Ο σύνθετος χορός: Ανατομή της σύνδεσης μεταξύ του δείκτη απόδοσης χρωμάτων και της συσχετισμένης θερμοκρασίας χρώματος
Αφαίρεση
Δύο σημαντικές φωτομετρικές παράμετροι-Συσχετισμένη θερμοκρασία χρώματος (CCT) και δείκτης απόδοσης χρώματος (R an ή CRI)-χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο για να επηρεάσουν την επιλογή τεχνητών πηγών φωτός. Αν και συνήθως συζητούνται ανεξάρτητα, υπάρχει μια πολύπλοκη και συχνά παρατηρούμενη σχέση μεταξύ τους: σε χαμηλότερα CCT, είναι πολύ πιο δύσκολο να επιτευχθεί υψηλός CRI. Τα τεχνολογικά και φυσικά θεμέλια αυτής της σχέσης εξετάζονται σε αυτό το δοκίμιο. Περιγράφει πώς συνδυάζονται οι περιορισμοί της τεχνολογίας LED-μετατρεπόμενος από τον φώσφορο, οι βασικές αρχές της ακτινοβολίας μαύρου σώματος και οι ιδιαίτερες απαιτήσεις της μεθοδολογίας υπολογισμού CRI για να αποτελέσουν ένα σημαντικό μηχανικό εμπόδιο για τη δημιουργία θερμού, υψηλής-πιστότητας φωτός.
Επισκόπηση
Φωςαξιολογείται αυστηρά με βάση την ποιότητά του και όχι απλώς την ποσότητα του (lumens) στον τομέα του σχεδιασμού και της τεχνολογίας φωτισμού. Στην πρώτη γραμμή αυτής της ποιοτικής αξιολόγησης βρίσκονται δύο μετρήσεις: ο δείκτης απόδοσης χρώματος (CRI) και η συσχετισμένη θερμοκρασία χρώματος (CCT). Ως μέτρο της οπτικής θερμότητας ή δροσιάς του φωτός, το CCT εκφράζεται σε Kelvins (K), όπου οι χαμηλότερες τιμές (όπως 2700K) εμφανίζονται "θερμό λευκό" και οι υψηλότερες τιμές (όπως 5000K) εμφανίζονται "ψυχρό λευκό". Αντίθετα, ο δείκτης απόδοσης χρωμάτων (CRI) ποσοτικοποιεί πόσο καλά μια πηγή φωτός μπορεί να απεικονίσει το πραγματικό χρώμα ενός αντικειμένου σε σύγκριση με μια πηγή αναφοράς που είναι ιδανική ή φυσική. Η τέλεια πιστότητα χρώματος αντιπροσωπεύεται από ένα CRI 100.
Παραγωγή πηγών φωτός χαμηλού-CCT με πολύυψηλό CRI(συνήθως πάνω από 95) είναι μια κοινή, αν και όχι ανυπέρβλητη, πρόκληση στον κλάδο του φωτισμού. Αυτό το άρθρο διερευνά τις αιτίες αυτού του περιστατικού εξετάζοντας πώς αλληλεπιδρούν το πλαίσιο των μετρήσεων αντίληψης χρώματος, η χημεία των φωσφόρων και η φυσική του φωτός.
1. Θεμελιώδης Φυσική: CCT και το καλοριφέρ Blackbody
Το θεωρητικό μοντέλο ενός καλοριφέρ μαύρου σώματος είναι άρρηκτα συνδεδεμένο με την ιδέα του CCT. Ένα μαύρο σώμα λάμπει όταν θερμαίνεται, απελευθερώνοντας ένα σταθερό φάσμα φωτός που ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία με προβλέψιμο τρόπο. Η εκπομπή εστιάζεται κυρίως στο μεγάλο-μήκος κύματος, το κόκκινο και το πορτοκαλί τμήμα του ορατού φάσματος σε χαμηλές θερμοκρασίες (περίπου 2000K–3000K), με πολύ λίγη ενέργεια στις μπλε και βιολετί περιοχές. Ένα ψυχρότερο, πιο λευκό φως παράγεται καθώς η θερμοκρασία αυξάνεται επειδή η κορυφή του φάσματος εκπομπής κινείται προς μικρότερα μήκη κύματος, γεμίζοντας τις μπλε και βιολετί περιοχές.
