Den komplekse dans: Dissekere forbindelsen mellem farvegengivelsesindeks og korreleret farvetemperatur
Abstraktion
To vigtige fotometriske parametre-Korreleret farvetemperatur (CCT) og farvegengivelsesindeks (R an eller CRI)-bruges i stigende grad til at påvirke valget af kunstige lyskilder. Selvom de almindeligvis diskuteres uafhængigt, er der en kompleks og ofte observeret sammenhæng mellem dem: ved lavere CCT'er er det meget sværere at opnå en høj CRI. Det teknologiske og fysiske grundlag for dette forhold undersøges i dette essay. Den beskriver, hvordan fosfor-konverterede LED-teknologiens begrænsninger, de grundlæggende principper for sortlegemestråling og de særlige krav til CRI-beregningsmetoden samles for at udgøre en væsentlig teknisk hindring for at skabe varmt,-high-fidelity-lys.
Oversigt
Lysbliver nøje vurderet ud fra dets kvalitet frem for kun dets kvantitet (lumen) inden for lysdesign og -teknologi. I spidsen for denne kvalitative evaluering er to målinger: farvegengivelsesindeks (CRI) og korreleret farvetemperatur (CCT). Som et mål for lysets optiske varme eller kølighed udtrykkes CCT i Kelvins (K), hvor lavere værdier (som 2700K) fremstår som "varm hvid" og højere værdier (som 5000K) fremstår som "kølig hvid". I modsætning hertil kvantificerer Color Rendering Index (CRI) hvor godt en lyskilde kan afbilde et objekts faktiske farve sammenlignet med en referencekilde, der er ideel eller naturlig. Perfekt farvegengivelse repræsenteres af en CRI på 100.
Producerer lave-CCT-lyskilder med en megethøj CRI(normalt over 95) er en almindelig, men ikke uoverkommelig, udfordring i belysningsbranchen. Denne artikel udforsker årsagerne til denne hændelse ved at se på, hvordan rammerne for vores farveopfattelsesmetrikker, fosfors kemi og lysets fysik interagerer.
1. Grundlæggende fysik: CCT og Blackbody Radiator
Den teoretiske model af en sortlegeme radiator er uløseligt forbundet med ideen om CCT. En sort krop lyser, når den opvarmes, og frigiver et konstant lysspektrum, der varierer med temperaturen på en forudsigelig måde. Emissionen er for det meste fokuseret i de lange-bølgelængde, røde og orange dele af det synlige spektrum ved lave temperaturer (ca. 2000K–3000K), med meget lidt energi i de blå og violette områder. Et køligere, hvidere lys produceres, når temperaturen stiger, fordi toppen af emissionsspektret bevæger sig mod kortere bølgelængder og fylder de blå og violette områder.
Temperaturen på den sorte kropsradiator, hvis farveopfattelse mest ligner lyskildens, er kendt som CCT. Det er vigtigt, at CCT og spektret er det samme for en glødepære, som i bund og grund er en næsten-perfekt sort krop. Dette forklarer, hvorfor glødepærer genererer et jævnt, kontinuerligt spektrum ved alav CCTpå omkring 2700K og en CRI på 100. Moderne solid-belysning udgør et problem, fordi den ikke bruger termisk stråling til at producere lys, især fosfor-konverteret hvidt lys-emitterende dioder (pc-LED'er).
2. Phosphor-udfordringen og strukturen af en moderne hvid LED
PC-LED er i øjeblikket den mest populære generelle belysningsteknologi. En blå halvlederchip (normalt baseret på Indium Gallium Nitride eller InGaN) dækket med en gul-emitterende fosfor, oftest Cerium-doteret Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce), er den grundlæggende komponent i en konventionel hvid LED. Fosforen exciteres af chippens blå lys og omdanner delvist denne energi til gult lys. Hvidt lys opfattes som et resultat af den brede gule emission og det resterende blå lys.
Forholdet mellem blåt og gult lys bestemmer dette hvide lyss CCT. En lav CCT (varm hvid) kræver en forbedring af den gule/røde emission og en væsentlig undertrykkelse af det blå pumpelys. Normalt gøres dette ved at: absorbere mere blåt lys ved at påføre et større lag fosfor, tilføje flere fosfor, der udsender rødt lys (såsom fosfor baseret på fluorid eller nitrid.
