Expertise for Lumen Beings: Weißlicht

Expertise for Lumen Beings: Ab sofort macht euch Lichtspezialist Herbert Bernstädt fit in allen Bereichen der Licht- und Scheinwerfertechnik. In der ersten Ausgabe der Reihe beschäftigt sich der erfahrene Beleuchtungsmeister und Entwicklungsingenieur mit der wohl wichtigsten Lichtfarbe überhaupt: Weißlicht.

Weißlicht – Womit?

Neben der Leistung werden Stufenlinsen- bzw. Fresnellinsen-Scheinwerfer (kurz: Stufe) in erster Linie aufgrund ihrer Farbtemperatur ausgewählt.  Wenn man nichts spezifiziert, unterstellt man eine Halogenlichtquelle mit einer Farbtemperatur von 3200K. In Fernsehstudios spricht man auch von Kunstlicht. Kunstlicht, weil es im Gegensatz zum natürlichen Licht künstlich mit Elektrizität erzeugt wurde. Mit dem Begriff Tageslicht sind dagegen Entladungslampen als Lichtquelle gemeint, die dem Tageslicht ähnliche Farbtemperaturen von 5600K erzeugen können. Eine Stufe mit Halogenleuchtmittel kann nicht einfach mit einer Entladungslampe ausgestattet werden. Viel zu groß sind die konstruktiven Unterschiede, die mit Einsatz der Entladungslampe umgesetzt werden müssen, wie UV-Schutz oder Schutz vor mehreren tausend Volt Zündspannung. Mit LEDs als Lichtquelle wird die Wahl um drei Prinzipien erweitert.

LED = Drei Weißlicht Prinzipien

So wie man eine Halogenlampen-Stufe nicht zu einer Entladungslampen-Stufe umbaut, so muss man auch bei LEDs im Vorfeld für eine der drei Weißlichtarten entscheiden. Denn jedes Prinzip benötigt die für sich passenden LED-Treiber, womit es nicht mit einem einfachen Austausch des LED-Boards getan ist. Wir unterscheiden drei Systeme:

• Konstant-Weiß mit einem Treiberkanal der nur einen Typ von Weißlicht-LEDs ansteuert.
• Variables Weiß mit zwei Treiberkreisen, die zwei verschiedene Weißlicht-Farbtemperaturen ansteuern.
• Und Full Colour, bei der das Weißlicht aus der Summe verschiedener LED-Farben generiert wird. Die folgende Tabelle zeigt die wesentlichen Unterschiede der drei Prinzipien.

T oder D Konstant-Weiß

Höchste Lichtstärke ist garantiert, wenn man sich für eine feste Farbtemperatur entscheidet. Logisch, weil jeder vorhandene LED-Chip mit aller Kraft zur Lichtstärke beiträgt. In der Regel stehen Lichtfarben von 3200K oder 5600K für Kunst- oder Tageslicht zur Verfügung. In manchen Fällen aber auch 3000K, wobei der Unterschied zur 3200K nicht so gravierend ist. Man hatte auch bei den Halogenleuchten oftmals auf 3000K Brenner zurückgegriffen, da diese als Longlife-Typen 2000 Stunden mittlere Lebensdauer (mLd) aufwiesen statt der bei 3200K nur noch 200h mLd die Regel ist. Ein ACL-Brenner mit 3400K kann nur noch 20 h mLd bieten.
Bei Alterung von Weißlicht-LED-Chips driftet die Farbtemperatur kaum merklich in die kältere Lichtfarbe, weil das Phosphor schneller degeneriert als der Siliziumkristall der LED. Der Schwund der Helligkeit über die Jahre bei normalem Gebrauch ist meist nur im direkten AB-Vergleich zu sehen. Die Entfernung zum bestrahlten Objekt hat meist wesentlich stärkeren Einfluss als der lebensdauerbedingte Helligkeitsverlust der LED, wenn sie nicht zu heiß und in vernünftigen Betriebsparametern betrieben wird. Sollte man dennoch das LED-Array austauschen wollen, so ist dies bei Scheinwerfern von Cameo ebenfalls mit Schrauben- und Steckverbindern servicefreundlich schnell und einfach zu bewerkstelligen.
Ob es von Vor- oder Nachteil ist, dass die Farbtemperatur auch beim Dimmen konstant bleibt, ist von dem Einsatz abhängig. Wenn eine Kamera ins Spiel kommt, möchte man die Farbtemperatur immer konstant halten. Möchte man wie im Theater mit dem Abdimmen eine wärmere Lichtfarbe erzeugen, so wäre ein Scheinwerfer aus der DTW-Serie interessanter.

