Sudėtingas šokis: ryšio tarp spalvų perteikimo indekso ir susijusios spalvos temperatūros išskaidymas
Abstrakcija
Du svarbūs fotometriniai parametrai -koreliuota spalvų temperatūra (CCT) ir spalvų perteikimo indeksas (R an arba CRI)- vis dažniau naudojami dirbtinių šviesos šaltinių pasirinkimui daryti įtaką. Nors jie dažniausiai aptariami atskirai, tarp jų yra sudėtingas ir dažnai stebimas ryšys: esant žemesnei CCT, daug sunkiau pasiekti aukštą CRI. Šiame rašinyje nagrinėjami technologiniai ir fiziniai šio ryšio pagrindai. Jame aprašoma, kaip šviesos diodų šviesos diodų technologijos apribojimai, juodųjų kūno spinduliuotės pagrindai ir konkretūs CRI skaičiavimo metodikos reikalavimai sudaro reikšmingą inžinerinę kliūtį kuriant šiltą, aukštos{6}}tikslumo šviesą.
Apžvalga
Šviesayra griežtai vertinamas atsižvelgiant į jo kokybę, o ne tik kiekį (liumenų) apšvietimo dizaino ir technologijų srityje. Šio kokybinio vertinimo priešakyje yra dvi metrikos: spalvų perteikimo indeksas (CRI) ir koreliuota spalvų temperatūra (CCT). Kaip šviesos optinės šilumos ar vėsumo matas, CCT išreiškiamas kelvinais (K), kur mažesnės vertės (pvz., 2700K) atrodo „šiltai balta“, o didesnės (pvz., 5000K) – „vėsios baltos“. Priešingai, spalvų perteikimo indeksas (CRI) kiekybiškai įvertina, kaip šviesos šaltinis gali atvaizduoti tikrąją objekto spalvą, palyginti su etaloniniu šaltiniu, kuris yra idealus arba natūralus. Tobulą spalvų tikslumą parodo 100 CRI.
Mažo{0}}CCT šviesos šaltinių gamyba su labaiaukštas CRI(dažniausiai virš 95) yra dažnas, nors ir neįveikiamas iššūkis apšvietimo versle. Šiame straipsnyje nagrinėjamos šio įvykio priežastys, žvelgiant į tai, kaip sąveikauja mūsų spalvų suvokimo metrikos, fosforo chemijos ir šviesos fizikos.
1. Fundamentalioji fizika: CCT ir juodojo kūno radiatorius
Teorinis juodojo kūno radiatoriaus modelis yra neatsiejamai susijęs su CCT idėja. Kaitinamas juodasis kūnas švyti, išskirdamas pastovų šviesos spektrą, kuris nuspėjamai kinta priklausomai nuo temperatūros. Emisija daugiausia sutelkta į ilgosios -bangos, raudoną ir oranžinę matomo spektro dalis esant žemai temperatūrai (apie 2000–3000 K), o mėlynoje ir violetinėje srityse yra labai mažai energijos. Kylant temperatūrai susidaro vėsesnė, baltesnė šviesa, nes spinduliuotės spektro smailė juda trumpesnių bangų ilgių link, užpildydama mėlynas ir violetines sritis.
Juodojo kūno radiatoriaus, kurio spalvų suvokimas labiausiai panašus į šviesos šaltinio, temperatūra yra žinoma kaip CCT. Svarbu tai, kad CCT ir spektras yra vienodi kaitrinei lemputei, kuri iš esmės yra beveik tobulas juodas korpusas. Tai paaiškina, kodėl kaitrinės lemputės sukuria sklandų, nenutrūkstamą spektrą ties amažas CCTapie 2700 K, o CRI – 100. Šiuolaikinis kietojo kūno{2}}apšvietimas kelia problemų, nes jame nenaudojama šiluminė spinduliuotė šviesai gaminti, ypač fosforo-konvertuota balta šviesa-skleidžiantys diodai (pc{5}}LED).
