Monimutkainen tanssi: värintoistoindeksin ja korreloidun värilämpötilan välisen yhteyden tutkiminen
Abstraktio
Kahta tärkeää fotometristä parametria-korreloitu värilämpötila (CCT) ja värintoistoindeksi (R an tai CRI)-käytetään yhä enemmän keinotekoisten valonlähteiden valintaan. Vaikka niistä keskustellaan yleensä itsenäisesti, niiden välillä on monimutkainen ja usein havaittu yhteys: alhaisemmilla CCT-arvoilla on paljon vaikeampaa saavuttaa korkea CRI. Tämän suhteen teknisiä ja fyysisiä perusteita tarkastellaan tässä esseessä. Siinä kuvataan, kuinka fosfori-muunnetun LED-tekniikan rajoitukset, mustan kappaleen säteilyn perusteet ja CRI-laskentamenetelmän erityisvaatimukset yhdistyvät muodostaen merkittävän teknisen esteen lämpimän, korkealaatuisen{6}}valon luomiselle.
Yleiskatsaus
KevytValaistussuunnittelun ja -tekniikan alalla arvioidaan tiukasti sen laadun eikä pelkän määrän (lumenien) perusteella. Tämän laadullisen arvioinnin eturintamassa on kaksi mittaria: värintoistoindeksi (CRI) ja korreloitu värilämpötila (CCT). Valon optisen lämmön tai kylmyyden mittana CCT ilmaistaan kelvineinä (K), jossa pienemmät arvot (kuten 2700K) näyttävät "lämpimän valkoiselta" ja korkeammat arvot (kuten 5000K) näyttävät "kylmän valkoisilta". Sitä vastoin värintoistoindeksi (CRI) määrittää, kuinka hyvin valonlähde voi kuvata kohteen todellista väriä verrattuna vertailulähteeseen, joka on ihanteellinen tai luonnollinen. Täydellistä väritarkkuutta edustaa CRI 100.
Tuottaa matalan{0}}CCT-valonlähteitä erittäinkorkea CRI(yleensä yli 95) on yleinen, vaikkakaan ei ylitsepääsemätön haaste valaistusalalla. Tässä artikkelissa tarkastellaan tämän ilmiön syitä tarkastelemalla, kuinka värihavaintometriikkamme puitteet, fosforien kemia ja valon fysiikka ovat vuorovaikutuksessa.
1. Perusfysiikka: CCT ja Blackbody Radiator
Mustan kappaleen säteilijän teoreettinen malli liittyy erottamattomasti CCT:n ideaan. Musta kappale hehkuu kuumennettaessa vapauttaen jatkuvan valospektrin, joka vaihtelee lämpötilan mukaan ennustettavalla tavalla. Emissio keskittyy enimmäkseen näkyvän spektrin pitkän-aallonpituuden punaisiin ja oransseihin osiin matalissa lämpötiloissa (noin 2000–3000 K), ja sinisellä ja violetilla alueella on hyvin vähän energiaa. Kylmempää, valkoisempaa valoa syntyy lämpötilan noustessa, koska emissiospektrin huippu siirtyy kohti lyhyempiä aallonpituuksia ja täyttää siniset ja violetit alueet.
Mustan kappaleen säteilijän lämpötila, jonka värin havaitseminen muistuttaa eniten valonlähteen lämpötilaa, tunnetaan nimellä CCT. Tärkeää on, että CCT ja spektri ovat samat hehkulampulle, joka on pohjimmiltaan lähes -täydellinen musta kappale. Tämä selittää, miksi hehkulamput tuottavat tasaisen, jatkuvan spektrin a:llaalhainen CCTnoin 2700K ja CRI 100. Nykyaikainen puolijohdevalaistus on ongelma, koska se ei käytä lämpösäteilyä valon tuottamiseen, etenkään fosfori-muunnettuja valkoisia valo-emitting diodeja (pc{5}}LEDit).