Typische Vertreter:

DTW – Variables Weiß

Ist man sich im Unklaren, ob man mit Tageslicht oder Kunstlicht beleuchten will, so sind variable Weißlicht-Stufen eine gute Wahl. Hier werden zwei LED-Typen, eine warmweiße LED und eine kaltweiße LED zueinander gedimmt. Dadurch kann man quasi stufenlos von der einen LED-Farbtemperatur zur anderen gleiten. Jedoch bleiben bei den Haupt-Farbtemperaturen warmweiß oder kaltweiß ca. die Hälfte der LEDs dunkel. Es liegt an der Steuerung bzw. Leistungs- und thermischen Auslegung, wenn beim Überblenden der Lichtfarbe in der „Mitte“ – wenn beide LED-Farben angesteuert werden – die Helligkeit zunimmt oder konstant bleibt. Hier ist auch der schlechteste Farbwidergabe-Index (CRI) zu erwarten, da bei variablem Weiß eine Linie zwischen den LED-Farben entsteht. Wenn die LED-Farben auf der planckschen Kurve liegen, was naturgemäß der Zielort einer Weißlicht-LED ist, dann ist in der Mitte die größte Entfernung zur planckschen Kurve. Genaugenommen sprechen wir bei LEDs nicht mehr von der Farbtemperatur (CT – Color Temperature) da diese nur Wärmestrahler, also Halogenlampen betrifft. Bei LEDs sprechen wir von CCT (Correlated Color Temperature), also einer Entsprechung zur nahen Farbtemperatur.   

Wenn man schon die Farbtemperatur ändern kann, liegt es nahe, das Dimmverhalten von Halogenbrennern nachzubilden (DTW Dim to Warm). Hierzu verwendet man in der Regel Amber-farbige LEDs, um beim Herunterdimmen den rötlichen Touch hinzuzufügen. Amber liegt als Farbe zum Hingleiten wesentlich günstiger zur planckschen Kurve als eine rote LED, obwohl man diese Funktion auch als Red-Shift kennt. Das liegt aber an dem Rotstich, den das Kamerabild erhält, wenn man Halogenbrenner herunterdimmt. So kann man bei der P ST DTW sogar über DMX die Responsetime, wie auch die Red-Shift Funktion ein- und ausschalten. Damit ist es möglich, einen wirklichen Black Out zu zaubern und ein anderes Mal das Ausblenden des erlöschenden Wolframfadens nachzugehen, selbst wenn man dabei eigene Zeiten zum Ausblenden programmiert hat und die Responsetime deaktiviert hat für den schnellen Blackout. Doch dazu mehr unter DTW.

Typische Vertreter:

FC – Full-Colour – Weiß+

Mit Gelb und Blau kann man bereits weißes Licht mischen, was aber unschön aussieht. Je mehr Farben hinzukommen und je breitbandiger die Spektren pro Farbe werden, umso besser wird das gemischte Weiß. Durch das Mischungsverhältnis kann innerhalb des abgedeckten Farbraumes (Gamut) jeder Farbort erreicht werden. Somit ist die Full-Colour LED nicht nur in der Lage gesättigte Farben wiederzugeben, sondern auch Weißlicht in der gewünschten Farbtemperatur. Wenn die Steuerung es erlaubt sind auch Halogenlampensimulation (DTW) oder auch die Verschiebung nach Grün oder Magenta (Tint) möglich. Diese farbliche Flexibilität wird mit einer geringeren Helligkeit erkauft. 

