Komplexný tanec: Rozoberanie súvislosti medzi indexom vykresľovania farieb a korelovanou teplotou farieb
Abstrakcia
Dva dôležité fotometrické parametre-Korelovaná farebná teplota (CCT) a Index podania farieb (R an alebo CRI)-sú čoraz častejšie používané na ovplyvňovanie výberu zdrojov umelého svetla. Hoci sa o nich bežne diskutuje nezávisle, existuje medzi nimi zložitá a často pozorovaná súvislosť: pri nižších CCT je oveľa ťažšie dosiahnuť vysoké CRI. V tejto eseji sú skúmané technologické a fyzikálne základy tohto vzťahu. Opisuje, ako sa obmedzenia technológie LED s konvertovaným fosforom, základy žiarenia čierneho telesa a konkrétne požiadavky metodiky výpočtu CRI spájajú, aby vytvorili významnú inžiniersku prekážku pri vytváraní teplého,-verného svetla.
Prehľad
Svetlosa v oblasti svetelného dizajnu a technológie dôsledne posudzuje skôr na základe kvality ako len kvantity (lúmenov). V popredí tohto kvalitatívneho hodnotenia sú dve metriky: Index podania farieb (CRI) a korelovaná teplota farieb (CCT). Ako miera optického tepla alebo chladu svetla sa CCT vyjadruje v Kelvinoch (K), kde nižšie hodnoty (napríklad 2700 K) sa javia ako "teplá biela" a vyššie hodnoty (napríklad 5000 K) sa javia ako "studená biela". Naopak, index podania farieb (CRI) kvantifikuje, ako dobre môže svetelný zdroj zobraziť skutočnú farbu objektu v porovnaní s referenčným zdrojom, ktorý je ideálny alebo prirodzený. Dokonalú vernosť farieb predstavuje CRI 100.
Vytváranie nízkych-CCT svetelných zdrojov s veľmivysoké CRI(zvyčajne nad 95) je bežnou, aj keď nie neprekonateľnou výzvou v oblasti osvetlenia. Tento článok skúma príčiny tohto javu pri pohľade na to, ako spolupôsobí rámec našej metriky vnímania farieb, chémia fosforu a fyzika svetla.
1. Základná fyzika: CCT a čierny žiarič
Teoretický model čierneho žiariča je neoddeliteľne spojený s myšlienkou CCT. Čierne teleso žiari pri zahrievaní a uvoľňuje konštantné spektrum svetla, ktoré sa predvídateľným spôsobom mení s teplotou. Emisia je väčšinou zameraná na dlhé-vlnové dĺžky, červené a oranžové časti viditeľného spektra pri nízkych teplotách (asi 2000 K – 3000 K), s veľmi malou energiou v modrých a fialových oblastiach. Keď teplota stúpa, vytvára sa chladnejšie a belšie svetlo, pretože vrchol emisného spektra sa pohybuje smerom ku kratším vlnovým dĺžkam a vypĺňa modré a fialové oblasti.
Teplota žiariča čierneho telesa, ktorého vnímanie farieb sa najviac podobá vnímaniu svetelného zdroja, sa nazýva CCT. Dôležité je, že CCT a spektrum sú rovnaké pre žiarovku, ktorá je v podstate takmer -dokonalým čiernym telesom. To vysvetľuje, prečo žiarovky vytvárajú hladké, súvislé spektrum pri anízke CCTpribližne 2700 K a CRI 100. Moderné polovodičové-osvetlenie predstavuje problém, pretože na produkciu svetla nevyužíva tepelné žiarenie, najmä fosfor-konvertované biele svetelné-diódy (PC{5}}LED).
2. Fosforová výzva a štruktúra súčasnej bielej LED
PC-LED je v súčasnosti najpopulárnejšou technológiou všeobecného osvetlenia. Modrý polovodičový čip (zvyčajne na báze nitridu india a gália alebo InGaN) pokrytý žltým -vyžarujúcim fosforom, najčastejšie ytrium-hlinitým granátom dopovaným cérom- (YAG:Ce), je základnou súčasťou bežnej bielej LED. Fosfor je excitovaný modrým svetlom čipu a čiastočne transformuje túto energiu na žlté svetlo. Biele svetlo je vnímané ako výsledok širokého žltého vyžarovania a zvyškového modrého svetla.
Pomer modrého a žltého svetla určuje CCT tohto bieleho svetla. Nízka hodnota CCT (teplá biela) vyžaduje zosilnenie žltého/červeného vyžarovania a výrazné potlačenie modrého svetla pumpy. Zvyčajne sa to robí: absorbovaním väčšieho množstva modrého svetla nanesením väčšej vrstvy fosforu, pridaním ďalších fosforov, ktoré vyžarujú červené svetlo (ako sú fosfory na báze fluoridu alebo nitridu.
Toto je prvá významná prekážka. Hoci emisia z pôvodného YAG:Ce fosforu je široká, chýba jej tmavočervená oblasť spektra. Inžinieri musia pridať červený fosfor, aby nahradili tento nedostatok červenej a znížili CCT. Napriek tomu je emisné pásmo mnohých účinných červených fosforov úzke. To účinne znižuje CCT, ale robí to zavedením náhleho záblesku červeného svetla namiesto stálej, rovnomernej distribúcie červených vlnových dĺžok. To má za následok nespojité a „hrudkovité“ spektrálne rozloženie výkonu (SPD).
3. Výpočet CRI: Význam hladkého spektra
Konečným arbitrom tejto spektrálnej hladkosti je test CRI. Medzinárodná komisia pre osvetlenie (CIE) definovala metódu v CIE 13.3-1995. Zahŕňa určenie zmeny vzhľadu ôsmich štandardných testovacích vzoriek pastelových farieb (R1-R8) pod osvetlením testovacieho zdroja v porovnaní s referenčným zdrojom rovnakého CCT.
