Komplexní tanec: Rozebírání spojení mezi indexem podání barev a korelovanou teplotou barev
Abstrakce
Dva důležité fotometrické parametry-Korelovaná teplota barev (CCT) a Index podání barev (R an nebo CRI)-se stále častěji používají k ovlivnění výběru zdrojů umělého světla. Ačkoli jsou běžně diskutovány nezávisle, existuje mezi nimi složitá a často pozorovaná souvislost: při nižších CCT je mnohem těžší dosáhnout vysokého CRI. V této eseji jsou zkoumány technologické a fyzikální základy tohoto vztahu. Popisuje, jak se omezení technologie LED s konvertovaným fosforem, základy vyzařování černého tělesa a konkrétní požadavky metodiky výpočtu CRI spojují, aby vytvořily významnou technickou překážku pro vytváření teplého, vysoce-věrného světla.
Přehled
Světloje v oblasti světelného designu a technologie přísně posuzována spíše na základě kvality než pouze kvantity (lumenů). V popředí tohoto kvalitativního hodnocení jsou dvě metriky: Index podání barev (CRI) a korelovaná teplota barev (CCT). Jako míra optického tepla nebo chladu světla se CCT vyjadřuje v Kelvinech (K), kde nižší hodnoty (např. 2700 K) se jeví jako „teplá bílá“ a vyšší hodnoty (např. 5000 K) jako „studená bílá“. Naproti tomu Index podání barev (CRI) kvantifikuje, jak dobře může světelný zdroj zobrazit skutečnou barvu objektu ve srovnání s referenčním zdrojem, který je ideální nebo přirozený. Dokonalou věrnost barev představuje CRI 100.
Vyrábí nízké-CCT světelné zdroje s velmivysoké CRI(obvykle nad 95) je běžnou, i když ne nepřekonatelnou výzvou v oboru osvětlení. Tento článek zkoumá příčiny tohoto jevu tím, že se podívá na to, jak se vzájemně ovlivňují rámec naší metriky vnímání barev, chemie fosforů a fyzika světla.
1. Základy fyziky: CCT a zářič černého tělesa
Teoretický model zářiče s černým tělesem je neoddělitelně spjat s myšlenkou CCT. Černé těleso při zahřívání svítí a uvolňuje konstantní spektrum světla, které se předvídatelným způsobem mění s teplotou. Emise je převážně soustředěna na dlouhé-vlnové délky, červené a oranžové části viditelného spektra při nízkých teplotách (asi 2000 K–3000 K), s velmi malou energií v modrých a fialových oblastech. Se stoupající teplotou vzniká chladnější a bělejší světlo, protože vrchol emisního spektra se pohybuje směrem ke kratším vlnovým délkám a vyplňuje modré a fialové oblasti.
Teplota zářiče černého tělesa, jehož vnímání barev se nejvíce podobá vnímání světelného zdroje, se nazývá CCT. Důležité je, že CCT a spektrum jsou stejné pro žárovku, což je v podstatě téměř -dokonalé černé těleso. To vysvětluje, proč žárovky generují hladké, spojité spektrum v anízké CCTpřibližně 2700 K a CRI 100. Moderní polovodičové osvětlení představuje problém, protože k produkci světla nevyužívá tepelné záření, zejména fosfor-přeměněné bílé světelné-diody (PC-LED).
2. Fosforová výzva a struktura současné bílé LED
PC-LED je v současnosti nejoblíbenější technologií obecného osvětlení. Modrý polovodičový čip (obvykle na bázi nitridu india a galia nebo InGaN) pokrytý žlutým -vyzařujícím fosforem, nejčastěji cerem- dopovaným ytrium-hlinitým granátem (YAG:Ce), je základní součástí konvenční bílé LED. Fosfor je excitován modrým světlem čipu a částečně transformuje tuto energii na žluté světlo. Bílé světlo je vnímáno jako výsledek široké žluté emise a zbytkového modrého světla.
Poměr modrého a žlutého světla určuje CCT tohoto bílého světla. Nízký CCT (teplá bílá) vyžaduje zesílení žluté/červené emise a výrazné potlačení modrého světla pumpy. Obvykle se to provádí: absorbováním více modrého světla nanesením větší vrstvy fosforu, přidáním více fosforů, které vyzařují červené světlo (jako jsou fosfory na bázi fluoridu nebo nitridu.
To je první významná překážka. Ačkoli je emise z původního YAG:Ce fosforu široká, chybí v tmavě červené oblasti spektra. Inženýři musí přidat červený fosfor, aby vyrovnali tento nedostatek červené barvy a snížili CCT. Nicméně emisní pásmo mnoha účinných červených fosforů je úzké. To účinně snižuje CCT, ale činí tak zavedením náhlého záblesku červeného světla namísto stálé, rovnoměrné distribuce červených vlnových délek. To má za následek nespojité a "hrudkovité" spektrální rozdělení výkonu (SPD).
3. Výpočet CRI: Význam hladkého spektra
Konečným arbitrem této spektrální plynulosti je test CRI. Mezinárodní komise pro osvětlení (CIE) definovala metodu v CIE 13.3-1995. Zahrnuje stanovení změny vzhledu osmi standardních pastelově zbarvených testovacích vzorků (R1-R8) pod osvětlením testovacího zdroje ve srovnání s referenčním zdrojem stejného CCT.
