Сложный танец: анализ связи между индексом цветопередачи и коррелирующей цветовой температурой

Абстракция

Два важных фотометрических параметра -коррелированная цветовая температура (CCT) и индекс цветопередачи (R an или CRI)- все чаще используются для влияния на выбор источников искусственного света. Хотя они обычно обсуждаются независимо, между ними существует сложная и часто наблюдаемая связь: при более низких CCT гораздо труднее достичь высокого CRI. В этом эссе рассматриваются технологические и физические основы этой связи. В нем описывается, как ограничения технологии люминофорных-преобразованных светодиодов, основы излучения черного тела и особые требования методологии расчета CRI объединяются, образуя серьезное инженерное препятствие для создания теплого,-света высокой точности.

Обзор

Светв области светодизайна и технологий строго оценивается на основе его качества, а не только количества (люменов). В центре внимания этой качественной оценки находятся два показателя: индекс цветопередачи (CRI) и коррелированная цветовая температура (CCT). Как мера оптической теплоты или холодности света, CCT выражается в Кельвинах (К), где более низкие значения (например, 2700К) выглядят «теплым белым», а более высокие значения (например, 5000К) выглядят «холодным белым». Напротив, индекс цветопередачи (CRI) количественно определяет, насколько хорошо источник света может отображать фактический цвет объекта по сравнению с эталонным источником, который является идеальным или естественным. Идеальная точность цветопередачи определяется индексом CRI, равным 100.

Производство источников света с низким-ЦТТ и оченьвысокий индекс цветопередачи(обычно выше 95) — распространенная, хотя и не непреодолимая проблема в светотехническом бизнесе. В этой статье рассматриваются причины этого явления, рассматривая, как взаимодействуют рамки наших показателей восприятия цвета, химия люминофоров и физика света.

1. Фундаментальная физика: ЦКТ и излучатель черного тела.

Теоретическая модель излучателя абсолютно черного тела неразрывно связана с идеей ЦТТ. Черное тело светится при нагревании, испуская постоянный спектр света, который предсказуемо меняется в зависимости от температуры. Излучение в основном сосредоточено в длинноволновой-красной и оранжевой частях видимого спектра при низких температурах (около 2000–3000 К) с очень небольшой энергией в синей и фиолетовой областях. С повышением температуры возникает более холодный и белый свет, поскольку пик спектра излучения смещается в сторону более коротких длин волн, заполняя синие и фиолетовые области.

Температура излучателя черного тела, цветовосприятие которого наиболее близко соответствует восприятию цвета источника света, известна как CCT. Важно отметить, что ЦТТ и спектр одинаковы для лампы накаливания, которая по сути представляет собой почти -идеальное черное тело. Это объясняет, почему лампы накаливания генерируют плавный, непрерывный спектр принизкий CCTоколо 2700К и индекс цветопередачи 100. Современное полупроводниковое-освещение представляет собой проблему, поскольку оно не использует тепловое излучение для производства света, особенно люминофорных-преобразованных в белый свет-излучающих диодов (ПК-светодиодов).

2. Проблема фосфора и структура современного белого светодиода

ПК-LED в настоящее время является самой популярной технологией общего освещения. Синий полупроводниковый чип (обычно на основе нитрида индия-галлия или InGaN), покрытый желтым-люминофором, чаще всего иттриевым алюминиевым гранатом с примесью церия- (YAG:Ce), является основным компонентом обычного белого светодиода. Люминофор возбуждается синим светом чипа и частично преобразует эту энергию в желтый свет. Белый свет воспринимается как результат широкого желтого излучения и остаточного синего света.

Соотношение синего и желтого света определяет CCT этого белого света. Низкий CCT (теплый белый) требует усиления желтого/красного излучения и значительного подавления синего света накачки. Обычно это делается путем: поглощения большего количества синего света за счет нанесения большего слоя люминофора, добавления большего количества люминофоров, излучающих красный свет (например, люминофоров на основе фторида или нитрида).

Это первое существенное препятствие. Хотя излучение исходного люминофора YAG:Ce широкое, ему не хватает темно-красной области спектра. Инженеры должны добавить красный люминофор, чтобы восполнить этот недостаток красного и уменьшить CCT. Тем не менее полоса излучения многих эффективных красных люминофоров узка. Это эффективно уменьшает CCT, но происходит это за счет внезапной вспышки красного света вместо устойчивого и равномерного распределения красных длин волн. Это приводит к прерывистому и «неровному» спектральному распределению мощности (SPD).

3. Расчет CRI: значение плавного спектра

Окончательным арбитром этой спектральной гладкости является тест CRI. Международная комиссия по освещению (CIE) определила этот метод в CIE 13.3-1995. Он предполагает определение изменения внешнего вида восьми стандартных тестовых образцов пастельных тонов (R1-R8) при освещении тестового источника по сравнению с эталонным источником того же ЦКТ.

