De complexe dans: het verband ontleden tussen de kleurweergave-index en de gecorreleerde kleurtemperatuur
Abstractie
Twee belangrijke fotometrische parameters-Gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) en kleurweergave-index (R an of CRI)-worden steeds vaker gebruikt om de selectie van kunstmatige lichtbronnen te beïnvloeden. Hoewel ze gewoonlijk onafhankelijk van elkaar worden besproken, bestaat er een complex en vaak waargenomen verband tussen beide: bij lagere CCT's is het veel moeilijker om een hoge CRI te bereiken. De technologische en fysieke grondslagen van deze relatie worden in dit essay onderzocht. Het beschrijft hoe de beperkingen van de fosfor-omgezette LED-technologie, de grondbeginselen van blackbody-straling en de specifieke vereisten van de CRI-berekeningsmethodologie samenkomen en een aanzienlijk technisch obstakel vormen voor het creëren van warm,{6}} natuurgetrouw licht.
Overzicht
Lichtwordt op het gebied van verlichtingsontwerp en -technologie streng beoordeeld op basis van de kwaliteit ervan en niet alleen op de kwantiteit (lumens). Centraal bij deze kwalitatieve evaluatie staan twee maatstaven: de kleurweergave-index (CRI) en de gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT). Als maatstaf voor de optische warmte of koelte van licht wordt CCT uitgedrukt in Kelvin (K), waarbij lagere waarden (zoals 2700K) 'warm wit' lijken en hogere waarden (zoals 5000K) 'koel wit' lijken. De Color Rendering Index (CRI) kwantificeert daarentegen hoe goed een lichtbron de werkelijke kleur van een object kan weergeven in vergelijking met een referentiebron die ideaal of natuurlijk is. Perfecte kleurgetrouwheid wordt weergegeven door een CRI van 100.
Het produceren van lage-CCT-lichtbronnen met een zeerhoge CRI(meestal boven de 95) is een veel voorkomende, maar niet onoverkomelijke uitdaging in de verlichtingsbranche. Dit artikel onderzoekt de oorzaken van dit voorval door te kijken hoe het raamwerk van onze kleurperceptiemetrieken, de chemie van fosforen en de fysica van licht op elkaar inwerken.
1. Fundamentele natuurkunde: CCT en de Blackbody Radiator
Het theoretische model van een blackbody-radiator is onlosmakelijk verbonden met het idee van CCT. Een zwart lichaam gloeit wanneer het wordt verwarmd, waardoor een constant lichtspectrum vrijkomt dat op voorspelbare wijze varieert met de temperatuur. De emissie is vooral geconcentreerd in de lange{2}} rode en oranje delen van het zichtbare spectrum bij lage temperaturen (ongeveer 2000 K–3000 K), met zeer weinig energie in de blauwe en violette gebieden. Er wordt koeler, witter licht geproduceerd naarmate de temperatuur stijgt, omdat de piek van het emissiespectrum naar kortere golflengten beweegt en de blauwe en violette gebieden opvult.
De temperatuur van de blackbody-radiator waarvan de kleurwaarneming het meest lijkt op die van de lichtbron, staat bekend als de CCT. Belangrijk is dat de CCT en het spectrum hetzelfde zijn voor een gloeilamp, die in wezen een vrijwel -perfect zwart lichaam is. Dit verklaart waarom gloeilampen een vloeiend, continu spectrum genereren bij alage CCTvan ongeveer 2700K en een CRI van 100. Moderne solid{2}}verlichting vormt een probleem omdat deze geen gebruik maakt van thermische straling om licht te produceren, vooral fosfor-omgezet wit licht-Emitting Diodes (pc-LED's).
2. De fosforuitdaging en de structuur van een hedendaagse witte LED
De PC-LED is momenteel de meest populaire algemene verlichtingstechnologie. Een blauwe halfgeleiderchip (meestal gebaseerd op indiumgalliumnitride of InGaN) bedekt met een gele-emitterende fosfor, meestal Cerium-gedoteerd Yttrium Aluminium Garnet (YAG:Ce), is het basisonderdeel van een conventionele witte LED. De fosfor wordt opgewonden door het blauwe licht van de chip en zet deze energie gedeeltelijk om in geel licht. Wit licht wordt waargenomen als gevolg van de brede gele emissie en het resterende blauwe licht.
De verhouding tussen blauw en geel licht bepaalt de CCT van dit witte licht. Een lage CCT (warm wit) vereist een versterking van de geel/rode emissie en een aanzienlijke onderdrukking van het blauwe pomplicht. Meestal gebeurt dit door: meer blauw licht te absorberen door een grotere laag fosfor aan te brengen, meer fosforen toe te voegen die rood licht uitstralen (zoals fosforen op basis van fluoride of nitride).
Dit is het eerste belangrijke obstakel. Hoewel de emissie van de oorspronkelijke YAG:Ce-fosfor breed is, ontbreekt deze in het dieprode gebied van het spectrum. Ingenieurs moeten een rode fosfor toevoegen om dit rode tekort te compenseren en de CCT te verminderen. Niettemin is de emissieband van veel effectieve rode fosforen smal. Dit vermindert effectief de CCT, maar dit gebeurt door een plotselinge uitbarsting van rood licht te introduceren in plaats van een stabiele, gelijkmatige verdeling van rode golflengten. Dit resulteert in een discontinue en "klonterige" spectrale energieverdeling (SPD).
3. De CRI-berekening: de betekenis van een glad spectrum
De laatste scheidsrechter voor deze spectrale gladheid is de CRI-test. De Internationale Commissie voor Verlichting (CIE) heeft de methode gedefinieerd in CIE 13.3-1995. Het omvat het bepalen van de verandering in het uiterlijk van acht standaard pastelkleurige testmonsters (R1-R8) onder de verlichting van de testbron in vergelijking met een referentiebron van dezelfde CCT.
