Złożony taniec: analizowanie związku między współczynnikiem oddawania barw a skorelowaną temperaturą barwową
Abstrakcja
Dwa ważne parametry fotometryczne:-skorelowana temperatura barwowa (CCT) i współczynnik oddawania barw (Ran lub CRI)-są coraz częściej wykorzystywane do wpływania na wybór źródeł sztucznego światła. Chociaż powszechnie omawia się je niezależnie, istnieje między nimi złożone i często obserwowane powiązanie: przy niższych CCT znacznie trudniej jest osiągnąć wysoki CRI. W tym eseju zbadane zostaną technologiczne i fizyczne podstawy tej zależności. Opisuje, w jaki sposób ograniczenia technologii LED-z konwersją fosforu, podstawy promieniowania ciała doskonale czarnego i szczególne wymagania metodologii obliczania CRI wspólnie tworzą istotną przeszkodę inżynieryjną w tworzeniu ciepłego,-wiernego światła.
Przegląd
Światłojest rygorystycznie oceniany w oparciu o jakość, a nie tylko ilość (lumenów) w dziedzinie projektowania i technologii oświetleniowej. Na czele tej oceny jakościowej znajdują się dwa wskaźniki: współczynnik oddawania barw (CRI) i skorelowana temperatura barwowa (CCT). Jako miara optycznego ciepła lub chłodu światła, CCT wyraża się w kelwinach (K), gdzie niższe wartości (np. 2700 K) oznaczają „ciepłą biel”, a wyższe wartości (np. 5000 K) oznaczają „zimną biel”. Natomiast współczynnik oddawania barw (CRI) określa ilościowo, jak dobrze źródło światła może odzwierciedlić rzeczywisty kolor obiektu w porównaniu ze źródłem odniesienia, które jest idealne lub naturalne. Doskonała wierność kolorów jest reprezentowana przez współczynnik CRI wynoszący 100.
Produkcja źródeł światła o niskiej-CCT przy bardzowysoki współczynnik CRI(zwykle powyżej 95) jest powszechnym, choć nie nie do pokonania, wyzwaniem w branży oświetleniowej. W tym artykule badamy przyczyny tego zjawiska, przyglądając się, w jaki sposób ramy naszych wskaźników postrzegania kolorów, chemia luminoforów i fizyka światła oddziałują na siebie.
1. Fizyka podstawowa: CCT i promiennik ciała doskonale czarnego
Teoretyczny model promiennika ciała doskonale czarnego jest nierozerwalnie związany z ideą CCT. Ciało doskonale czarne świeci po podgrzaniu, uwalniając stałe widmo światła, które zmienia się wraz z temperaturą w przewidywalny sposób. Emisja skupia się głównie na długich{{2}falach, czerwonych i pomarańczowych częściach widma widzialnego w niskich temperaturach (około 2000–3000 K), z bardzo małą ilością energii w obszarach niebieskim i fioletowym. Wraz ze wzrostem temperatury wytwarzane jest chłodniejsze i bielsze światło, ponieważ szczyt widma emisji przesuwa się w stronę krótszych fal, wypełniając obszary niebieski i fioletowy.
Temperatura promiennika ciała doskonale czarnego, którego postrzeganie kolorów najbardziej przypomina temperaturę źródła światła, nazywana jest CCT. Co ważne, współczynnik CCT i widmo są takie same w przypadku żarówki, która jest w istocie niemal-idealnym ciałem czarnym. To wyjaśnia, dlaczego żarówki generują gładkie, ciągłe widmo przyniski CCTokoło 2700 K i współczynnik CRI wynoszący 100. Współczesne oświetlenie-stałe stanowi problem, ponieważ do wytwarzania światła nie wykorzystuje promieniowania cieplnego, a zwłaszcza diod-białych-emitujących światło-(LED w komputerach).