2. Phosphor Challenge ja nykyaikaisen valkoisen LEDin rakenne
PC-LED on tällä hetkellä suosituin yleinen valaistustekniikka. Sininen puolijohdesiru (perustuu tavallisesti indiumgalliumnitridiin tai InGaN:iin), joka on peitetty keltaisella-säteilyttävällä loisteaineella, useimmiten Cerium-seostetulla yttrium-alumiinigranaatilla (YAG:Ce), on tavanomaisen valkoisen LEDin peruskomponentti. Loisteaine innostuu sirun sinisestä valosta ja muuttaa osittain tämän energian keltaiseksi valoksi. Valkoinen valo havaitaan laajan keltaisen säteilyn ja jäännössinisen valon seurauksena.
Sinisen ja keltaisen valon suhde määrää tämän valkoisen valon CCT:n. Alhainen CCT (lämmin valkoinen) edellyttää keltaisen/punaisen päästön lisäämistä ja sinisen pumpun valon merkittävästi vaimentamista. Yleensä tämä tehdään: absorboimalla enemmän sinistä valoa levittämällä suurempi kerros fosforia, lisäämällä enemmän loisteaineita, jotka lähettävät punaista valoa (kuten fluori- tai nitridipohjaisia loisteaineita.
Tämä on ensimmäinen merkittävä este. Vaikka alkuperäisen YAG:Ce-loisteaineen emissio on laaja, se puuttuu spektrin syvän punaisesta alueesta. Insinöörien on lisättävä punaista fosforia tämän punaisen puutteen korvaamiseksi ja CCT:n alentamiseksi. Siitä huolimatta monien tehokkaiden punaisten loisteaineiden päästöalue on kapea. Tämä vähentää tehokkaasti CCT:tä, mutta se tekee sen ottamalla käyttöön äkillisen punaisen valon purkauksen punaisten aallonpituuksien tasaisen ja tasaisen jakautumisen sijaan. Tämä johtaa epäjatkuvaan ja "möykkyiseen" spektritehojakaumaan (SPD).
3. CRI-laskenta: Tasaisen spektrin merkitys
Tämän spektrin sileyden lopullinen ratkaiseja on CRI-testi. Kansainvälinen valaistuskomissio (CIE) määritteli menetelmän CIE:ssä 13.3-1995. Se edellyttää kahdeksan pastellivärisen standardinvärisen testinäytteen (R1-R8) ulkonäön muutoksen määrittämistä testilähteen valaistuksessa verrattuna saman CCT:n vertailulähteeseen.
Virheetön mustarunkoinen jäähdytin toimii referenssinä alle 5000K:n testilähteelle. Perusidea on suoraviivainen, mutta laskenta on monimutkainen: CRI kasvaa ja värisiirtymät vähenevät, kun testilähteen SPD lähestyy mustakappaleen tasaista, jatkuvaa Planckin käyrää.
SPD:n, jossa on suuria aukkoja, tuottaa matala-CCT-LED, joka riippuu sinisestä pumpusta ja fosforien yhdistelmästä, jonka päästöt ovat ehkä kapeat, erityisesti syaanin (490–520 nm) ja syvän punaisen (650–680 nm) alueilla. Tämä "aukollinen" spektri aiheuttaa merkittäviä ja epätavallisia värimuutoksia, kun se heijastaa CRI-testin värejä. Esimerkiksi:
Siniset ja siniset{0}}vihreät näyttävät ikäviltä ja kyllästyneiltä, jos syaanista on pulaa.
Punaiset esineet voivat näyttää ylikylläisiltä ja "neon{0}}kaltaisilta", ja niiden punainen säteily on kapea, piikkinen, joka ei pysty kuvaamaan tarkasti pieniä punaisten sävyjen eroja.
Tyydyttyneen punaisen (R9) ja muiden sävyjen ominaisindeksit ovat usein melko huonoja tällaisissa malleissa, vaikka kahdeksan ensimmäisen indeksin (Ra) keskiarvo on hyvä. Siten perusongelmana on, että korkeaan CRI:hen tarvittava ihanteellinen, jatkuva spektri on usein pakko hylätä, koska teknologinen tarve tuottaa lämmintä valoa (matala CCT).
4. Materiaalitieteen pullonkaula: Ihanteellisen punaisen fosforin etsintä
Siksi teknisistä vaikeuksista tulee materiaalitieteen ongelma: punaisen loisteaineen etsiminen laajalla, jatkuvalla emissiospektrillä ja korkealla hyötysuhteella. Kapeakaistainen-emissio on monien kaupallisesti menestyneiden punaisten loisteaineiden haittapuoli, erityisesti nitridi- ja oksinitridiperheisiin kuuluvien, joita arvostetaan niiden korkean kvanttitehokkuuden ja stabiilisuuden vuoksi.