Een onberispelijke blackbody-radiator dient als referentie voor een testbron onder de 5000K. Het basisidee is eenvoudig, maar de berekening is ingewikkeld: de CRI neemt toe en de kleurverschuivingen nemen af wanneer de SPD van de testbron de vloeiende, continue Planckiaanse curve van het zwarte lichaam nadert.
Een SPD met grote gaten wordt geproduceerd door een lage-CCT-LED, die afhankelijk is van een blauwe pomp en een combinatie van fosforen met misschien smalle emissies, vooral in de cyaan (490-520 nm) en dieprode (650-680 nm) gebieden. Dit "gappy" spectrum resulteert in opmerkelijke en ongebruikelijke kleurveranderingen wanneer het reflecteert op de CRI-testkleuren. Bijvoorbeeld:
Blauw en blauw-groen zien er vaal en onverzadigd uit als er een tekort aan cyaan is.
Rode objecten kunnen er oververzadigd en 'neon--achtig uitzien, met een smalle, puntige rode uitstraling die kleine verschillen in rode tinten niet getrouw weergeeft.
De specifieke indices voor verzadigd rood (R9) en andere tinten zijn in dergelijke ontwerpen vaak behoorlijk slecht, ook al is het gemiddelde van de eerste acht indices (Ra) goed. Het fundamentele probleem is dus dat het ideale, continue spectrum dat nodig is voor hoge CRI vaak wordt opgegeven vanwege de technologische noodzaak om warm licht te produceren (lage CCT).
4. Het knelpunt in de materiaalkunde: de zoektocht naar de ideale rode fosfor
Daarom wordt de technische moeilijkheid een materiaalwetenschappelijk probleem: de zoektocht naar een rode fosfor met een breed, continu emissiespectrum en een hoog rendement. Smalbandemissie is een nadeel van veel commercieel succesvolle rode fosforen, vooral die uit de nitride- en oxynitridefamilies, die worden gewaardeerd vanwege hun hoge kwantumefficiëntie en stabiliteit.
Het creëren van een breedbandige rode fosfor die zuinig,-duurzaam en efficiënt is, is nog steeds een grote uitdaging. Fluoridefosforen, zoals K2SiF6:Mn4+, zijn effectief en zorgen voor een zeer smalle rode lijn, maar ze verergeren het probleem met de spectrale kloof. Bovendien kan het balanceren van verschillende fosforen in een enkele coating de algehele lichtopbrengst (lumen per watt) verlagen en complicaties veroorzaken met betrekking tot kleuruniformiteit in de loop van de tijd en temperatuur. Efficiëntie en kosten worden vaak opgeofferd in de zoektocht naar eenhoge CRIbij een lage CCT.
5. Verder gaan dan conventionele CRI en vooruitzichten
Het is van cruciaal belang om te onthouden dat er problemen zijn met de CRI (R a)-metriek zelf. Het onvermogen om de weergave van intense kleuren, huidtinten en natuurlijke bladeren te voorspellen, heeft ertoe geleid dat sommigen twijfels hebben over de afhankelijkheid van slechts acht pastelkleuren. Als gevolg hiervan zijn nieuwere, grondigere meetgegevens ontwikkeld, zoals de TM-30-20-benadering, die de kleurgetrouwheid (R f) en het kleurengamma (R g) beoordeelt met behulp van 99 kleurstalen.
Deze recentere metingen maken de tekortkomingen van bronnen met lage-CCT en hoge-CRI (zoals bepaald door Ra) vaak duidelijker. Een bron met een rode fosforpiek kan een hoge R9-score hebben, maar een lage kleurgamma- of vervormingsscore. De industrie beweegt zich momenteel in de richting van oplossingen die niet alleen een grote natuurgetrouwheid bieden, maar ook een evenwichtige en natuurlijke kleurervaring dankzij de vraag naar verlichting van hoge-kwaliteit. Om een uitgebreider en continu spectrum te bieden dat vergelijkbaar is met dat van gloeilampen, zelfs bij lage CCT's, zijn geavanceerde fosforsystemen nodig met drie of meer zorgvuldig gekozen fosforen, of zelfs innovatieve technieken zoals violet-pomp-LED's, die tegelijkertijd rode, groene en blauwe fosforen stimuleren.
Tot slot
De waargenomen uitdaging van het bereiken van een hoge CRI bij een lage CCT is eerder een sterke technologische beperking die voortkomt uit het bestaande paradigma van LED-productie dan een fysieke beperking. De blackbody-radiator, de industriestandaard voor licht met weinig-CCT, heeft een continu, vloeiend spectrum dat van nature ideaal is voor kleurweergave. Om echter zijn witte licht te creëren,moderne pc-LED'smoet verschillende emissiebanden van een blue chip combineren met verschillende fosforen. Zonder het gebruik van een brede, effectieve en duurzame rode fosfor produceert het proces van het verplaatsen van de spectrale balans naar rood om een warme CCT te produceren vaak een discontinu spectrum. Volgens de veeleisende, spectrum{2}}afhankelijke CRI-test geeft deze spectrale vermogensverdeling de kleuren niet adequaat weer. Deze al lang bestaande afweging-wordt steeds meer aangepakt naarmate de materiaalwetenschap zich ontwikkelt en nieuwe metingen ons helpen de kleurkwaliteit te begrijpen, waardoor de deur wordt geopend voor lichtbronnen die zowel spectaculair realistisch als warm uitnodigend zijn.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Telefoon: +86 0755 27186329
Mobiel(+86)18673599565
WhatsApp:19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skypen:benweilight88