Bezchybný zářič s černým tělesem slouží jako reference pro testovací zdroj pod 5000 K. Základní myšlenka je přímočará, ale výpočet je složitý: CRI se zvyšuje a barevné posuny se snižují, když se SPD testovacího zdroje blíží hladké, spojité Planckově křivce černého tělesa.
SPD s velkými mezerami vytváří nízká-CCT LED, která závisí na modré pumpě a kombinaci fosforů s možná úzkými emisemi, zejména v azurové (490–520 nm) a tmavě červené (650–680 nm) oblasti. Toto "neprůhledné" spektrum má za následek pozoruhodné a neobvyklé barevné změny, když se odráží od testovacích barev CRI. Například:
Modré a modro{0}}zelené se budou jevit jako jednotvárné a desaturované, pokud je nedostatek azurové.
Červené objekty mohou vypadat přesycené a „neon{0}}jako“ s úzkým, špičatým červeným vyzařováním, které nedokáže věrně zobrazit malé rozdíly v červených odstínech.
Specifické indexy pro sytou červenou (R9) a jiné odstíny jsou v takových designech často velmi špatné, i když průměr prvních osmi indexů (R a) je dobrý. Základním problémem tedy je, že ideální spojité spektrum potřebné pro vysoké CRI je často nuceno opustit kvůli technologické nutnosti produkovat teplé světlo (nízké CCT).
4. Úzké místo ve vědě o materiálu: Hledání ideálního červeného fosforu
Proto se inženýrská obtížnost stává problémem materiálové vědy: hledání červeného fosforu se širokým, spojitým emisním spektrem a vysokou účinností. Úzkopásmová emise je nevýhodou mnoha komerčně úspěšných červených fosforů, zejména těch z rodiny nitridů a oxynitridů, které jsou ceněné pro svou vysokou kvantovou účinnost a stabilitu.
Vytvoření širokopásmového červeného fosforu, který je ekonomický,{0}}dlouhotrvající a účinný, je stále velkou výzvou. Fluoridové fosfory, jako je K2SiF6:Mn4+, jsou účinné a poskytují velmi úzkou červenou čáru, ale zhoršují problém spektrální mezery. Kromě toho vyvážení několika fosforů v jednom povlaku může snížit celkovou světelnou účinnost (lumeny na watt) a přidat komplikace s ohledem na jednotnost barev v průběhu času a teploty. Efektivita a náklady jsou často obětovány při hledání avysoké CRIpři nízkém CCT.
5. Překonání konvenčního CRI a vyhlídky
Je důležité si uvědomit, že existují problémy se samotnou metrikou CRI (R a). Jeho neschopnost předvídat zobrazení intenzivních barev, odstínů pleti a přirozeného listí vedla některé k pochybnostem o jeho spoléhání se pouze na osm pastelových barev. V důsledku toho byly vyvinuty novější, důkladnější metriky, jako je přístup TM-30-20, který hodnotí barevnou věrnost (R f) a barevný gamut (R g) pomocí 99 barevných vzorků.
Díky těmto novějším měřením jsou často nedostatky zdrojů s nízkým-CCT, vysokým-CRI (jak je stanoveno pomocí R a) zjevnější. Zdroj s červeným fosforovým hrotem může mít vysoké skóre R9, ale nízký barevný gamut nebo skóre zkreslení. Vzhledem k poptávce po vysoce-kvalitním osvětlení se průmysl v současné době posouvá směrem k řešením, která nabízejí nejen skvělou věrnost, ale také vyvážený a přirozený barevný zážitek. Aby bylo možné poskytnout komplexnější a spojitější spektrum, které je srovnatelné se spektrem žárovek, a to i při nízkém CCT, vyžaduje to sofistikované fosforové systémy, které mají tři nebo více pečlivě vybraných fosforů, nebo dokonce inovativní techniky, jako jsou fialové-čerpadlové LED, které stimulují současně červené, zelené a modré fosfory.
Na závěr
Vnímaná výzva dosáhnout vysokého CRI při nízkém CCT je silným technologickým omezením pocházejícím ze stávajícího paradigmatu výroby LED, spíše než fyzickým omezením. Zářič s černým tělesem, průmyslový standard pro nízké-CCT světlo, má spojité, hladké spektrum, které je přirozeně ideální pro podání barev. Aby se však vytvořilo jeho bílé světlo,moderní PC-LED diodymusí kombinovat odlišná emisní pásma z modrého čipu s různými fosfory. Bez použití širokého, účinného a odolného červeného fosforu, proces posunu spektrální rovnováhy směrem k červené za účelem vytvoření teplého CCT často vytváří nespojité spektrum. Podle přesného, spektrálně-závislého CRI testu toto spektrální rozložení výkonu nezobrazuje adekvátně barvy. Tento dlouholetý -obchod-je stále více řešen s tím, jak se materiální věda vyvíjí a nová měření nám pomáhají porozumět kvalitě barev a otevírají dveře světelným zdrojům, které jsou okázale pravdivé a zároveň vřele zvoucí.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobil (+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