Bezchybný žiarič s čiernym telesom slúži ako referencia pre testovací zdroj pod 5000 K. Základná myšlienka je jednoduchá, ale výpočet je zložitý: CRI sa zvyšuje a farebné posuny klesajú, keď sa SPD testovacieho zdroja približuje k hladkej, súvislej Planckovej krivke čierneho telesa.
SPD s veľkými medzerami vytvára nízka-CCT LED, ktorá závisí od modrej pumpy a kombinácie fosforov s možno úzkymi emisiami, najmä v azúrovej (490 – 520 nm) a tmavočervenej (650 – 680 nm) oblasti. Toto "medzerné" spektrum má za následok pozoruhodné a nezvyčajné farebné zmeny, keď sa odráža od testovacích farieb CRI. Napríklad:
Modré a modro{0}}zelené farby budú v prípade nedostatku azúrovej farby pôsobiť nevýrazne a desaturované.
Červené objekty sa môžu javiť ako presýtené a „neónové“- s úzkym, ostrým červeným vyžarovaním, ktoré nedokáže verne zobraziť malé rozdiely v červených odtieňoch.
Špecifické indexy pre nasýtenú červenú (R9) a iné odtiene sú v takýchto dizajnoch často dosť slabé, aj keď je priemer prvých ôsmich indexov (R a) dobrý. Základným problémom teda je, že ideálne spojité spektrum potrebné pre vysoké CRI je často nútené opustiť kvôli technologickej potrebe produkovať teplé svetlo (nízke CCT).
4. Úzke miesto v materiálovej vede: Hľadanie ideálneho červeného fosforu
Technická obtiažnosť sa preto stáva problémom materiálovej vedy: hľadanie červeného fosforu so širokým kontinuálnym emisným spektrom a vysokou účinnosťou. Úzkopásmové vyžarovanie je nevýhodou mnohých komerčne úspešných červených fosforov, najmä tých z rodiny nitridov a oxynitridov, ktoré sú cenené pre svoju vysokú kvantovú účinnosť a stabilitu.
Vytvorenie širokopásmového červeného fosforu, ktorý je ekonomický,{0}}dlhotrvajúci a účinný, je stále veľkou výzvou. Fluoridové fosfory, ako napríklad K2SiF6:Mn4+, sú účinné a poskytujú veľmi úzku červenú čiaru, ale zhoršujú problém spektrálnej medzery. Okrem toho vyváženie niekoľkých fosforov v jednom povlaku môže znížiť celkovú svetelnú účinnosť (lúmeny na watt) a pridať komplikácie, pokiaľ ide o jednotnosť farieb v priebehu času a teploty. Efektívnosť a náklady sú často obetované pri hľadaní avysoké CRIpri nízkom CCT.
5. Prekračovanie konvenčného CRI a vyhliadky
Je dôležité si uvedomiť, že existujú problémy so samotnou metrikou CRI (R a). Jeho neschopnosť predpovedať zobrazovanie intenzívnych farieb, odtieňov pleti a prirodzeného lístia viedla niektorých k pochybnostiam, či sa spolieha len na osem pastelových farieb. V dôsledku toho boli vyvinuté novšie, dôkladnejšie metriky, ako je prístup TM-30-20, ktorý hodnotí vernosť farieb (R f) a farebný gamut (R g) pomocou 99 farebných vzoriek.
Tieto novšie merania často spôsobujú, že nedostatky zdrojov s nízkym -CCT, vysokým-CRI (určeným pomocou R a) sú zreteľnejšie. Zdroj s červeným fosforovým hrotom môže mať vysoké skóre R9, ale nízky farebný gamut alebo skóre skreslenia. Odvetvie v súčasnosti smeruje k riešeniam, ktoré ponúkajú nielen skvelú vernosť, ale aj vyvážený a prirodzený farebný zážitok z dôvodu dopytu po vysoko-kvalitnom osvetlení. S cieľom poskytnúť komplexnejšie a súvislejšie spektrum, ktoré je porovnateľné so spektrom žiaroviek, dokonca aj pri nízkych CCT, si to vyžaduje sofistikované fosforové systémy, ktoré majú tri alebo viac starostlivo vybraných fosforov, alebo dokonca inovatívne techniky, ako sú fialové-Pumpy LED, ktoré stimulujú súčasne červené, zelené a modré fosfory.
Na záver
Vnímaná výzva dosiahnutia vysokého CRI pri nízkom CCT je silným technologickým obmedzením vychádzajúcim z existujúcej paradigmy výroby LED a nie fyzickým obmedzením. Žiarič s čiernym telesom, priemyselný štandard pre nízke-CCT svetlo, má súvislé, hladké spektrum, ktoré je ideálne pre prirodzené vykresľovanie farieb. Aby sa však vytvorilo jeho biele svetlo,moderné PC-LED diódymusí kombinovať odlišné emisné pásma z modrého čipu s rôznymi fosformi. Bez použitia širokého, efektívneho a odolného červeného fosforu, proces posúvania spektrálnej rovnováhy smerom k červenej, aby sa vytvoril teplý CCT, často vytvára nespojité spektrum. Podľa presného, na spektre-závislého testu CRI toto spektrálne rozloženie výkonu nezobrazuje adekvátne farby. Tento dlhotrvajúci kompromis-sa čoraz viac rieši, pretože materiálová veda sa rozvíja a nové merania nám pomáhajú pochopiť kvalitu farieb, čím sa otvárajú dvere svetelným zdrojom, ktoré sú veľkolepo pravdivé a zároveň vrúcne pozývajúce.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefón: +86 0755 27186329
Mobil (+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
Email:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
