Metody zlepšování podání barev – 1. část

Ing. Antonín Fuksa NASLI & Blue step

Publikováno v časopise Světlo 1/2020

Tento článek čerpá inspiraci z méně obvyklých postupů, které někteří výrobci světelných zdrojů a svítidel používají ke zlepšení všeobecného indexu podání barev (Ra podle [1]). Ačkoliv mají tyto metody svá úskalí a některé lze považovat za triky, stojí za to je podrobněji prozkoumat pomocí algoritmů pro výpočet indexů podání barev.

Doplnění červené

Námětem k tomuto experimentu byl vzorek LED náhrady žárovky s Ra = 90, ve kterém se nacházely bílé LED s nižším podáním barev a menší množství červených LED. Spektrometrické měření vysokou hodnotu Ra sice potvrdilo, ale světlo působilo poněkud narůžověle.

V experimentu použijeme dva druhy světelných diod: bílou o parametrech Tcp = 6030 K a Ra = 71 a červenou o vlnové délce λp = 631 nm. Intenzitu modrého vrcholu bílé LED označme IB a vrcholovou intenzitu červeného LED I1. K bílému světlu přimícháváme postupně stále větší intenzitu červeného a sledujeme průběh základních parametrů smíšeného světla.

S rostoucím podílem červené složky (I1/IB) se Ra zvyšuje, v maximu až o 16 bodů. Současně klesá náhradní teplota chromatičnosti, v maximu přibližně o 2000 K. Precizní algoritmus pro výpočet podání barev [2] však ukazuje zvýšení Rf pouze o 7 bodů. Při dalším zvyšování podílu červené složky nad maximum zobrazené na obr. 1 již Ra klesá. Průběh parametrů je zachycen v tab. 1. Podobný postup byl popsán také v [3].

Kromě podání barev je však třeba sledovat i „bělost“ smíšeného světla, tedy jeho odchylku od referenčního zdroje. Tu je možné vyjádřit jako vzdálenost obou světel v souřadnicích u’, v’ (značí se Δu’,v’). Při použití aproximace MacAdamových elips kružnicemi o poloměru 0,0011 v souřadnicích u’, v’ podle [4] můžeme odchylku udávat jako N-násobek základní MacAdamovy elipsy. Pro N=1 není rozdíl lidským okem viditelný, pro N=2 je drobně viditelný, pro N=3 je viditelný. Například pro dvoupaticové zářivky podle normy ČSN EN 60081:1999 platí tolerance N=5 (SDCM).

Z tab. 1 je zřejmé, že omezení odchylky od referenčního zdroje N ≤ 5 je splněno pouze pro příspěvky červené složky I1/IB v řádu jednotek procent. Zde ovšem dochází ke zlepšení Ra jen o několik bodů. Další zvyšování Ra přidáváním červené vede k překročení hranice bílého světla a jedná se již o světlo barevné. Z experimentu tedy vyplývá, že vysoké Ra automaticky neznamená kvalitní bílé světlo.

I1 /IB (-)Ra (-)Rf (-);Tcp (K)N (-)
0716960304
0.1747057406
0.2777154809
0.37972522011
0.48273499013
0.58474476015
0.68575455017
0.78676435019
0.88776416020

Jednokanálové doplnění

Při pohledu na obr. 1 vyvstává otázka, zde je vlnová délka λp = 631 nm skutečně nejvhodnější volbou. Pro představu můžeme λp doplňujícího světla posouvat přes celé viditelné spektrum, míchat je s bílým světlem a sledovat odezvu v Ra a Rf. V tomto experimentu použijeme model LED spektra v podobě Gaussovy křivky o šířce v polovině maxima (FWHM) 16 nm, který odpovídá původní červené LED. Amplitudu I1 zvolíme 0,25 IB. Výsledek tohoto experimentu znázorňuje obr. 2. Lokální maxima na vlnových délkách 623 a 627 nm naznačují, že vlnová délka je u vzorku zvolena správně.

