Wissenschaft

Museumsbeleuchtung Teil 1

Lichtquellen, Reflexionsspektren, optische Objektschädigung, Teil 1

Auf einen Blick

Im Hinblick auf die Notwendigkeit der Forschungen zur Steigerung der Farbqualität der Beleuchtung im Museumwesen sowie unter dem Eindruck der dynamischen Entwicklung der LED-Bauelemente, die selbst wiederum viele bisher unbekannte farbwahrnehmungstechnische Fragen aufwirft, gibt es an der TU Darmstadt zwei Forschungsgruppen, die sich mit der Museumsbeleuchtung beschäftigen. Inhalte und Ergebnisse ihrer Arbeit sind zum guten Teil Gegenstand dieses Beitrags.

1 Fragestellungen

Die Ausstellungsobjekte in Museen und Kunstgalerien sind nicht nur Ergebnisse künstlerischer Vorstellungskraft, die durch Farben, Formen, Geometrien, Materialien und Objektgrößen beschrieben werden können. Die bildenden Künstler der vergangenen Epochen und der Gegenwart sind Denker, Zeitzeugen und Macher und möchten die Ereignisse, die Denkströmungen, die Philosophie, die sozialen Zusammenhänge, die Machtverhältnisse, die Liebe und Schmerzen der jeweiligen Zeit in ihren Bildern zum Ausdruck bringen. So gesehen sind die Kunstgegenstände in den Museen geistige und kulturelle Transportmittel und meistens von hoher ästhetischer, kulturhistorischer und erzieherischer Bedeutung für die zukünftigen Generationen. In vielen Fällen haben die Museen selbst bereits eine lange bedeutsame Geschichte und eine identitätstiftende Kraft für die Gesellschaft. Generell haben die Museen und Kunstgalerien folgende Aufgaben:

  • Museen sind Orte, die Menschen gern aufsuchen, um einerseits die Sujets und die Stile der Künstler in den jeweiligen Kunstwerken  kennenzulernen, aber andererseits um sich auch die Erfahrungen, den Geist und die Ansichten ihrer Entstehungszeit in einer strukturierten Reihenfolge anzueignen. Die Präsentation der Bilder in einem Museum soll demzufolge kulturhistorisch begründet sein und die Betrachter in einer dem Inhalt der Kunstgegenstände entsprechenden Raumatmosphäre zum Nachdenken anregen. Zu dieser Museumgestaltung gehört auch die Komponente »Museumsbeleuchtung«.
  • Die Kunstgegenstände wurden mit den Materialien der jeweiligen Zeit geschaffen. Aus materialtechnischen Gründen unterliegen sie einem Alterungsprozess, der durch Temperatur, Feuchtigkeit, Gase und durch die optische Strahlung bedingt wird. Da die Kunstwerke großen ideellen und materiellen Wert haben, müssen alle Bedingungen geschaffen werden, um diesen Alterungsprozess so langsam wie möglich zu gestalten. An dieser Stelle kommt den Museen eine konservatorische Aufgabe zu.

 

Abgeleitet von diesen Aspekten hat die Museumsbeleuchtung zwei Aufgaben:

  • eine beleuchtungstechnische Aufgabe, um über die Farb- und Lichtwahrnehmung, Wahrnehmung von Formen, Farbkontrasten, Farbgrößen, Texturen sowie deren kognitive Verarbeitung den Wert des Kunstwerkes, die Absicht und die Botschaft des Künstlers zu vermitteln
  • eine konservatorische Aufgabe, um die Objektschädigung durch optische Strahlung (ultraviolette, sichtbare und infrarote Strahlung) zu vermeiden bzw. zu minimieren

 

