Wissenschaft

Museumsbeleuchtung Teil 2

Lichtquellen, Reflexionsspektren, optische Objektschädigung, Teil 2

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.

2.4 Farbverschiebung

Farbreiz setzt sich, wie in der Einleitung bereits erwähnt, aus dem Spektrum der Lichtquelle und dem Reflexionsspektrum der Farben zusammen. Dadurch werden die gleichen Farben unter verschiedenen Lichtquellen unterschiedlich wahrgenommen. Dies kann man unter anderem im CIE L*a*b*-Farbraum von 1976 verdeutlichen. Dabei handelt es sich um einen Farbraum mit den Achsen Grün-Rot (a*) und Blau-Gelb (b*), in dem die Farben ihrem Farbort entsprechend eingezeichnet werden. Die dritte Achse L* steht senkrecht auf dieser Ebene und gibt die Helligkeit wieder. In diesem Modell entsprechen die euklidischen Abstände näherungsweise den wahrgenommenen Farbabständen, wobei auch die chromatische Adaptation im L*a*b*-Farbraum berücksichtigt wird. Aus diesem Grund eignet es sich das Modell, um Farbverschiebungen wahrnehmungsgerecht zu beurteilen und untereinander für verschiedene Farben bzw. Lichtquellen zu vergleichen. Die Abbildung 21 stellt die Farborte der Ölfarben im L*a*b*-Farbraum bei der Beleuchtung mit dem Lichtspektrum der Glühlampen dar. Im Kreis sind die verschiedenen Grundfarben mit den Mischfarben zwischen ihnen angeordnet. Der Abstand vom Mittelpunkt entspricht der Sättigung. Die unbunten Farben (weiß, grau, schwarz) liegen in der Mitte des Kreises, gesättigte, bunte Farben dagegen am äußeren Rand.

In Abbildung 21 ist klar zu erkennen, dass im Farbtonbereich zwischen Rot, über Orange und Hautton bis zu Gelb verhältnismäßig viele gesättigte Ölfarben der gemessenen Palette vertreten sind. In den Farbtonbereichen für Grün, Cyan und Purpur gibt es sehr viel weniger verfügbare Ölfarben. Betrachtet man die Gemälde von Alten Meistern zwischen 1300 bis etwa 1850, findet sich eine große Häufigkeit der Farben im Rot, Orange- und Gelbbereich. Sie wurden verwendet, um Hauttöne wiederzugeben, aber hauptsächlich auch, um die Kriegsszenen oder Unwetter dramatisch darzustellen und Leiden, Schmerz, Zorn und Dramatik auszudrücken.

Es ist zwar die Aufgabe von guten und bekannten Museen, die Kunstwerke von hoher Wertigkeit dauerhaft auszustellen, es gibt aber auch viele zeitbegrenzte Ausstellungen zu verschiedenen Themen, die Leihgaben von Gemälden oder Skulpturen von bedeutenden Künstlern präsentieren. Bei jeder Änderung der Ausstellung ändern sich die Inhalte, die Absichten, die Atmosphäre und die historischen Zeiträume, in denen die Kunstwerke entstanden sind. Daher sind häufig auch Änderungen der Beleuchtungskonzepte mit unterschiedlichen Lichtniveaus, Lichtfarben, Lichtrichtungen und örtlichen Lichtverteilungen gefragt. Für diese Zwecke werden auch unterschiedliche Lichtquellen eingesetzt.

Wie ändert sich die Wahrnehmung der Farben, wenn sie mit Lichtquellen hoher Farbwiedergabe, aber unterschiedlicher Farbtemperatur beleuchtet werden? Was passiert mit den Farben, wenn sie mit Lichtquellen zwar der ähnlichen Farbtemperatur, aber unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung beleuchtet werden? Oder die Farbtemperaturen zwar ähnlich sind, aber die Wiedergaben sich doch noch für spezifische Farben stark unterscheiden? Im Folgenden werden einige ausgewählte Beispiele ohne Anspruch auf Vollständigkeit vorgestellt, da es hier sehr viele Kombinationsmöglichkeiten gibt.