Η θερμοκρασία του καλοριφέρ μαύρου σώματος του οποίου η χρωματική αντίληψη μοιάζει περισσότερο με αυτή της πηγής φωτός είναι γνωστή ως CCT. Είναι σημαντικό ότι το CCT και το φάσμα είναι το ίδιο για έναν λαμπτήρα πυρακτώσεως, ο οποίος είναι ουσιαστικά ένα σχεδόν-τέλειο μαύρο σώμα. Αυτό εξηγεί γιατί οι λαμπτήρες πυρακτώσεως δημιουργούν ένα ομαλό, συνεχές φάσμα στο αχαμηλό CCTπερίπου 2700K και CRI 100. Ο σύγχρονος-φωτισμός στερεάς κατάστασης παρουσιάζει πρόβλημα επειδή δεν χρησιμοποιεί θερμική ακτινοβολία για την παραγωγή φωτός, ειδικά των διόδων εκπομπής λευκού φωτός-μετατρεπόμενου φωσφόρου-(pc-LED).
2. Η πρόκληση του φωσφόρου και η δομή ενός σύγχρονου λευκού LED
Το PC-LED είναι αυτή τη στιγμή η πιο δημοφιλής τεχνολογία γενικού φωτισμού. Ένα μπλε τσιπ ημιαγωγού (συνήθως βασίζεται στο νιτρίδιο του γαλλίου ινδίου ή InGaN) που καλύπτεται με έναν κίτρινο-φώσφορο που εκπέμπει, πιο συχνά από γρανάτη αλουμινίου υττρίου με πρόσμιξη δημητρίου{{3} (YAG:Ce), είναι το βασικό συστατικό ενός συμβατικού λευκού LED. Ο φώσφορος διεγείρεται από το μπλε φως του τσιπ και μετατρέπει εν μέρει αυτή την ενέργεια σε κίτρινο φως. Το λευκό φως γίνεται αντιληπτό ως αποτέλεσμα της ευρείας κίτρινης εκπομπής και του υπολειπόμενου μπλε φωτός.
Η αναλογία του μπλε προς το κίτρινο φως καθορίζει το CCT αυτού του λευκού φωτός. Ένα χαμηλό CCT (θερμό λευκό) απαιτεί ενίσχυση της κίτρινης/κόκκινης εκπομπής και σημαντική καταστολή του μπλε φωτός της αντλίας. Συνήθως, αυτό γίνεται με: την απορρόφηση περισσότερου μπλε φωτός με την εφαρμογή ενός μεγαλύτερου στρώματος φωσφόρου, την προσθήκη περισσότερων φωσφόρων που εκπέμπουν κόκκινο φως (όπως φώσφοροι με βάση το φθόριο ή το νιτρίδιο.
Αυτό είναι το πρώτο σημαντικό εμπόδιο. Αν και η εκπομπή από τον αρχικό φωσφόρο YAG:Ce είναι ευρεία, στερείται στη βαθυκόκκινη περιοχή του φάσματος. Οι μηχανικοί πρέπει να προσθέσουν έναν κόκκινο φώσφορο για να καλύψουν αυτήν την έλλειψη κόκκινου και να μειώσουν το CCT. Ωστόσο, η ζώνη εκπομπής πολλών αποτελεσματικών ερυθρών φωσφόρων είναι στενή. Αυτό μειώνει αποτελεσματικά το CCT, αλλά το κάνει εισάγοντας μια ξαφνική έκρηξη κόκκινου φωτός αντί για μια σταθερή, ομοιόμορφη κατανομή των κόκκινων μηκών κύματος. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα μια ασυνεχή και «άβολη» φασματική κατανομή ισχύος (SPD).
3. Υπολογισμός CRI: Η σημασία ενός ομαλού φάσματος
Ο τελικός κριτής αυτής της φασματικής ομαλότητας είναι η δοκιμή CRI. Η Διεθνής Επιτροπή Φωτισμού (CIE) όρισε τη μέθοδο στο CIE 13.3-1995. Συνεπάγεται τον προσδιορισμό της αλλαγής εμφάνισης οκτώ τυπικών δειγμάτων δοκιμής σε χρώμα παστέλ (R1-R8) κάτω από το φωτισμό της πηγής δοκιμής σε σύγκριση με μια πηγή αναφοράς του ίδιου CCT.