In aller Regel besteht die optische Informationsübertragungskette aus einer Strahlungsquelle mit einer bestimmten spektralen Strahlstärke I(λ,ε) in einer Richtung ε, die auf der Oberfläche des Kunstwerkes eine bestimmte spektrale Bestrahlungsstärke E(λ) hervorruft sowie aus der spektralen Reflexionsgradverteilung des Oberflächenelements auf dem Kunstwerk R(λ). Nach der Reflexion wird eine optische Strahlung mit der Zusammensetzung gebildet:
Gleichung1
FR(λ) = spektrale Farbreizfunktion
F = ein geometrischer Faktor

Wenn das Oberflächenelement auf dem Kunstwerk betrachtet wird, ist es durch die Augenoptik auf eine bestimmte Stelle auf der Netzhaut abgebildet. Die sensorische und kognitive Verarbeitung der spektralen Farbreizfunktion FR(λ) führt im Gehirn zu der Bildung und Wahrnehmung von den drei Farbattributen Helligkeit, Farbton und Sättigung. Durch die Gl. (1) hängt die Farbwahrnehmung der Gemälde durch die Museumsbesucher und durch den Künstler selbst von den folgenden Komponenten ab:

  • von den Strahlungsquellen: Da die Bilder der Alten Meister wie z.B. Raffael, Michelangelo, Dürer, Rubens usw. in der Zeit vor 1880 entstanden sind, wurden sie von den Künstlern entweder bei Tageslicht mit einer typischen spektralen Verteilung der Tageslichtphase oder beim Licht von Kerzen oder Öllampen mit einer Farbtemperatur um 2000K bis 2500K geschaffen. Seit 1880 bis heute gibt es eine Reihe von Lampentechnologien wie Glühlampen, Halogenglühlampen, Leuchtstofflampen, Hochdruck-Entladungslampen und LEDs, die neben dem Tageslicht im Museum eingesetzt werden können.
  • von den Reflexionsspektren der Oberflächenfarben der Kunstwerke (z.B. Aquarellfarben, Ölfarben): Es gab in der Farbbildverarbeitung und in der Visionswissenschaft einige Untersuchungen über die Spektren der Reflexion von Oberflächenmaterialien. In der jüngsten deutschen lichttechnischen Literatur gibt es die Publikation [1] über die spektrale Reflexion von Lebensmitteln, Textilien, Drucksachen, Obst, Gemüse, Blumen und Hauttönen. Seit 1964 gibt es die bis heute gültige Definition der CIE über die Farbwiedergabe der Lichtquellen, wobei von der CIE nur acht entsättigte Farben und nur unter speziellen Umständen weitere sechs Farben mit relativ hoher Buntheit herangezogen werden. Diese 14 CIE-Farben haben keinen typischen spektralen Verlauf wie die Ölfarben oder Aquarellfarben. Ausführliche Beiträge über die allgemeinen Farbwiedergabeaspekte können [2, 3, 4, 5] entnommen werden.

 

Betrachtet man eine Reihe von mitunter renommierten Museen bezüglich der Beleuchtungstechnik und der Farbgebung der Gemälde, kann man einige Beobachtungen machen:

  • die Wände, die in einem Museum einen großen Flächenanteil gegenüber den Flächen der Kunstwerke darstellen, sind öfter nicht neutralweiß sondern farbig in grüner, roter oder blauer Wandfarbe ausgeführt (s. Abb. 1). Die optische Strahlung von den Lichtquellen wird mehrfach durch die Interreflexionen im Raum durch diese farbigen Wände farblich geändert und verschoben, so dass die auf dem Gemälde wirklich ankommende Strahlung keine Ähnlichkeit mit den originalen Lampenspektren hat. Das ist mit Sicherheit nicht das Licht mit dem Spektrum, das der Künstler bei der Schaffung seines Kunstwerkes verwendete und erlebte.
  • Einige Museen verwenden eine Tageslichtdecke (eine Streuscheiben-Decke mit Tageslichtdurchflutung) und mischen das Tageslicht mit Kunstlicht aus Leuchten mit enger Lichtbündelung. Dabei kommen manchmal zeitgleich Glühlampen (bzw. Halogenglühlampen) sowie zum guten Teil Entladungslampen bei einer Farbtemperatur von über 4000K zum Einsatz (s. Abb. 2). Abgesehen von der Tatsache, dass sich die Tageslichtspektren im Laufe der Tageszeit und Jahreszeit ändern, ist diese Art der Lichtmischung (Tageslicht/Glühlampen/ Entladungslampen) farblich zu hinterfragen.

