenden Flächen in der photometrischen Einheit Candela pro Quadratmeter (cd/m2) beschrieben. Auch hier gilt es, einen bestimmten Gesichtsfeldwinkel des farbmetrischen Geräts zur Bestimmung der Leuchtdichte festzulegen. Dazu werden raumwinkelspezifische Leitungen oder Linsensysteme verwendet.
Messung der Farbtemperatur
Die spektralen Eigenschaften einer Lichtquelle werden vereinfacht mittels der Farbtemperatur dargestellt. In der Realität wird Lichtfarbe dadurch bestimmt, wie viel jeder Punkt auf der spektralen Kurve zur Ausbeute beiträgt. Das Ergebnis kann durch lineares Summieren ermittelt werden.
Eine niedrige Farbtemperatur deutet auf wärmeres Licht (eher Gelb / Rot) hin, während eine hohe Temperatur ein kälteres Licht (eher Blau) indiziert. Bei Morgendämmerung hat Tageslicht eine eher niedrigere Farbtemperatur und eine höhere am Tag. Es empfiehlt sich daher, am Tag elektrische Beleuchtungssysteme anzubringen, die für zusätzlich kühleres und nachts für wärmeres Licht sorgen. Diese Vorgehensweise entspricht der menschlichen Empfindung gegenüber den warmen Lichtfarben von Kerzen oder einer Feuerstelle in der Nacht.
Die standardmäßige Einheit der Farbtemperatur ist Kelvin (K).
Die Einheit Kelvin stellt die Grundlage für alle Temperaturmessungen dar, angefangen bei 0 K (= -273,16 °C) beim absoluten Nullpunkt der Temperatur. Ein Temperaturintervall von einem Kelvin entspricht größenmäßig jenem von einem Grad Celsius und ist der 273,16te Teil der thermodynamischen Temperatur des Tripelpunkts des Wassers, wobei 0° Celsius ungefähr 273,16 K entsprechen.
Manchmal werden Lichtquellen auch durch ihre korrelierte Farbtemperatur (engl. CCT) beschrieben. Damit wird die Temperatur eines (Planck’schen) Schwarzkörperstrahlers beschrieben, welcher der Lichtquelle am ähnlichsten ist. Der Schwarzkörperstrahler ist eine ideale Oberfläche, die in der Lage ist, die gesamte auftreffende Energie zu absorbieren und sie dann vollständig auszustrahlen. Die spektrale Leistungsverteilung der Glühlampe (Wolfram) entspricht in Bezug auf ihre Temperatur ungefähr dem Schwarzkörperstrahler. Die korrelierte Farbtemperatur wird normalerweise durch die Celsius-Skala bzw. Grad Kelvin (K) angegeben.
Einige typische Farbtemperaturen sind:
- 1500 K: Kerzenlicht
- 3000 K: 200 W Glühlampe
- 3200 K: Sonnenaufgang / -untergang
- 3400 K: Wolframlampe
- 5500 K: Tageslicht bei Sonne um die Mittagszeit
Bei vielen farbmetrischen Aufgaben ist es wichtig, die Farbtemperatur von leuchtenden Objekten zu bestimmen. Gemäß DIN 5031, Teil 5, ist die Farbtemperatur tc einer leuchtenden Oberfläche äquivalent zur Temperatur eines Planck’schen Strahlers, bei der er Strahlung derselben Farbe emittiert wie die zu charakterisierende Oberfläche. Das Messgerät berechnet die Farbtemperatur und zeigt diese an. Zur Berechnung dient ein Algorithmus nach Qiu Xinghong, mit dem sich sehr zuverlässige Messergebnisse für den Farbtemperaturbereich von 1667 K bis 25000 K ermitteln lassen.