Безупречный излучатель абсолютно черного тела служит эталоном для тестового источника при температуре ниже 5000К. Основная идея проста, но вычисления сложны: индекс цветопередачи увеличивается, а цветовые сдвиги уменьшаются, когда SPD тестового источника приближается к гладкой непрерывной планковской кривой черного тела.

SPD с большими зазорами создается с помощью светодиода с низким-CCT, который зависит от синей накачки и комбинации люминофоров с, возможно, узким излучением, особенно в голубой (490–520 нм) и темно-красной (650–680 нм) областях. Этот «разрывной» спектр приводит к заметным и необычным изменениям цвета, когда он отражается от цветов теста CRI. Например:

Синий и сине-зеленый-будет казаться тусклым и ненасыщенным, если не хватает голубого.

Красные объекты могут выглядеть перенасыщенными и «неоновыми»-с узким, остроконечным красным излучением, которое не может точно передать небольшие различия в красных оттенках.

Конкретные индексы насыщенного красного (R9) и других оттенков в таких дизайнах зачастую весьма плохие, даже если среднее значение первых восьми индексов (R a) хорошее. Таким образом, основная проблема заключается в том, что от идеального непрерывного спектра, необходимого для высокого CRI, часто приходится отказываться из-за технологической необходимости производить теплый свет (низкий CCT).

4. Узкое место в материаловедении: поиск идеального красного фосфора

Поэтому инженерная трудность становится проблемой материаловедения: поиск красного люминофора с широким, непрерывным спектром излучения и высокой эффективностью. Узкая-полосная эмиссия является недостатком многих коммерчески успешных красных люминофоров, особенно из семейств нитридов и оксинитридов, которые ценятся за свою высокую квантовую эффективность и стабильность.

Создание широкополосного красного люминофора, который был бы экономичным,-долговечным и эффективным, по-прежнему остается серьезной проблемой. Фторидные люминофоры, такие как K2SiF6:Mn4+, эффективны и обеспечивают очень узкую красную линию, однако они усугубляют проблему спектральной щели. Кроме того, балансировка нескольких люминофоров в одном покрытии может снизить общую светоотдачу (люмен на ватт) и усложнить однородность цвета с течением времени и при изменении температуры. В поисках лучшего решения эффективность и стоимость часто приносятся в жертву.высокий индекс цветопередачипри низкой ЦКТ.

5. Выход за рамки традиционных CRI и перспективы

Очень важно помнить, что существуют проблемы с самим показателем CRI (R a). Его неспособность предсказать изображение насыщенных цветов, оттенков кожи и естественной листвы заставила некоторых усомниться в его использовании всего восьми пастельных цветов. В результате были разработаны новые, более детальные показатели, такие как подход TM-30-20, который оценивает точность цветопередачи (R f) и цветовую гамму (R g) с использованием 99 цветовых образцов.

Эти более поздние измерения часто делают недостатки источников с низким-CCT и высоким-CRI (определяемым по Ra) более очевидными. Источник с шипом красного люминофора может иметь высокий показатель R9, но низкий показатель цветовой гаммы или искажений. В настоящее время отрасль движется к решениям, которые обеспечивают не только высокую точность воспроизведения, но и сбалансированную и естественную цветопередачу, что обусловлено спросом на высококачественное-освещение. Чтобы обеспечить более полный и непрерывный спектр, сравнимый со спектром ламп накаливания, даже при низких значениях CCT, требуются сложные люминофорные системы с тремя или более тщательно выбранными люминофорами или даже инновационные технологии, такие как фиолетовые-светодиоды с накачкой, которые одновременно стимулируют красный, зеленый и синий люминофоры.

В заключение

Воспринимаемая проблема достижения высокого CRI при низкой CCT является сильным технологическим ограничением, исходящим из существующей парадигмы производства светодиодов, а не физического ограничения. Излучатель черного тела, отраслевой стандарт света с низким-ЦКТ, имеет непрерывный, плавный спектр, который идеально подходит для естественной цветопередачи. Однако, чтобы создать свой белый свет,современные ПК-светодиодыдолжны сочетать отдельные полосы излучения синего чипа с разными люминофорами. Без использования широкого, эффективного и прочного красного люминофора процесс смещения спектрального баланса в сторону красного цвета с целью создания теплого ЦКТ часто приводит к прерывистому спектру. Согласно строгому, -зависимому от спектра тесту CRI, такое спектральное распределение мощности не передает цвета должным образом. Этот давний-компромисс-все чаще решается по мере развития материаловедения, а новые измерения помогают нам понять качество цвета, открывая двери к источникам света, которые одновременно впечатляюще точны и привлекательны.

Шэньчжэнь Benwei Lighting Technology Co., Ltd.

Телефон: +86 0755 27186329

Мобильный(+86)18673599565

Ватсап:19113306783

Электронная почта:bwzm15@benweilighting.com

Скайп:benweilight88

Интернет:www.benweilight.com