2. Wyzwanie związane z fosforem i struktura współczesnej białej diody LED
PC-LED to obecnie najpopularniejsza technologia oświetlenia ogólnego. Podstawowym składnikiem konwencjonalnej białej diody LED jest niebieski chip półprzewodnikowy (zwykle oparty na azotku indu galu lub InGaN) pokryty żółtym-luminoforem, najczęściej domieszkowanym cerem-granatem itrowo-aluminiowym (YAG:Ce). Fosfor jest wzbudzany przez niebieskie światło chipa i częściowo przekształca tę energię w światło żółte. Światło białe jest postrzegane w wyniku szerokiej emisji żółtej i resztkowego światła niebieskiego.
Stosunek światła niebieskiego do żółtego określa współczynnik CCT tego światła białego. Niski CCT (ciepły biały) wymaga wzmocnienia emisji żółto-czerwonej i znacznego tłumienia niebieskiego światła pompy. Zwykle odbywa się to poprzez: pochłonięcie większej ilości światła niebieskiego poprzez nałożenie większej warstwy luminoforu, dodanie większej liczby luminoforów emitujących światło czerwone (takich jak luminofory na bazie fluoru lub azotku.
To pierwsza istotna przeszkoda. Chociaż emisja oryginalnego luminoforu YAG:Ce jest szeroka, brakuje jej w głęboko czerwonym obszarze widma. Inżynierowie muszą dodać czerwony luminofor, aby zrekompensować ten niedobór czerwieni i zmniejszyć CCT. Niemniej jednak pasmo emisji wielu skutecznych czerwonych luminoforów jest wąskie. To skutecznie zmniejsza CCT, ale robi to poprzez wprowadzenie nagłego wybuchu czerwonego światła zamiast stałego, równomiernego rozkładu czerwonych długości fal. Powoduje to nieciągły i „nierówny” widmowy rozkład mocy (SPD).
3. Obliczanie CRI: znaczenie gładkiego widma
Ostatecznym arbitrem tej gładkości widmowej jest test CRI. Międzynarodowa Komisja ds. Oświetlenia (CIE) zdefiniowała tę metodę w CIE 13.3-1995. Polega na określeniu zmiany wyglądu ośmiu standardowych próbek testowych w pastelowych kolorach (R1-R8) pod wpływem oświetlenia źródła testowego w porównaniu ze źródłem referencyjnym tego samego CCT.
Nieskazitelny promiennik ciała doskonale czarnego służy jako punkt odniesienia dla źródła testowego o temperaturze poniżej 5000 K. Podstawowa koncepcja jest prosta, ale obliczenia są skomplikowane: CRI wzrasta, a przesunięcia kolorów maleją, gdy SPD źródła testowego zbliża się do gładkiej, ciągłej krzywej Plancka ciała czarnego.
SPD z dużymi przerwami jest wytwarzany przez diodę LED o niskim-CCT, która zależy od niebieskiej pompy i kombinacji luminoforów o być może wąskiej emisji, szczególnie w obszarach cyjanu (490-520 nm) i głębokiej czerwieni (650-680 nm). To „przerwane” widmo powoduje zauważalne i niezwykłe zmiany kolorów, gdy odbija się od kolorów testowych CRI. Na przykład:
W przypadku niedoboru cyjanu odcienie niebieskiego i niebieskiego-zielonego będą wyglądać na szare i pozbawione nasycenia.
Czerwone obiekty mogą wydawać się przesycone i „neonowe-” z wąską, kolczastą czerwoną emisją, która nie jest w stanie wiernie oddać niewielkich różnic w odcieniach czerwieni.
Specyficzne wskaźniki dla nasyconej czerwieni (R9) i innych odcieni są często dość słabe w takich projektach, nawet jeśli średnia z pierwszych ośmiu wskaźników (Ra) jest dobra. Zatem podstawowym problemem jest to, że idealne, ciągłe widmo potrzebne do uzyskania wysokiego CRI często jest zmuszone do rezygnacji ze względu na technologiczną konieczność wytworzenia ciepłego światła (niski CCT).