2. Fosforo iššūkis ir šiuolaikinio balto šviesos diodo struktūra
PC{0}}LED šiuo metu yra populiariausia bendrojo apšvietimo technologija. Mėlynas puslaidininkinis lustas (dažniausiai indžio galio nitrido arba InGaN pagrindu), padengtas geltonu -spinduliuojančiu fosforu, dažniausiai Cerium- legiruotu itrio aliuminio granatu (YAG:Ce), yra pagrindinis įprasto balto šviesos diodo komponentas. Fosforą sužadina lusto mėlyna šviesa ir iš dalies paverčia šią energiją geltona šviesa. Balta šviesa suvokiama kaip plačios geltonos spinduliuotės ir likusios mėlynos šviesos rezultatas.
Mėlynos ir geltonos šviesos santykis lemia šios baltos šviesos CCT. Esant žemai CCT (šiltai baltai), reikia sustiprinti geltoną/raudoną emisiją ir gerokai nuslopinti mėlyną pompos lemputę. Paprastai tai daroma: sugeriama daugiau mėlynos šviesos, užtepant didesnį fosforo sluoksnį, pridedant daugiau fosforo, skleidžiančio raudoną šviesą (pvz., fluoro arba nitrido pagrindu pagamintą fosforą).
Tai pirmoji reikšminga kliūtis. Nors originalaus YAG:Ce fosforo emisija yra plati, jos trūksta sodriai raudonoje spektro srityje. Inžinieriai turi pridėti raudonojo fosforo, kad kompensuotų šį raudonos spalvos trūkumą ir sumažintų CCT. Nepaisant to, daugelio veiksmingų raudonųjų fosforų emisijos diapazonas yra siauras. Tai veiksmingai sumažina CCT, tačiau tai daroma įvedant staigų raudonos šviesos pliūpsnį, o ne pastovų, tolygų raudonų bangų ilgių pasiskirstymą. Dėl to susidaro nenutrūkstamas ir „vienkartinis“ spektrinės galios paskirstymas (SPD).
3. CRI skaičiavimas: lygaus spektro reikšmė
Galutinis šio spektrinio lygumo arbitras yra CRI testas. Tarptautinė apšvietimo komisija (CIE) apibrėžė metodą CIE 13.3 -1995 m. Tai reiškia, kad reikia nustatyti aštuonių standartinių pastelinių spalvų bandinių (R1-R8) išvaizdos pokytį, esant bandymo šaltinio apšvietimui, palyginti su to paties CCT etaloniniu šaltiniu.
Nepriekaištingas juodo korpuso radiatorius naudojamas kaip atskaitos taškas bandomajam šaltiniui, žemesnei nei 5000K. Pagrindinė idėja yra nesudėtinga, tačiau skaičiavimas sudėtingas: CRI didėja, o spalvų poslinkiai mažėja, kai bandomojo šaltinio SPD artėja prie juodojo kūno sklandžios, ištisinės Plancko kreivės.
SPD su dideliais tarpais sukuria žemas-CCT šviesos diodas, kuris priklauso nuo mėlynos spalvos siurblio ir fosforo derinio su galbūt siaura emisija, ypač žydros spalvos (490–520 nm) ir sodriai raudonos (650–680 nm) srityse. Šis „nepakankamas“ spektras sukelia pastebimus ir neįprastus spalvų pokyčius, kai jis atspindi CRI testo spalvas. Pavyzdžiui:
Mėlyna ir mėlyna{0}}žalia atrodys niūri ir prisotinta, jei trūks žalsvai mėlynos spalvos.
Raudoni objektai gali atrodyti per daug prisotinti ir „neoniniai“{0}}su siaura, smailia raudona spinduliuote, kuri negali tiksliai atvaizduoti nedidelių raudonų atspalvių skirtumų.
Konkretūs sočiųjų raudonų (R9) ir kitų atspalvių indeksai tokiose konstrukcijose dažnai yra gana prasti, net jei pirmųjų aštuonių indeksų (Ra) vidurkis yra geras. Taigi pagrindinė problema yra ta, kad idealus nuolatinis spektras, reikalingas aukštam CRI, dažnai yra priverstas atsisakyti dėl technologinės būtinybės gaminti šiltą šviesą (žemas CCT).
