Складний танець: аналіз зв’язку між індексом передачі кольору та корельованою температурою кольору

Абстракція

Два важливі фотометричні параметри-корельована колірна температура (CCT) та індекс передачі кольору (R an або CRI)-все частіше використовуються для впливу на вибір штучних джерел світла. Хоча вони зазвичай обговорюються окремо, між ними існує складний і часто спостережуваний зв’язок: при нижчих CCT значно важче досягти високого CRI. У цьому есе розглядаються технологічні та фізичні основи цього зв’язку. У ньому описано, як обмеження світлодіодної технології-перетвореного люмінофору, основи випромінювання чорного тіла та особливі вимоги методології розрахунку CRI об’єднуються, щоб створити значну інженерну перешкоду для створення теплого, високо-точного світла.

Огляд

світлопроходить сувору оцінку на основі його якості, а не лише його кількості (люменів) у сфері дизайну та технологій освітлення. На передньому плані цієї якісної оцінки знаходяться два показники: індекс передачі кольору (CRI) і корельована колірна температура (CCT). Як міра оптичної тепла або холоду світла, CCT виражається в кельвінах (K), де нижчі значення (наприклад, 2700 K) виглядають як «теплі білі», а вищі значення (наприклад, 5000 K) виглядають як «холодні білі». Навпаки, індекс передачі кольору (CRI) кількісно визначає, наскільки добре джерело світла може відобразити фактичний колір об’єкта порівняно з еталонним джерелом, яке є ідеальним або природним. Ідеальна точність кольору представлена CRI 100.

Виробництво джерел світла з низьким-CCT з дужевисокий CRI(зазвичай вище 95) є загальною, хоча й не непереборною проблемою в освітлювальному бізнесі. У цій статті досліджуються причини цього явища, дивлячись на те, як взаємодіють система показників сприйняття кольору, хімії люмінофорів і фізики світла.

1. Фундаментальна фізика: CCT і радіатор чорного тіла

Теоретична модель випромінювача чорного тіла нерозривно пов’язана з ідеєю CCT. При нагріванні чорне тіло світиться, випромінюючи постійний спектр світла, який передбачувано змінюється залежно від температури. Випромінювання здебільшого зосереджено в довгохвильовій, червоній і помаранчевій частинах видимого спектра при низьких температурах (приблизно 2000–3000 К), з дуже малою енергією в синій і фіолетовій областях. У міру підвищення температури утворюється більш холодне біле світло, оскільки пік спектру випромінювання переміщується в бік коротших хвиль, заповнюючи сині та фіолетові області.

Температура радіатора чорного тіла, сприйняття кольору якого найбільше нагадує джерело світла, відома як CCT. Важливо, що CCT і спектр однакові для лампи розжарювання, яка, по суті, є майже{1}}ідеальним чорним тілом. Це пояснює, чому лампи розжарювання генерують плавний безперервний спектр при aнизький CCTблизько 2700 К і CRI 100. Сучасне твердотільний-освітлення становить проблему, оскільки воно не використовує теплове випромінювання для створення світла, особливо світло-перетворені білі світлодіоди (pc-LED).

2. Виклик фосфору та структура сучасного білого світлодіода

PC-LED — наразі найпопулярніша технологія загального освітлення. Синій напівпровідниковий чіп (зазвичай на основі нітриду галію індію або InGaN), покритий жовтим-люмінофором, найчастіше легованим церієм-ітрієвим алюмінієвим гранатом (YAG:Ce), є основним компонентом звичайного білого світлодіода. Люмінофор збуджується синім світлом чіпа та частково перетворює цю енергію на жовте світло. Біле світло сприймається як результат широкого жовтого випромінювання та залишкового синього світла.

Співвідношення синього та жовтого світла визначає CCT цього білого світла. Низький CCT (теплий білий) вимагає посилення жовто-червоного випромінювання та значного придушення синього світла накачування. Зазвичай це робиться шляхом: поглинання більшої кількості синього світла шляхом нанесення більшого шару люмінофора, додавання більшої кількості люмінофорів, які випромінюють червоне світло (наприклад, люмінофорів на основі фториду або нітриду.

Це перша суттєва перешкода. Хоча випромінювання оригінального люмінофора YAG:Ce є широким, воно не має темно-червоної області спектру. Інженери повинні додати червоний люмінофор, щоб компенсувати цей дефіцит червоного та зменшити CCT. Тим не менш, смуга випромінювання багатьох ефективних червоних люмінофорів є вузькою. Це фактично зменшує CCT, але це відбувається завдяки введенню раптового спалаху червоного світла замість постійного рівномірного розподілу довжин хвиль червоного кольору. Це призводить до переривчастого та "грудкуватого" спектрального розподілу потужності (SPD).

3. Розрахунок CRI: значення згладженого спектра

Остаточним арбітром цієї спектральної гладкості є тест CRI. Міжнародна комісія з освітлення (CIE) визначила метод у CIE 13.3-1995. Це передбачає визначення зміни зовнішнього вигляду восьми стандартних досліджуваних зразків пастельних кольорів (R1-R8) під час освітлення досліджуваного джерела в порівнянні з еталонним джерелом того ж CCT.