Abb. 21: Farborte der 79 Ölfarben, beleuchtet mit Glühlampenlicht im L*a*b*-Farbraum

Die Abbildung 22 stellt die Farborte der Ölfarben dar, wenn diese mit warmweißen und kaltweißen Leuchtstofflampen (Farbwiedergabe liegt bei 88 und 92) beleuchtet werden. Im Bereich der roten Farben werden diese zum Teil sehr stark in Richtung des Mittelpunktes des Farbkreises verschoben, also entsättigt, zum Teil Richtung Orange oder Violett, wenn die Beleuchtung von warmweiß auf kaltweiß geändert wird. Ähnliches kann bei grünen Farben beobachtet werden, diese werden ebenfalls sehr stark entsättigt und nach Gelb oder Blau verschoben. Die gelben und blauen Töne erscheinen aber nicht gesättigter unter kaltweiß.

Abb. 22: Farborte der Ölfarben, beleuchtet mit Leuchtstofflampen mit 3050K und Ra =88, sowie 7000K und Ra =92

Im nächsten Beispiel werden neutralweiße LEDs mit neutralweißen Leuchtstofflampen mit relativ hoher Farbwiedergabe verglichen. Die entsprechenden Farborte sind in der Abbildung 23 dargestellt. Die Farbortverschiebungen sind nun erwartungsgemäß nicht mehr so stark. Man kann aber beobachten, dass sich unter der ausgewählten LED alle Farben wahrnehmbar entweder in Richtung Gelb oder in Richtung Blau verschieben, was sich mit dem Spektrum der leuchtstoffkonvertierten weißen LEDs erklären lässt. Diese bestehen ja aus einer LED, die blaues Licht emittiert, und Leuchtstoff, der ein Teil des blauen Lichtes in gelbes Licht konvertiert. In Summe erscheint das Licht der LED zwar weiß, die spektralen Anteile im Bereich Cyan/Grün bzw. Rot sind aber schwächer. Dadurch erscheinen Objekte mit diesen Farben weniger gesättigt.

Abb. 23: Farborte der Ölfarben, beleuchtet mit neutralweißen LEDs und Leuchtstofflampen mit relativ hoher Farbwiedergabe (90 bzw. 95)

Vergleicht man nun zwei Lichtquellen unterschiedlicher Farbwiedergabe, wie zwei warmweiße LEDs mit Ra=80 (T13) und Ra =95 (T17) untereinander, so erkennt man in der Abbildung 24, dass der Hauptunterschied darin besteht, dass die Farben insgesamt entsättigt werden. Die Entsättigung ist sehr eindeutig bei den roten Ölfarben und kann dadurch begründet werden, dass die warmweiße LED T13 eine Peak-Wellenlänge des roten Leuchtstoffs nur bei etwa 610nm hat, hingegen liegt die Peak-Wellenlänge des roten Leuchtstoffs bei der LED T17 bei etwa 635nm. Die Bereiche der Reflexion der roten Ölfarben ab 610nm sind somit mit LED T17 besser reflektiert und für das Auge besser wahrnehmbar. Die andere Farbverschiebung findet hauptsächlich im blauen Bereich statt und besteht darin, dass der Farbton sich ändert. Ursache sind in diesem Fall die unterschiedlichen Peak-Wellenlängen der blauen LEDs, die den weißen LEDs zugrunde liegen.

Abb. 24: Farborte der Ölfarben, beleuchtet mit warmweißen LEDs mit Farbwiedergabe 80 (blau) und 95 (rot)

3 Konservatorische Aspekte

Die Farbpigmente, unabhängig davon ob organisch oder nichtorganisch, verändern sich mit der Zeit aufgrund äußerer Einflüsse. Dies führt u.a. zu einer unerwünschten Veränderung der Farberscheinung. Die Aufgabe der Konservatoren ist es, diese Einflüsse zu kontrollieren, Veränderungsprozesse zu verlangsamen und den Originalzustand über eine möglichst lange Zeit zu erhalten. Die optische Strahlung ist einer der Faktoren, die wegen der photochemischen Reaktionen und der Strahlungshitze die Veränderung der Farbpigmente bewirken [6]. Da die photochemische Reaktion einen stärkeren Einfluss auf die Farbveränderung hat, wird hier auf die Schädigung durch die Wärmeeinstrahlung nicht näher eingegangen [7].

3.1 Definitionen

Nach dem Berliner Modell [6, 8], das durch umfangreiche Bestrahlungsversuche an verschiedenen Proben mit anschließender farbmetrischer Auswertung entwickelt wurde, hängt die Schädigung der Objekte mit der wirksamen Bestrahlung zusammen.