Abb. 1: Ausstellungsraum mit farbiger Wand (Foto: Fachgebiet Lichttechnik, Technische Universität Darmstadt)


Abb. 2: Tageslichtdecke und Kunstlicht-Leuchten (Foto: Fachgebiet Lichttechnik, Technische Universität Darmstadt)

Die zwei Forschungsgruppen an der TU Darmstadt, die sich mit der Museumsbeleuchtung beschäftigen, formulierten am Beginn ihrer Forschungsarbeit folgende Fragestellungen:

  1. Wie sehen die spektralen Verläufe der Reflexionsgrade der in der Malerei oft verwendeten Materialien (Ölfarben, Aquarellfarben) aus? Gibt es Unterschiede zwischen den Reflexionsspektren der verschiedenen Materialgruppen oder zwischen den Materialien, die in unterschiedlichen Zeitepochen verwendet wurden (z.B. zwischen 1300 bis 1800 oder zwischen 1800 bis 1945 und zwischen 1945 bis heute)?
  2. Welche Probleme und farblichen Aspekte würden sich ergeben, wenn man statt der 14 Farben der CIE zur Beurteilung der Farbwiedergabe der Lichtquellen die Öl- oder Aquarellfarben verwendet und die Lichtquellen darauf optimiert?
  3. Welche typischen zehn oder zwölf Ölfarben kann man verwenden, um die Farbwiedergabe der Lichtquelle optimal, repräsentativ und zutreffend zu beurteilen, trotz der Vielfalt der heutigen verfügbaren Aquarell- oder Ölfarben-Palette?
  4. Welche Farbverschiebungen muss und kann man erwarten, wenn man statt Leuchtstofflampen mit moderater oder hoher Farbwiedergabe nun das Tageslicht oder weiße LEDs mit unterschiedlicher Farbwiedergabequalität verwendet?
  5. Kann man mit LEDs die Farbmischung so durchführen, so dass zukünftig LED-Lichtquellen mit sehr hoher Farbwiedergabe und variablen Farbtemperaturen zur eigenständigen Verwendung oder zur zeitsynchronen Ergänzung zur Tageslichtphase hergestellt werden können?
  6. Kann man oder muss man mit einem vergleichbaren Potential der optischen Objektschädigung rechnen, wenn man statt Halogenglühlampen und Entladungslampen nun weiße LED-Farbmischung verwendet?

 

2 Farbaspekte in der Museumsbeleuchtung

2.1 Testlichtquellen

Wie im vorigen Kapitel bereits erwähnt, geht der Farbreiz nicht alleine vom Objekt aus. Es ist die Kombination aus den Reflexionseigenschaften des Objekts und der Lichtquelle. Für die in diesem Artikel präsentierten Ergebnisse wurden folgende Lichtquellen verwendet:

  • CIE-Referenzspektren für Leuchtstoff- und Entladungslampen
  • Glühlampen mit 2850K und 3200K
  • LED-Referenzspektren des Fachgebiets Lichttechnik, die bereits in früheren Publikation verwendet wurden

Da viele Lichtquellen für die Museumsobjekte schädliche UV- und IR-Anteile in ihrem Spektrum besitzen, werden sie normalerweise aus konservatorischen Gründen mit Filtern versehen (mehr zu konservatorischen Aspekten im Kapitel 3). Aus diesem Grund wurden hier die Leuchtstoff-, Entladungs- und Glühlampen mit dem UV/IR-Blocker der Optics Balzers AG (Abbildung 3) rechnerisch gefiltert. Da die LEDs sowohl keine UV- als auch keine IR-Anteile in ihrem Spektrum aufweisen, wurden sie nicht gefiltert. Die Spektren der gefilterten Lichtquellen werden in Abbildung 4 bis 9 dargestellt. Die mehr oder weniger große Verschiebung der Farbtemperatur bei einzelnen Lichtquellen gegenüber der Typbezeichnung ist hauptsächlich auf die Filterung zurückzuführen.