4. Wąskie gardło w materiałoznawstwie: poszukiwanie idealnego czerwonego fosforu
Dlatego trudność inżynieryjna staje się problemem inżynierii materiałowej: poszukiwanie czerwonego luminoforu o szerokim, ciągłym widmie emisji i wysokiej wydajności. Emisja wąskopasmowa-jest wadą wielu czerwonych luminoforów, które odniosły sukces komercyjny, zwłaszcza tych z rodzin azotków i tlenoazotków, które są cenione ze względu na wysoką wydajność kwantową i stabilność.
Stworzenie szerokopasmowego czerwonego luminoforu, który jest ekonomiczny,-trwały i wydajny, nadal stanowi główne wyzwanie. Luminofory fluorkowe, takie jak K2SiF6:Mn4+, są skuteczne i zapewniają bardzo wąską czerwoną linię, jednak pogarszają problem przerwy widmowej. Ponadto zrównoważenie kilku luminoforów w jednej powłoce może obniżyć ogólną skuteczność świetlną (lumenów na wat) i spowodować komplikacje związane z jednolitością koloru w czasie i temperaturze. W dążeniu do rozwiązania często rezygnuje się z wydajności i kosztówwysoki współczynnik CRIprzy niskim CCT.
5. Wyjście poza konwencjonalne CRI i perspektywy
Należy pamiętać, że istnieją problemy z samym wskaźnikiem CRI (Ra). Niemożność przewidzenia przedstawienia intensywnych kolorów, odcieni skóry i naturalnego ulistnienia sprawiła, że niektórzy kwestionują jego zależność od zaledwie ośmiu pastelowych kolorów. W rezultacie opracowano nowsze, dokładniejsze wskaźniki, takie jak podejście TM-30-20, które ocenia wierność kolorów (R f) i gamę kolorów (R g) przy użyciu 99 próbek kolorów.
Te nowsze pomiary często uwydatniają wady źródeł o niskim-CCT i wysokim-CRI (określonym przez Ra). Źródło ze szczytem czerwonego fosforu może mieć wysoki wynik R9, ale niską gamę kolorów lub wynik zniekształceń. Branża zmierza obecnie w stronę rozwiązań, które oferują nie tylko doskonałą wierność, ale także zrównoważone i naturalne kolory ze względu na zapotrzebowanie na oświetlenie-wysokiej jakości. Aby zapewnić bardziej kompleksowe i ciągłe widmo porównywalne z widmem żarówek, nawet przy niskich wartościach CCT, wymaga to wyrafinowanych systemów luminoforów zawierających co najmniej trzy starannie dobrane luminofory lub nawet innowacyjnych technik, takich jak fioletowe-diody LED z pompką, które stymulują jednocześnie luminofory czerwone, zielone i niebieskie.
Podsumowując
Postrzegane wyzwanie polegające na osiągnięciu wysokiego CRI przy niskim CCT jest silnym ograniczeniem technologicznym wynikającym z istniejącego paradygmatu produkcji diod LED, a nie ograniczeniem fizycznym. Promiennik ciała doskonale czarnego, branżowy standard dla światła o niskiej-CCT, ma ciągłe, gładkie widmo, które z natury idealnie nadaje się do oddawania barw. Aby jednak wytworzyć jego białe światło,nowoczesne diody LED-komputerówmusi łączyć różne pasma emisji z niebieskiego chipa z różnymi luminoforami. Bez użycia szerokiego, skutecznego i trwałego czerwonego luminoforu proces przesuwania równowagi widmowej w kierunku czerwieni w celu wytworzenia ciepłego CCT często powoduje nieciągłe widmo. Zgodnie z dokładnym, zależnym od widma testem CRI, ten widmowy rozkład mocy nie odzwierciedla odpowiednio kolorów. Ten-trwały kompromis-jest coraz częściej uwzględniany w miarę rozwoju nauk o materiałach, a nowe pomiary pomagają nam zrozumieć jakość kolorów, otwierając drzwi do źródeł światła, które są zarówno spektakularnie prawdziwe, jak i ciepłe.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Komórka(+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:Benweilight88
Sieć:www.benweilight.com
