INNOVATION Dass die Tage der Leuchtstoffröhre als Lichtquelle in Abmusterungskästen bald gezählt sein könnten, bewies Just Normlicht auf der Drupa mit der Technologiestudie LED Proofcontrol. Über die Herausforderungen bei der Entwicklung des neuen, auf Leuchtdiodenbasis arbeitenden Normlichtkastens sprach Deutscher Drucker mit Just-Geschäftsführer Michael Gall. (download pdf 2MB)

Mit LED'S Farben simulieren

LED colorControl zur

Betrachtung von Vorlagen für den

Vergleich mit dem Softproof auf dem Monitor

Einleitung

Nicht nur in der graphischen Industrie ist eine die farbgenaue Reproduktion auf der Basis eines Farbnormals oder einer Originalvorlage wie Textilien, Kunststoffteile, Lackierteile, Kfz-Interieur, oder Druck eine wesentliche Voraussetzung, um die immer größeren Anforderungen an die Qualitätssicherung und den Zwang zur Kostenreduzierung zu erfüllen. Neben einer messtechnischen Qualitätskontrolle ist das visuelle Urteil über die erreichte farbliche Übereinstimmung die wichtigste Voraussetzung. Den größten Einfluss bei der visuellen Abmusterung spielt die Beleuchtung. Eine falsche Beleuchtung führt zu Fehlurteilen und damit zwangsläufig zu Reklamationen und zu erhöhten Kosten im Produktionsprozess.

Metamerie
Farben und Farbstoffe können visuell den gleichen Farbeindruck erwecken, obwohl diese in ihrer chemischen und/oder spektralen Zusammensetzung unterschiedlich sind, wie beispielsweise Druckfarben für den Offsetdruck, den Tiefdruck, digitale Drucksysteme auf der Basis von Inkjet-Druckfarben oder tonerbasierte Systeme, Lacke zur Behandlung von Oberflächen oder Farbstoffe zur Einfärbung von Kunststoffen oder Textilien. Häufig ist es gefordert, dass diese unterschiedlichen Materialen farblich identisch sein sollen, beispielsweise eine Produktabbildung in einem Katalog oder die textile Innenausstattung und das Armaturenbrett aus Kunststoff in einen PKW. Werden diese Materialen unter verschiedenen Lichtbedingungen beurteilt, können diese unter einer bestimmten Lichtart identisch aussehen und sich unter einer anderen Lichtart völlig unterscheiden. Man spricht hier von Metamerie.

Der Status Quo - die Leuchtstofflampe
Die heute überwiegend zur Farbabmusterung eingesetzten Farbabmusterungssysteme auf der Basis von Leuchtstofflampen erfüllen zwar die Anforderungen der derzeit gültigen Standards für die Farbabmusterung. Die Leuchtstofflampe ist eine günstige Lichtquelle für eine Farbabmusterungskabine, die spektrale Verteilung dieser Leuchten weist allerdings mehrere Spitzen, so genannte Peaks auf, die von den verschiedenen Gasentladungen in der Leuchtstofflampe herrühren (z. B. Quecksilber bei 546 nm) Die Farbwiedergabe kann somit nicht direkt über den spektralen Vergleich von Test- und Referenzlichtart sondern nur mit Hilfe der jeweils resultierenden Farbanmutung bewertet werden. Zu diesem Zweck werden meist Toleranzen für den Farbort der Lichtquelle, der Farbwiedergabeindex und der Metamerieindex herangezogen. Eine weitere Problematik beinhaltet das Alterungsverhalten der Leuchtstofflampe. Die in den Leuchtstofflampen als Leuchtstoff eingesetzten Phosphors verändern mit zunehmender Alterung ihre Lichtfarbe. Erfahrungswerte zeigen, dass die heutigen Leuchtmittel nur 2500h geeignet sind, die in den Normen noch sehr  weit gefassten Toleranzen einzuhalten.