Abb. 3: Transmissionsspektrum des UV-IR-Filters


Abb. 4: Spektrale Bestrahlungsstärken der Leuchtstofflampen auf einer Referenzebene


Abb. 5: Spektrale Bestrahlungsstärken der Entladungslampen auf einer Referenzebene


Abb. 6: Spektren der Glühlampen auf einer Referenzebene


Abb. 7: Spektren der warmweißen LEDs auf einer Referenzebene


Abb. 8: Spektren der neutralweißen LEDs auf einer Referenzebene


Abb. 9: Spektren der kaltweißen LEDs auf einer Referenzebene

2.2 Reflexionseigenschaften der Malfarben

In diesem Artikel werden die Ergebnisse für Ölfarben vorgestellt. Zur Vermessung der spektralen Reflexionseigenschaften der Farben wurden dem Fachgebiet Lichttechnik der TU Darmstadt Abstriche der Farben auf Leinwand durch die Firma Schmincke zur Verfügung gestellt (siehe Abbildung 10).

Zur Vermessung der Farben wurde die d45-Messgeometrie verwendet, d.h. die Farben wurden von oben diffus mit Halogenglühlampen beleuchtet, wobei die Beleuchtungsstärke auf der Probe 1000lx betrug. Mit Hilfe des Spektrometers »CS1000« von KonicaMinolta wurden das reflektierte Licht in 20cm Abstand und unter 45° Neigung zur Probe vermessen. Danach wurden die jeweiligen spektralen Messergebnisse durch das Lampenspektrum dividiert, um das Reflexionsspektrum der einzelnen Farben zu erhalten. Das Lampenspektrum wurde dabei unter gleichen Bedingungen mit einem diffusen Weißstandard gemessen. Insgesamt wurden 79 Ölfarben vermessen. Die Abbildungen 11 bis 17 zeigen die Reflexionsspektren der Farben.

Abb. 10: Farbkarte mit Abstrichen auf Leinwand der Firma Schmincke


Abb. 11: Reflexionsspektren der blauen Ölfarben


Abb. 12: Reflexionsspektren der grünen Ölfarben


Abb. 13: Reflexionsspektren der braunen Ölfarben


Abb. 14: Reflexionsspektren der gelben Ölfarben


Abb. 15: Reflexionsspektren der roten und violetten Ölfarben


Abb. 16: Reflexionsspektren der schwarzen Ölfarben


Abb. 17: Reflexionsspektren der metallischen Ölfarben

2.3 Farbwiedergabe

Die Farbwiedergabe ist ein wichtiges Qualitätskriterium für die Lichtquellen. Sie zeigt an, wie unverfälscht die Farben unter einer bestimmten Lichtquelle erscheinen. Daher ist es essentiell, für die Museumsbeleuchtung Lichtquellen mit möglichst hoher Farbwiedergabe einzusetzen und die Kunstwerke damit in ihrer Farberscheinung möglichst korrekt darzustellen.

Die Farbwiedergabe wird üblicherweise mit Hilfe des Farbwiedergabeindex Ra angegeben. Dabei berechnet man erst Farbunterschiede, die sich ergeben, wenn ein definiertes Set von 14 Testfarben (Abbildung 18) mit Referenzlichtquelle (Wärmestrahler oder Tageslicht, die als natürlich angesehen werden) und der Testlichtquelle beleuchtet wird. Für jede Testfarbe ergibt sich ein spezieller Farbwiedergabeindex Ri, der umso schlechter ist, je größer der Farbunterschied ist. Bei einem Wert von 100 gibt es keinen Unterschied zwischen der Referenz und der getesteten Lichtquelle. Der Mittelwert der ersten acht speziellen Farbwiedergabeindizes, die mit den entsättigten Farben gebildet werden, ist der allgemeine Farbwiedergabeindex Ra.