Ένα αψεγάδιαστο ψυγείο μαύρου σώματος χρησιμεύει ως αναφορά για μια πηγή δοκιμής κάτω από 5000K. Η βασική ιδέα είναι απλή, αλλά ο υπολογισμός είναι περίπλοκος: το CRI αυξάνεται και οι χρωματικές μετατοπίσεις μειώνονται όταν το SPD της πηγής δοκιμής πλησιάζει την ομαλή, συνεχή καμπύλη Planckian του μαύρου σώματος.
Ένα SPD με μεγάλα κενά παράγεται από ένα χαμηλό-CCT LED, το οποίο εξαρτάται από μια μπλε αντλία και έναν συνδυασμό φωσφόρων με ίσως στενές εκπομπές, ειδικά στις περιοχές κυανό (490-520 nm) και βαθύ κόκκινο (650-680 nm). Αυτό το «κενό» φάσμα οδηγεί σε αξιοσημείωτες και ασυνήθιστες χρωματικές αλλοιώσεις όταν αντανακλάται στα χρώματα της δοκιμής CRI. Για παράδειγμα:
Τα μπλε και τα μπλε-πράσινα θα φαίνονται άτονα και αποκορεσμένα εάν υπάρχει έλλειψη κυανών.
Τα κόκκινα αντικείμενα μπορεί να φαίνονται υπερκορεσμένα και "σαν{{0}"νέον", με μια στενή, αιχμηρή κόκκινη εκπομπή που δεν είναι σε θέση να απεικονίσει πιστά μικρές διαφορές στις κόκκινες αποχρώσεις.
Οι συγκεκριμένοι δείκτες για το κορεσμένο κόκκινο (R9) και άλλες αποχρώσεις είναι συχνά αρκετά φτωχοί σε τέτοια σχέδια, ακόμα κι αν ο μέσος όρος των πρώτων οκτώ δεικτών (R a) είναι καλός. Έτσι, το βασικό πρόβλημα είναι ότι το ιδανικό, συνεχές φάσμα που απαιτείται για υψηλό CRI αναγκάζεται συχνά να εγκαταλειφθεί λόγω της τεχνολογικής ανάγκης για παραγωγή θερμού φωτός (χαμηλό CCT).
4. The Bottleneck in Material Science: The Search for the Ideal Red Phosphor
Επομένως, η μηχανική δυσκολία γίνεται πρόβλημα επιστήμης των υλικών: η αναζήτηση ενός κόκκινου φωσφόρου με ευρύ, συνεχές φάσμα εκπομπών και υψηλή απόδοση. Η εκπομπή στενής-ζώνης είναι ένα μειονέκτημα πολλών εμπορικά επιτυχημένων ερυθρών φωσφόρων, ειδικά εκείνων από τις οικογένειες νιτριδίων και οξυνιτριδίων, οι οποίοι εκτιμώνται για την υψηλή κβαντική απόδοση και σταθερότητά τους.
Η δημιουργία ενός ευρυζωνικού κόκκινου φωσφόρου που να είναι οικονομικός,-με μεγάλη διάρκεια και αποτελεσματικός εξακολουθεί να αποτελεί σημαντική πρόκληση. Οι φθοριούχοι φώσφοροι, όπως το K2SiF6:Mn4+, είναι αποτελεσματικοί και παρέχουν μια πολύ στενή κόκκινη γραμμή, ωστόσο επιδεινώνουν το πρόβλημα του φασματικού χάσματος. Επιπλέον, η εξισορρόπηση πολλών φωσφόρων σε μία μόνο επίστρωση μπορεί να μειώσει τη συνολική φωτεινή αποτελεσματικότητα (lumen ανά watt) και να προσθέσει επιπλοκές όσον αφορά την ομοιομορφία χρώματος με την πάροδο του χρόνου και της θερμοκρασίας. Η αποτελεσματικότητα και το κόστος συχνά θυσιάζονται στην αναζήτηση του αυψηλό CRIσε χαμηλό CCT.