Бездоганний радіатор чорного тіла служить еталоном для тестового джерела з температурою нижче 5000K. Основна ідея проста, але обчислення складне: CRI збільшується, а колірні зсуви зменшуються, коли SPD тестового джерела наближається до плавної безперервної кривої Планка чорного тіла.

SPD із великими проміжками створюється світлодіодом із низьким-CCT, який залежить від синього насоса та комбінації люмінофорів із, можливо, вузькими випромінюваннями, особливо в блакитному (490–520 нм) і темно-червоному (650–680 нм) областях. Цей «розривний» спектр призводить до помітних і незвичайних змін кольору, коли він відбивається від кольорів тесту CRI. Наприклад:

Сині та синьо-зелені відображатимуться сірими та ненасиченими, якщо бракує блакитного.

Червоні об’єкти можуть виглядати перенасиченими та «схожими на неонові-» з вузьким колючим червоним випромінюванням, яке не може точно відобразити невеликі відмінності червоних відтінків.

Специфічні індекси для насиченого червоного (R9) та інших відтінків часто досить низькі в таких конструкціях, навіть якщо середнє значення перших восьми індексів (R a) добре. Таким чином, основна проблема полягає в тому, що ідеальний безперервний спектр, необхідний для високого CRI, часто змушений відмовлятися через технологічну необхідність виробляти тепле світло (низький CCT).

4. Вузьке місце в матеріалознавстві: пошук ідеального червоного фосфору

Тому інженерна складність стає проблемою матеріалознавства: пошук червоного люмінофора з широким безперервним спектром випромінювання та високою ефективністю. Вузько{1}}смугове випромінювання є недоліком багатьох комерційно успішних червоних люмінофорів, особливо тих із сімейства нітридів і оксинітридів, які цінуються за високу квантову ефективність і стабільність.

Створення широкосмугового червоного люмінофора, який був би економічним, довговічним і ефективним, досі залишається серйозною проблемою. Фтористі люмінофори, такі як K2SiF6:Mn4+, ефективні та забезпечують дуже вузьку червону лінію, однак вони погіршують проблему спектрального розриву. Крім того, збалансування кількох люмінофорів в одному покритті може знизити загальну світлову ефективність (люмен на ват) і створити ускладнення щодо однорідності кольору з часом і температурою. Ефективність і вартість часто приносяться в жертву в пошуках aвисокий CRIпри низькому CCT.

5. Вихід за рамки традиційного CRI та перспективи

Важливо пам’ятати, що є проблеми з самим показником CRI (R a). Його нездатність передбачити зображення інтенсивних кольорів, відтінків шкіри та природного листя призвело до того, що дехто поставив під сумнів його залежність лише від восьми пастельних кольорів. У результаті були розроблені новіші, більш детальні показники, такі як підхід TM-30-20, який оцінює точність кольору (R f) і кольорову гаму (R g) за допомогою 99 зразків кольорів.

Ці новіші вимірювання часто роблять недоліки джерел із низьким-CCT, високим-CRI (як визначено R a) більш очевидними. Джерело з червоним люмінофором може мати високу оцінку R9, але низьку колірну гамму або показник спотворення. У зв’язку з попитом на високо-якісне освітлення індустрія наразі рухається до рішень, які пропонують не лише чудову точність, але й збалансоване та природне кольори. Щоб забезпечити більш повний і безперервний спектр, який можна порівняти зі спектром ламп розжарювання, навіть при низьких CCT, це потребує складних люмінофорних систем із трьома або більше ретельно підібраними люмінофорами або навіть інноваційних методів, таких як фіолетові-світлодіоди з насосом, які стимулюють червоний, зелений і синій люмінофори одночасно.

На закінчення

Вважається, що проблема досягнення високого CRI при низькому CCT є сильним технологічним обмеженням, що походить від існуючої парадигми виробництва світлодіодів, а не фізичних обмежень. Випромінювач чорного тіла, галузевий стандарт для світла з низьким -CCT, має безперервний гладкий спектр, ідеальний для передачі кольору за своєю природою. Однак, щоб створити його біле світло,сучасні ПК-світлодіодимає поєднувати різні смуги випромінювання блакитної мікросхеми з різними люмінофорами. Без використання широкого, ефективного та міцного червоного люмінофора процес переміщення спектрального балансу в бік червоного для отримання теплого CCT часто призводить до переривчастого спектру. Відповідно до суворого, -залежного від спектра тесту CRI, цей спектральний розподіл потужності не відображає належним чином кольори. Цей давній-компроміс-дедалі частіше розглядається в міру того, як розвивається матеріалознавство, а нові вимірювання допомагають нам зрозуміти якість кольору, відкриваючи двері до джерел світла, які є вражаюче правдивими та теплими.

Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd

Телефон: +86 0755 27186329

Мобільний (+86)18673599565

WhatsApp:19113306783

Електронна пошта:bwzm15@benweilighting.com

Skype:benweilight88

Інтернет:www.benweilight.com