Laajakaistaisen punaisen loisteaineen luominen, joka on taloudellinen,{0}}kestävä ja tehokas, on edelleen suuri haaste. Fluoriloisteaineet, kuten K2SiF6:Mn4+, ovat tehokkaita ja muodostavat erittäin kapean punaisen viivan, mutta ne pahentavat spektriväliongelmaa. Lisäksi useiden loisteaineiden tasapainottaminen yhdessä pinnoitteessa saattaa heikentää yleistä valotehoa (lumenia wattia kohden) ja lisätä värin tasaisuutta ajan ja lämpötilan mittaan liittyviä ongelmia. Tehokkuus ja kustannukset uhrataan usein etsiessään akorkea CRIalhaisella CCT:llä.
5. Perinteisen CRI:n ja tulevaisuudennäkymien ylittäminen
On tärkeää muistaa, että itse CRI (Ra) -mittarissa on ongelmia. Sen kyvyttömyys ennustaa intensiivisten värien, ihon sävyjen ja luonnollisten lehtien esittämistä on saanut jotkut kyseenalaistamaan sen riippuvuuden vain kahdeksaan pastelliväriin. Tuloksena on kehitetty uudempia, perusteellisempia mittareita, kuten TM-30-20-lähestymistapa, joka arvioi väritarkkuutta (R f) ja väriskaalaa (R g) 99 värinäytteen avulla.
Nämä uudemmat mittaukset tekevät usein alhaisen-CCT:n ja korkean-CRI:n (määritettynä Ra a) lähteiden puutteet selvemmiksi. Lähteellä, jossa on punainen fosforipiikki, voi olla korkea R9-pistemäärä, mutta alhainen väriskaala tai vääristymäpisteet. Teollisuus on parhaillaan siirtymässä kohti ratkaisuja, jotka tarjoavat paitsi erinomaisen tarkkuuden myös tasapainoisen ja luonnollisen värikokemuksen korkealaatuisen-valaistuksen kysynnän vuoksi. Jotta saataisiin kattavampi ja jatkuvampi spektri, joka on verrattavissa hehkulamppuihin, jopa matalilla CCT-arvoilla, tarvitaan kehittyneitä loisteputkijärjestelmiä, joissa on vähintään kolme huolellisesti valittua loisteainetta, tai jopa innovatiivisia tekniikoita, kuten violetteja-pumppu-LED-valoja, jotka stimuloivat samanaikaisesti punaista, vihreää ja sinistä fosforia.
Lopuksi
Haasteena korkean CRI:n saavuttaminen alhaisella CCT:llä on vahva teknologinen rajoitus, joka johtuu nykyisestä LED-valmistuksen paradigmasta, ei fyysistä rajoitusta. Blackbody-säteilijä, alan standardi matalalle-CCT-valolle, on jatkuva, tasainen spektri, joka on ihanteellinen värintoistoon luonnostaan. Kuitenkin luodakseen sen valkoisen valon,nykyaikaiset PC{0}}LEDiton yhdistettävä erilliset sinisen sirun päästöalueet erilaisiin loisteaineisiin. Ilman laajaa, tehokasta ja kestävää punaista loisteainetta prosessi, jossa spektritasapainoa siirretään kohti punaista lämpimän CCT:n tuottamiseksi, tuottaa usein epäjatkuvan spektrin. Tarkan, spektririippuvaisen -CRI-testin mukaan tämä spektritehojakauma ei kuvaa riittävästi värejä. Tähän pitkään jatkuneeseen-vaihtokauppaan- kiinnitetään yhä enemmän huomiota materiaalitieteen kehittyessä ja uudet mittaukset auttavat meitä ymmärtämään värien laatua, mikä avaa oven valonlähteille, jotka ovat sekä uskomattoman aitoja että lämpimästi kutsuvia.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co., Ltd
Puhelin: +86 0755 27186329
Mobiili (+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
Sähköposti:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Verkkosivusto:www.benweilight.com