Alternative Lichtquellen wie gefiltertes Halogenlicht oder Xenon sind zwar gute Simulatoren für unterschiedliche Tageslichtspektren, doch sind sie auch sehr teuer, aber kurzlebig da sich der Farbort schnell stark verändert. Die Farbortverschiebung ist ein permanenter Prozess, deshalb können die heutigen Leuchtmittel für zukünftige kritische Anwendungen noch deutlich kürzer  eingesetzt werden, da die Farbortverschiebung vom menschlichen Auge sehr deutlich wahrgenommen wird. Ein stabiler visueller Abmusterungsprozess ist deshalb unmöglich wodurch diese  Leuchtmittel den hohen Qualitätsansprüchen der neuen Technologien nicht mehr genügen. Die Abmusterbeleuchtung soll die möglichst gleiche spektrale Strahlungsverteilung (Lichtart), wie die zu simulierende Referenzlichtart aufweisen und mit einem vertretbaren technischen und finanziellen Aufwand zu realisieren sein.

Desweiteren wird heute immer öfter die Frage nach der „richtigen“ Farbtemperatur gestellt. So wird heute schon vielfach die alternative Verwendung von D65 gefordert, die bereits in vielen fachverwandten Branchen wie der Textil- oder Automobilindustrie als Abmusterungslicht angewendet wird. Aber auch Lichtarten wie A, Kaufhauslicht – Simulation TL 84, CWF und D75 in den Vereinigten Staaten sind für die industrielle Qualitätssicherung heute immer öfter gefordert. Die Spektren der herkömmlichen Lichtquellen sind wie bereits oben erwähnt aber nicht einstellbar. Der Anwender ist gezwungen für die Abmusterung unter einer anderen Lichtart neue Abmusterungsgeräte zusätzlich anzuschaffen.

LED Technologie - die Herausforderung

Bild 1: lückenhaftes Spektrum einer typischen RGB-LED

Unser Lösungsansatz für diese Problemstellungen lautet LED Technologie. Lichtquellen auf LED-Basis gibt es bereits seit mehreren Jahrzehnten. Ihre lange Lebensdauer und ihre Robustheit sind nur zwei von vielen Gründen, die sie für eine unüberschaubare Anzahl von Anwendungen im täglichen Leben prädestiniert, jedoch waren die LED´s bis heute aufgrund ihrer spektralen Eigenschaften für Anwendungen zur visuellen Farbbeurteilung nicht geeignet. Das Spektrum von weißen LED´s ist sehr lückenhaft, weshalb die Farbwiedergabeeigenschaften ungeeignet sind für die beschriebenen Anwendungen in der visuellen Farbabmusterung. So liegt der Farbwiedergabeindex deutlich unter dem geforderten Wert von 90.

Heute gibt es verschiedene Ansätze, Tageslicht auf der Basis der R-G-B Technologie mit roten, grünen und blauen LEDS zu simulieren, was theoretisch möglich wäre. Natürliches Tageslicht weist aber einen gleichmäßigen Spektralverlauf von 380 – 780 nm auf, darüber hinaus sind UV-Anteile im Tageslicht enthalten. Da farbige Leuchtdioden aber kein Spektrum abdecken sondern Licht nur in einer bestimmten Wellenlänge produzieren, kann man mit RGB-LEDs zwar alle möglichen Lichtfarben erzeugen, durch die Kombination von 3 farbigen LEDs ist aber nur eine sehr lückenhafte Simulation des Tageslichts möglich. Die Farbwiedergabeeigenschaften sind dadurch begrenzt,  weshalb alle Versuche, hochwertige Tageslichtsimulation für die visuelle Farbbeurteilung z.B. nach ISO 3664 oder DIN 6173 auf Basis der LED Technologie zu erzeugen, gescheitert sind

LED Technologie - die Zukunft

Licht - Farbraum größer als der sRGB-Farbraum

JUST NORMLICHT ist es nun gelungen eine multispektrale LED-Lichtquelle zu entwickeln, die wir zum Patent angemeldet haben, und mit der  jedes beliebige Lichtspektrum hochwertig nachgebildet werden kann. Mit dieser multispektralen LED-Lichtquelle ist es möglich, nicht nur die Lichtarten D50 und D65 für die graphische Industrie sondern auch andere Lichtarten wie A, C, D55, D75, oder auch Kunstlichtarten jeglicher Art in hervorragender Qualität zu simulieren.  Zur Vermeidung von Metamerie durch optische Aufheller werden auch UV-Anteile berücksichtigt.