Abb. 18: Die 14 Testfarben nach DIN 6169 für die Berechnung der Farbwiedergabe (Quelle: Wikipedia)

Diese 14 Farben nach DIN 6169 und nach der Publikation CIE 13.3-1995 (1995) sind kommerziell seit vielen Jahren nicht mehr verfügbar und existieren nur noch als numerische Werte für eine analytische Farbwiedergabeberechnung. Die Autoren hat die Frage interessiert, wie sieht der Farbwiedergabeindex aus, wenn man statt der oben definierten künstlichen acht oder 14 Testfarben die Spektren der 79 gemessenen Ölfarben verwendet. Man definiert also eine Art Ölgemälde-Farbwiedergabeindex. Die einzelnen Werte der Farbwiedergabe für einzelne Lichtquellen können der Tabelle 1 entnommen werden. Es ergibt sich der, in Abbildung 19 dargestellte, lineare Zusammenhang (Pearson-Korrelation r=0,992) zwischen dem allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra und dem Farbwiedergabeindex für Ölfarben. Da natürlich in der Museumsbeleuchtung wohl kaum Lichtquellen mit einem Farbwiedergabeindex unter 80 eingesetzt werden, sind in der Abbildung 20 nur Lichtquellen mit höherer Farbwiedergabe zusammengefasst.

Man gelangt mit der Abbildung 20 zu einer in der Farbmetrik und in der Museumsbeleuchtung bisher kaum bekannten Erkenntnis: Die Lichtquellen, die einen allgemeinen Farbwiedergabeindex von Ra =80…83 haben, weisen einen Ölfarben-Farbwiedergabeindex von nur etwa 60 bis 68 auf. Die Farbwiedergabe der realen Ölfarben ist somit bei weitem nicht zufriedenstellend. Für eine hohe Farbwiedergabe mit einem Ölfarben-Farbwiedergabeindex von besser als 90 muss man Lichtquellen auswählen, die einen allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra von besser als 94 aufweisen.

Abb. 19: Zusammenhang zwischen dem allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra und dem Farbwiedergabeindex mit Ölfarben


Abb. 20: Zusammenhang zwischen dem allgemeinen Farbwiedergabeindex Ra und dem Farbwiedergabeindex mit Ölfarben für höhere Farbwiedergaben


Tabelle 1: Farbwiedergabewerte einzelner Lichtquellen

Weiterführende Infos

Autoren: Dipl.-Ing. Wjatscheslaw Pepler, Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc. Khanh, Fachgebiet Lichttechnik, Technische Universität Darmstadt


Literatur

[1]       Krause, N.; Bodrogi, P.; Khanh, T.Q.: Spektrale Reflexionsgrade von Naturprodukten und Materialien im Innenraumbereich, Vortrag auf der DfwG-Tagung, Braunschweig, 4.–6. Oktober 2011

[2]       Bodrogi, P.; Khanh, T.Q.; Brückner Stefan: Farbwiedergabe für moderne Lichtquellen, LiTG, Deutsche Lichttechnische Gesellschaft e.V., Publikation Nr. 28 (2012)

[3]       Khanh, T.Q.; Bodrogi, P.: Farbwiedergabe- und Helligkeitswahrnehmung von weißen leuchtstoffkonvertierten Hochleistungs-LEDs in der Innenraumbeleuchtung, Pflaum Verlag, LICHT 10 (2011)

[4]       Bodrogi, P.; Trinh, Q.V.; Khanh, T.Q.: Weiße Hochleistungs-LEDs – Eine umfassende lichttechnische Betrachtung, Pflaum Verlag, LICHT 6 (2012)

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