Dvoukanálové doplnění

Výsledky předchozího experimentu přímo vybízejí využít ke zlepšení podání barev také lokální maxima v okolí 493 nm, tedy v modré barvě (obr. 2), což povede naopak ke zvýšení teploty chromatičnosti (obr. 3). Lze takto dosáhnout dalšího zlepšení podání barev a souřadnice smíšeného světla přiblížit čáře referenčních zářičů? LED o λp ≈ 490 nm jsou rovněž k dispozici (angl. Ice Blue).

Pro doplňující kanály s červenou (λp1 = 625 nm) a modrou barvou (λp2 = 493 nm) byl proveden výpočet Ra, Rf a Tc pro všechny kombinace 100 různých intenzit I1 a I2. Ideální kombinací s nejmenší vzdáleností od čáry denních světel je I1 = 0,47 IB, I2 = 1,24 IB (viz výše). Výsledky podání barev jsou překvapivé: Ra = 96, Rf = 94 při teplotě chromatičnosti Tcp = 6300 K. Index podání syté červené R9 je 81, indexy ostatních sytých barev jsou větší než 95. Spektrum s více vrcholy připomíná spíše zářivku než světelnou diodu (viz obr. 4).

Řízením poměru doplňujících složek lze dosáhnout teploty chromatičnosti Tcp 5750–6900 K , Ra 93–97 a Rf 91–94 a zachování odchylky N ≤ 5. Připomeňme parametry bílé LED: Tcp = 6030 K a Ra = 71.

Tímto způsobem míchání barev lze dosáhnout působivých výsledků – zvýšení indexu podání barev bílé LED o 25 bodů.

Při praktické aplikaci tohoto postupu je třeba vzít v úvahu, že se smíšené světlo snadno vychýlí z tolerančního pásma bílého světla, a to například vlivem odchylek jednotlivých diod v rámci série, vlivem odchylek napájecího proudu, vlivem spektrálních změn s teplotou nebo vlivem odlišného tempa stárnutí jednotlivých typů diod. Tyto vlivy mohou způsobit nežádoucí viditelnou změnu chromatičnosti světelného zdroje během jeho životnosti. Lze je kompenzovat kalibrací při výrobě, použitím precizních napájecích zdrojů, řízením v závislosti na teplotě, integrací různých LED do jednoho pouzdra, korekcí řízení podle modelu stárnutí, ruční kalibrací nebo automatickou kalibrací svítidla pomocí vestavěného senzoru barev.

V příští části minisérie se podíváme, zda lze světlo s vysokým indexem podání barev získat mícháním laserů a kolik vlnových délek je potřeba zkombinovat. Prozkoumáme také filtr zlepšující podání barev.

Použitá literatura

[1] Method of measuring and specifying colour rendering properties of light sources. Austria: CIE Central Bureau, 1995. Publication CIE, no. 13.3. ISBN 9783900734572.

[2] CIE 2017 Colour Fidelity Index for Accurate Scientific Use. Austria: CIE Central Bureau, 2017. CIE technical report 224. ISBN 9783902842619.

[3] MÁCHA, Marek. Miešanie svetelných zdrojov ako nástroj pre zvyšovanie Ra. Světlo. roč. 2011, č. 5, str. 62–63. ISSN 1212-0812.

[4] Chromaticity Difference Specification for Light Sources. Austria: CIE Central Bureau, 2014. CIE TN 001:2014.

 

 

Obr. 1 – Doplňování červené

 

Obr. 2 – Indexy podání barev v závislosti na λp doplňujícího světla

 

Obr. 3 – Teplota chromatičnosti v závislosti na λp doplňujícího světla.

 

Obr. 4 – Spektrum smíšeného světla

 

 

Ing. Antonín Fuksa NASLI & Blue step

Publikováno v časopise Světlo 1/2020