Im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Weißlicht-Engines hat die Alterung der LEDs bei Full Colour-Systemen doch einen erheblichen Einfluss. Denn wenn man den Helligkeitsunterschied von 1% bei einem Weißlicht-Chip nicht sehen kann, wird man beim Mischen von Farben sofort eine andere gemischte Farbe sehen. Eine Lösung ist das Kalibrieren der Farben, so wie es z.B. bei unseren Cameo Lampen aus dem Profi Segment realisiert wird. Hier hat der Anwender die Auswahl, ob er selbst die Kalibrierung durchführen will (User-Kalibration), keine Kalibrierung anwenden möchte (RAW), oder die Kalibrierung mittels eines speziellen Steuerungschip mit einem ausgeklügelten Algorithmus der Alterung und Dimmverhalten wie auch Optimierung an die plancksche Kurve, Helligkeit, Sättigung und vieles mehr zulässt, was wir mit „Factory calibration“ bezeichnen. Damit bleibt auch beim Herunterdimmen einer gemischten Farbe der Farbort konstant.

Eine andere Problematik bei mehrfarbigen Lichtquellen ist die saubere Durchmischung der Farben im Scheinwerfer, damit bei einem Blick auf den Scheinwerfer eine homogen gemischte Farbe erscheint. Natürlich soll auch das Lichtfeld homogen sein und keine Farbränder bilden. Auch Multischatten an den Torklappen oder nach Objekten sind nicht gewünscht. Dafür sorgen in der F-Serie spezielle Optiken, die wir an anderer Stelle besprechen werden.

Stehen einem alle Farben zur Verfügung, ist es oft zeitaufwendig genau die Farbe aus dem Gerät zu kitzeln, die man sich gerade wünscht. Allein den Weißpunkt mittels Rot, Grün und Blau einzustellen ist langwierig, denn wenn man alle drei Grundfarben auf 100% zieht, ist man meist irgendwo im Farbdreieck, aber nicht im Nullpunkt. Deshalb wird bei Cameo viel Wert auf eine schnelle Bedienung gelegt. Zuerst entscheidet man sich wie man Farbe oder Weißlicht von der Lampe abrufen möchte. Mit dem ersten Tastendruck schlägt mir der Scheinwerfer CCT für das Weißlicht oder HSI, Direkt LED und Gel für die verschiedenen Arten, Farbe einzustellen, vor. Möchte man mit Weißlicht leuchten, drückt man CCT und man muss nur noch die gewünschte Farbtemperatur des Weißlichts einstellen und kann bei Kamerabetrieb auch noch für den Weißabgleich komfortabel Magenta- bzw. Grünverschiebung (Tint) einstellen. Mit HSI (Hue-Farbton, Saturation-Sättigung und Intensity) erlauben ebenfalls drei Drehencoder direkten Zugriff auf die einzustellenden Parameter, ohne in irgendwelchen Tastenmenüs herum zu navigieren. Schneller geht es nur noch, wenn man sich eine der über 44 gängigen Farbfolien als Preset oder eine selbst gesetzte Farbe als eine von 8 User Colours aufruft. Selbstredend kann man über die User Colours ein Lauflicht (Play Loop) setzen, sodass eine Lampe im Set vor dem Fenster auch ein Polizeiblaulicht simulieren kann – und das ganz ohne Pult.    

Typische Vertreter:

F2 FC PO mit Farbkalibrierung und DTW sowie einem absolut farbschattenlosen Lichtbild.
Einfachste Bedienung, je ein Endlos-Encoder für Helligkeit, Farbtemperatur und Tint.

Aussicht

In der nächsten Reihe beschäftigen wir uns mit dem LED-Leuchtmittel im Zusammenspiel mit der Fresnellinse und den Torklappen.

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Glossar:

CT- Colour Temperature – Farbtemperatur auf der planckschen Geraden bei Temperaturstrahlern
CCT – Correlated Colour Temperature – Farbtemperatur entsprechend der planckschen Geraden
CRI – Farbwidergabeindex – wie gut werden Farben unter dem Licht wahrgenommen.
DTW – Dim-to-Warm – Simulation der Farbtemperaturänderung entsprechend einer Halogenlampe
Red-Shift.
Kunstlicht – Halogenlicht entsprechend einer Farbtemperatur von ca. 3200K
Tageslicht – Den natürlichen Tageslicht ähneln also einer Farbtemperatur von ca. 5600K