Es ist interessant zu wissen, dass die LED-Technologie zunächst nicht optimal für Normlichtanwendungen geeignet ist, weshalb viele Ansätze bisher auch gescheitert sind. So haben die alle in den multispektralen LED Lichtquellen eingesetzten LED Chips ein sehr unterschiedliches Spektralverhalten. Hinzu kommt, dass das Lichtspektrum der LEDs im Betrieb durch Eigenerwärmung und auch durch die Veränderungen in der Umgebungstemperatur extrem stark beeinflusst wird. Ein weiteres Problem ist die dauerhafte Verfügbarkeit eines LED Chips, die von niemand garantiert werden kann. LED Chips sind Massenprodukte, die meist in Fernost produziert werden und die von Marktbedingungen gesteuert werden, die wir mit unserer Nischen-anwendung nicht beeinflussen können.

Für den Anwender muss jedoch unabhängig von diesen Fragestellungen sichergestellt werden, dass jede einzelne multispektrale LED-Lichtquelle  über Jahre hinaus die gleichen hochwertigen Spektraleigenschaften besitzen  und auch im Falle eines Ersatzes einer einzelnen multispektralen LED Lichtquelle in einem Gerät die Spektraleigenschaften nicht verändert werden. Nur dann ist die LED Technologie für eine anspruchsvolle industrielle Anwendung, wie sie die Normlichttechnologie darstellt,  einsetzbar.

LED-Simulation D50 und D50 (UVcut)

LED-Simulation Lichtart A

LED-Simulation TL84

Mit LED Color Viewing Light  ist es JUST NORMLICHT zum ersten Mal gelungen, die Eigenschaften der LED Technologie zu kontrollieren indem in einem aufwendigen, mehrstufigen Kalibrierungsverfahren jede einzelne multispektrale LED-Lichtquelle kalibriert wird und die spektralen Eigenschaften in der Steuerung des LED Gerätes abgespeichert werden. Auch dieses neuartige Verfahren zur Kalibrierung von LEDs haben wir zum Patent angemeldet. Die mehrstufige Kalibrierung unterteilt sich in die Grundkalibration ab Werk und eine permanente Kalibration, die während des Betriebes ständig durchgeführt wird ohne dass hierzu externe Messtechnik benötigt wird.  LED Color Viewing Light kontrolliert die Betriebsbedingungen ununterbrochen und  regelt das Lichtergebnis mit hoher Frequenz, unsichtbar für das menschliche Auge, permanent nach. Dadurch übertrifft  JUST LED Color Viewing Light  nicht nur die konventionelle Normlicht Technologie in der Lichtqualität, es wird nun auch das erste Mal möglich, einen riesigen Lichtfarbraum in höchster Güte zu simulieren und damit alle möglichen Anwendungen in einem Gerät zu realisieren.

Ein weiterer großer Vorteil der JUST LED Technologie ist die 10 x längere Lebensdauer der LED-Lichtquellen im Vergleich zur herkömmlichen Leuchtstofflampentechnik und einer nahezu 100 x längeren Lebensdauer im Vergleich zur Halogentechnik mit Filter. Dies bedeutet nicht nur gleich bleibende Lichtqualität über einen langen Zeitraum sondern eine erhebliche Kostenersparnis, welche die höheren Anschaffungskosten eines LED Color Viewing Light kompensiert und zusätzlich die Umwelt schont. Leuchtstofflampen enthalten Schadstoffe wie Quecksilber und Phosphor und müssen in großen Mengen als Sonderabfall entsorgt werden.

Zusammenfassende Vorteile der JUST LED Technologie:
- perfekte Umsetzung jeder beliebigen Normlichtart z.B. D50, D65, D75, A, TL 84
- Simulation der UV Anteile zur Darstellung von Fluoreszenz (optische Aufheller)
- freie Wahl der Lichtspektren in einem riesigen verfügbaren Lichtfarbraum
- stabile Lichtbedingungen durch einmaliges mehrstufiges Kalibrierungsverfahren (pat. pend.)
- 10x längere Lebensdauer der multispektralen LED-Lichtquellen im Vergleich zur Leuchtstofflampe
- bis zu 100 x längere Lebensdauer im Vergleich zur Halogentechnologie
- kein Quecksilber

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