5. Πέρα από το συμβατικό CRI και τις προοπτικές
Είναι σημαντικό να θυμάστε ότι υπάρχουν προβλήματα με την ίδια τη μέτρηση CRI (R a). Η ανικανότητά του να προβλέψει την απεικόνιση των έντονων χρωμάτων, των αποχρώσεων του δέρματος και του φυσικού φυλλώματος έχει οδηγήσει ορισμένους να αμφισβητήσουν την εξάρτησή του από μόλις οκτώ παστέλ χρώματα. Ως αποτέλεσμα, έχουν αναπτυχθεί νεότερες, πιο εμπεριστατωμένες μετρήσεις, όπως η προσέγγιση TM-30-20, η οποία αξιολογεί την πιστότητα χρώματος (R f) και τη χρωματική γκάμα (R g) χρησιμοποιώντας 99 δείγματα χρωμάτων.
Αυτές οι πιο πρόσφατες μετρήσεις κάνουν συχνά πιο εμφανή τα ελαττώματα των πηγών χαμηλού-CCT, υψηλού-CRI (όπως καθορίζεται από το R a). Μια πηγή με κόκκινη ακίδα φωσφόρου μπορεί να έχει υψηλή βαθμολογία R9 αλλά χαμηλή χρωματική γκάμα ή βαθμολογία παραμόρφωσης. Η βιομηχανία κινείται προς το παρόν προς λύσεις που προσφέρουν όχι μόνο εξαιρετική πιστότητα, αλλά και μια ισορροπημένη και φυσική εμπειρία χρώματος λόγω της ζήτησης για υψηλής ποιότητας- φωτισμό. Προκειμένου να παρέχεται ένα πιο ολοκληρωμένο και συνεχές φάσμα που να είναι συγκρίσιμο με αυτό των λαμπτήρων πυρακτώσεως, ακόμη και σε χαμηλές CCT, αυτό απαιτεί εξελιγμένα συστήματα φωσφόρου που έχουν τρεις ή περισσότερους προσεκτικά επιλεγμένους φωσφόρους ή ακόμα και καινοτόμες τεχνικές όπως βιολετί-αντλία LED, που διεγείρουν κόκκινα, πράσινα και μπλε φωσφορικά.
Εν κατακλείδι
Η αντιληπτή πρόκληση της επίτευξης υψηλού CRI σε χαμηλό CCT είναι ένας ισχυρός τεχνολογικός περιορισμός που προέρχεται από το υπάρχον παράδειγμα της κατασκευής LED παρά από έναν φυσικό περιορισμό. Το ψυγείο μαύρου σώματος, το βιομηχανικό πρότυπο για χαμηλό-φως CCT, έχει ένα συνεχές, ομαλό φάσμα που είναι ιδανικό για απόδοση χρωμάτων από τη φύση του. Ωστόσο, για να δημιουργήσει το λευκό φως του,σύγχρονες λυχνίες LED υπολογιστή-πρέπει να συνδυάζουν διακριτές ζώνες εκπομπής από ένα μπλε τσιπ με διαφορετικούς φωσφόρους. Χωρίς τη χρήση ενός ευρέος, αποτελεσματικού και ανθεκτικού κόκκινου φωσφόρου, η διαδικασία μετακίνησης της φασματικής ισορροπίας προς το κόκκινο προκειμένου να παραχθεί ένα θερμό CCT παράγει συχνά ένα ασυνεχές φάσμα. Σύμφωνα με την αυστηρή, εξαρτώμενη από το φάσμα-δοκιμή CRI, αυτή η κατανομή φασματικής ισχύος δεν απεικονίζει επαρκώς τα χρώματα. Αυτή η μακροχρόνια-διαρκής διαπραγμάτευση-εξετάζεται όλο και περισσότερο καθώς αναπτύσσεται η επιστήμη των υλικών και οι νέες μετρήσεις μας βοηθούν να κατανοήσουμε την ποιότητα των χρωμάτων, ανοίγοντας την πόρτα σε πηγές φωτός που είναι τόσο θεαματικά αληθινές όσο και θερμά ελκυστικές.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Τηλέφωνο: +86 0755 27186329
Κινητό (+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Ιστός:www.benweilight.com