Die wirksame Bestrahlung Hdm wird folgendermaßen definiert
Gleichung2

mit Edm als der wirksamen Bestrahlungsstärke (in W/m²) und t der Zeit (in h). Die Bestrahlung selbst hat die Einheit Wh/m².
Als Schwellenbestrahlung Hs,dm bezeichnet man diejenige wirksame Bestrahlung, die eine gerade wahrnehmbare Farbänderung (△E*ab=1) verursacht. Diese wird als
Gleichung3

mit ts als Schwellenbestrahlungszeit definiert. Die Schwellenbestrahlung wurde für verschiedene Materialien bestimmt:
a)    Zeitungspapiere      5Wh/m²
b)   Hadernpapiere  1200Wh/m²
c)    Ölfarben auf Leinwand   850Wh/m²
d)   Textilproben      290Wh/m²
e)    Aquarellfarben auf Papier    175Wh/m²

Mit Hilfe dieser Werte kann dann bei einer gegebenen wirksamen Bestrahlungsstärke die Schwellenbestrahlungszeit kalkuliert werden, bei der die erste wahrnehmbare Farbänderung auftritt.

Die Farbpigmente reagieren nicht nur auf die sichtbare Strahlung, so wie das menschliche Auge es tut, sondern auch auf die nichtsichtbaren Anteile, vor allem auf UV-Strahlung. Deswegen darf nicht einfach die Beleuchtungsstärke, die mit der Empfindlichkeit des menschlichen Auges V(l) bewertet ist, herangezogen werden. Die für fünf Objekttypen gültigen spektralen Objektempfindlichkeiten sdm,rel(l) sind in Abbildung 25 dargestellt. Wie man sehen kann, sind diese bis zu 300nm definiert. Die wirksame Bestrahlungsstärke ist folgendermaßen zu berechnen:
Gleichung4

Das Verhältnis zwischen der Beleuchtungsstärke und der wirksamen Bestrahlungsstärke ist für eine bestimmte Kombination aus Lichtquelle und Objekt immer gleich und wird als Schädigungspotential bezeichnet [8].
Gleichung5

Daraus ergibt sich für die Schwellenbestrahlungsdauer:
Gleichung6

Mit dieser Formel lässt sich nun sehr leicht arbeiten. Die Schwellenbestrahlung Hs,dm ist definiert und lässt sich der Tabelle 2 entnehmen. Das Schädigungspotential ist eine Eigenschaft der Lichtquelle und kann für jeden Objekttyp aus dem gemessenen Spektrum der Lichtquelle berechnet werden.

Abb. 25: Relative spektrale Objektempfindlichkeiten

3.2 Schädigungspotentiale der unterschiedlichen Lichtquellen

Die Schädigungspotentiale für die fünf definierten Objekttypen sind tabellarisch für jede getestete Lichtquelle im Anhang zusammengefasst. Die konventionellen Lichtquellen sind, analog zum vorigen Abschnitt, mit UV-IR-Blocker gefiltert.

Das Schädigungspotential hängt vom Blauanteil im Spektrum der Lichtquellen ab, was zum Teil durch die ähnlichste Farbtemperatur der Lichtquelle charakterisiert ist. Dabei steigt das Schädigungspotential mit dem höheren Blauanteil bzw. der höheren Farbtemperatur. Die Abbildungen 26 und 27 für Zeitungspapiere bzw. Ölfarben auf Leinwand stellen die Schädigungspotentiale, sortiert nach Lichtquellentypen in Abhängigkeit von der Farbtemperatur der Lichtquelle, dar.

Abb. 26: Schädigungspotentiale a der getesteten Lampentypen für Zeitungspapier


Abb. 27: Schädigungspotentiale c der getesteten Lampentypen für Ölfarben auf Leinwand

Alle Lichtquellen zeigen für kleinere Farbtemperaturen, also für das warmweiße Licht bis circa 3000K, in etwa gleiche Schädigung, die im Vergleich zu kälterem Licht aber generell geringer ist. Man kann keine Lichtquelle aus dem hier vorgestellten Lampensatz als besonders günstig hervorheben. Für höhere Farbtemperaturen ab etwa 3000K zeigen dagegen die LEDs nahezu durchgehend geringere Schädigungspotentiale. Für die hier untersuchten Objektmaterialien kann man davon ausgehen, dass die ungefilterten weißen LEDs nicht schädlicher sind, als die mit UV-Kantenfilter gefilterten konventionellen Lampen. Die seit einiger Zeit verbreiteten Aussagen, dass die weißen LEDs eine höhere Schädigung auf die Museumsobjekte aufweisen, können für die im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Lichtquellen und Objektmaterialien nicht bestätigt werden.