4. Medžiagų mokslo kliūtis: idealaus raudonojo fosforo paieška
Todėl inžineriniai sunkumai tampa medžiagų mokslo problema: raudonojo fosforo, turinčio platų, nuolatinį emisijos spektrą ir aukštą efektyvumą, paieška. Siauros juostos- emisija yra daugelio komerciškai sėkmingų raudonųjų fosforų, ypač nitridų ir oksinitridų šeimų, kurie vertinami dėl didelio kvantinio efektyvumo ir stabilumo, trūkumas.
Sukurti plačiajuosčio ryšio raudoną fosforą, kuris būtų ekonomiškas,-tvarus ir efektyvus, vis dar yra didelis iššūkis. Fluoriniai fosforai, tokie kaip K2SiF6:Mn4+, yra veiksmingi ir sukuria labai siaurą raudoną liniją, tačiau dar labiau pablogina spektrinio tarpo problemą. Be to, subalansavus kelis fosforus vienoje dangoje, gali sumažėti bendras šviesos efektyvumas (liumenų vienam vatui) ir atsirasti komplikacijų, susijusių su spalvos vienodumu laikui bėgant ir temperatūrai. Efektyvumas ir sąnaudos dažnai aukojami ieškant aaukštas CRIesant žemam CCT.
5. Peržengti įprastą CRI ir perspektyvas
Labai svarbu atsiminti, kad yra problemų su pačia CRI (R a) metrika. Jo nesugebėjimas numatyti intensyvių spalvų, odos atspalvių ir natūralių žalumynų vaizdavimo privertė kai kuriuos suabejoti, ar jis priklauso tik nuo aštuonių pastelinių spalvų. Dėl to buvo sukurtos naujesnės, išsamesnės metrikos, pvz., TM-30-20 metodas, kuris įvertina spalvų tikslumą (R f) ir spalvų gamą (R g) naudojant 99 spalvų pavyzdžius.
Dėl šių naujesnių matavimų žemo-CCT, didelio-CRI (nustatyta pagal Ra) šaltinių trūkumai dažnai tampa akivaizdesni. Šaltinis su raudonu fosforo smaigaliu gali turėti aukštą R9 balą, bet mažą spalvų gamą arba iškraipymo balą. Šiuo metu pramonė ieško sprendimų, siūlančių ne tik puikų tikslumą, bet ir subalansuotas bei natūralias spalvas dėl aukštos-kokybės apšvietimo paklausos. Norint pateikti išsamesnį ir nenutrūkstamą spektrą, prilygstamą kaitrinių lempučių spektrui, net esant žemam CCT, reikia sudėtingų fosforo sistemų, turinčių tris ar daugiau kruopščiai atrinktų fosforų, arba net naujoviškų metodų, pvz., violetinių -siurbimo šviesos diodų, kurie vienu metu stimuliuoja raudoną, žalią ir mėlyną fosforą.
Apibendrinant
Numanomas iššūkis pasiekti aukštą CRI esant žemai CCT yra stiprus technologinis apribojimas, kylantis iš esamos LED gamybos paradigmos, o ne fizinio apribojimo. Juodojo korpuso radiatorius, pramonės standartas žemai-CCT šviesai, turi nenutrūkstamą, sklandų spektrą, idealiai tinkantį natūraliam spalvų perteikimui. Tačiau norint sukurti baltą šviesą,modernūs PC{0}}LEDturi sujungti skirtingas mėlynojo lusto emisijos juostas su skirtingais fosforais. Nenaudojant plataus, veiksmingo ir patvaraus raudonojo fosforo, spektrinės pusiausvyros perkėlimas link raudonos spalvos, siekiant sukurti šiltą CCT, dažnai sukuria nenutrūkstamą spektrą. Remiantis griežtu, nuo spektro-priklauso CRI testu, šis spektrinės galios pasiskirstymas netinkamai atvaizduoja spalvas. Tobulėjant medžiagų mokslui, o nauji matavimai padeda suprasti spalvų kokybę, atveria duris į įspūdingai teisingus ir šiltai kviečiančius šviesos šaltinius, šis ilgalaikis kompromisas{5}}vis dažniau sprendžiamas.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefonas: +86 0755 27186329
Mobilusis (+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
El. paštas:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Tinklalapis:www.benweilight.com