Analysiert man die in der Abbildung 25 dargestellten spektralen Objektempfindlichkeiten sowie die LED-Spektren in den Abbildungen 7, 8 und 9, kann man feststellen, dass die spektralen Objektempfindlichkeiten zwischen 450nm und 465nm weiter beachtlich sinken. Daher ist es ratsam, weiße LEDs mit einem blauen Chip mit der Peak-Wellenlänge möglichst im Bereich 460nm bis 465nm auszuwählen. In diesem Wellenlängenbereich ist die optische Objektschädigung weiter reduziert und die Farbwiedergabe der weißen LEDs je nach Leuchtstofftypen steigt sogar an.

Natürlich muss man sich dessen bewusst sein, dass diese Definition nur einige Richtwerte dazu liefert, inwieweit eine Lichtquelle insgesamt für verschiedene Objekte bzw. Objekttypen schädlich ist. Die einzelnen Objektschädigungen sind keineswegs für alle jemals verwendeten Farben repräsentativ, sie wurden nichtsdestotrotz in langwierigen und sorgfältigen Studien mit einer großen Anzahl an verschiedenen Objekten und Farben hergeleitet. Es zeigt sich nämlich immer wieder, dass einige Pigmente besonders empfindlich sind und besonders sensibel auf bestimmte Lichtquellen reagieren können [10]. Es ist eine wichtige Aufgabe der Konservatoren diese Farben zu identifizieren und die Lichtquellen gesondert zu evaluieren.

4 Ausblick

Bezugnehmend auf die Fragestellungen in der Einleitung hat diese Publikationen folgende Fragen beantwortet:

  • Was für Probleme und farbliche Aspekte würden entstehen, wenn man statt den acht oder 14 Farben der CIE zur Beurteilung der Farbwiedergabe der Lichtquellen die Öl- oder Aquarellfarben verwendet und die Lichtquellen daraufhin optimiert?
  • Was für Farbverschiebungen muss und kann man erwarten, wenn man statt Leuchtstofflampen mit moderater oder hoher Farbwiedergabe das Tageslicht oder weiße LEDs mit unterschiedlicher Farbwiedergabequalität verwendet?
  • Kann man oder muss man mit einem vergleichbaren Potential der optischen Objektschädigung rechnen, wenn man statt Halogenglühlampen bzw. Entladungslampen nun weiße LED-Farbmischung verwendet?

 

Folgende Fragen müssen in der nächsten Zeit von den universitären Forschungsstellen und Entwicklungsabteilungen der Leuchtenfirmen numerisch und durch Experimente oder Produkterprobung beantwortet werden:

  • Was für typische 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-Paletten?
  • 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?

 

Die Schwellenbestrahlung Hs,dm ist definiert und lässt sich der Tabelle 2 entnehmen. Das Schädigungspotential ist eine Eigenschaft der Lichtquelle und kann für jeden Objekttyp aus dem gemessenen Spektrum der Lichtquelle berechnet werden.

Weiterführende Infos

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


Literatur

5 Literaturverzeichnis

[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)

[5]       Khanh, T.Q.;Bodrogi, P.;Vinh, T.Q.;Brückner,S.: Farbwiedergabe von konventionellen und Halbleiter-Lichtquellen – Theorie, Bewertung und Praxis, Pflaum Verlag, München, 2013

[6]       Control of damage to museum objects by optical radiation, CIE Publikation Nr. 157, 2004

[7]       Cuttle, C.: Light for Art‘s Sake, Elsevier, 2007

[8]       Hilbert G. S.; Aydinli S.; Krochmann J.: Zur Beleuchtung musealer Exponate, Restauro 5 (1991)

[9]       Museumsbeleuchtung – Strahlung und ihr Schädigungspotenzial, Konservatorische Maßnahmen, Fördergemeinschaft Gutes Licht (FGL), Frankfurt am Main, Dezember 2006

[10]    LEDs schaden womöglich van Gogh-Gemälden, pro-physik.de 08.01.2013

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