Dette er den første væsentlige hindring. Selvom emissionen fra den originale YAG:Ce-phosphor er bred, mangler den i det dybrøde område af spektret. Ingeniører skal tilføje en rød fosfor for at kompensere for denne røde mangel og reducere CCT. Ikke desto mindre er emissionsbåndet for mange effektive røde phosphorstoffer smalt. Dette reducerer effektivt CCT, men det gør det ved at introducere et pludseligt udbrud af rødt lys i stedet for en stabil, jævn fordeling af røde bølgelængder. Dette resulterer i en diskontinuerlig og "klumpet" spektral effektfordeling (SPD).
3. CRI-beregningen: Betydningen af et glat spektrum
Den endelige arbiter af denne spektrale glathed er CRI-testen. Den Internationale Kommission for Belysning (CIE) definerede metoden i CIE 13.3-1995. Det indebærer bestemmelse af ændringen i udseende af otte standard pastelfarvede testprøver (R1-R8) under testkildens belysning sammenlignet med en referencekilde for den samme CCT.
En fejlfri blackbody radiator tjener som reference for en testkilde under 5000K. Den grundlæggende idé er ligetil, men beregningen er indviklet: CRI stiger, og farveskift falder, når testkildens SPD nærmer sig den sorte krops glatte, kontinuerlige Planckian-kurve.
En SPD med store mellemrum produceres af en lav-CCT LED, som afhænger af en blå pumpe og en kombination af fosfor med måske snævre emissioner, især i de cyan (490-520 nm) og dybrøde (650-680 nm) områder. Dette "gaply" spektrum resulterer i bemærkelsesværdige og usædvanlige farveændringer, når det reflekteres fra CRI-testfarverne. For eksempel:
Blå og blå-grønne vil fremstå triste og umættede, hvis der er mangel på cyan.
Røde objekter kan virke overmættede og "neon-lignende" med en smal, spids rød emission, der ikke er i stand til trofast at afbilde små forskelle i røde nuancer.
De specifikke indekser for mættet rød (R9) og andre nuancer er ofte ret dårlige i sådanne designs, selvom gennemsnittet af de første otte indekser (Ra) er godt. Det grundlæggende problem er således, at det ideelle, kontinuerlige spektrum, der er nødvendigt for høj CRI, ofte er tvunget til at blive opgivet på grund af den teknologiske nødvendighed for at producere et varmt lys (lav CCT).
4. Flaskehalsen i materialevidenskab: Søgen efter den ideelle røde fosfor
Derfor bliver den tekniske vanskelighed et materialevidenskabeligt problem: søgen efter en rød fosfor med et bredt, kontinuerligt emissionsspektrum og høj effektivitet. Smal-emission er en ulempe ved mange kommercielt vellykkede røde phosphorstoffer, især dem fra nitrid- og oxynitridfamilierne, som er værdsat for deres høje kvanteeffektivitet og stabilitet.
Det er stadig en stor udfordring at skabe en rød bredbåndsfosfor, der er økonomisk,-holdbar og effektiv. Fluorphosphor, såsom K2SiF6:Mn4+, er effektive og giver en meget smal rød linje, men de gør problemet med spektralgabet værre. Derudover kan afbalancering af flere fosfor i en enkelt belægning sænke den samlede lyseffektivitet (lumen pr. watt) og tilføje komplikationer med hensyn til farveens ensartethed over tid og temperatur. Effektivitet og omkostninger bliver ofte ofret i jagten på enhøj CRIved en lav CCT.
5. At gå ud over konventionelle CRI og udsigter
Det er afgørende at huske, at der er problemer med selve CRI (R a)-metrikken. Dens manglende evne til at forudsige skildringen af intense farver, hudtoner og naturligt løv har fået nogle til at stille spørgsmålstegn ved dens afhængighed af kun otte pastelfarver. Nyere, mere grundige målinger er blevet udviklet som et resultat, såsom TM-30-20-tilgangen, som vurderer farvegengivelse (Rf) og farveskala (Rg) ved hjælp af 99 farveprøver.
Disse nyere målinger gør ofte fejlene ved lav-CCT, høj-CRI (som bestemt af Ra) kilder mere tydelige. En kilde med en rød fosforspids kan have en høj R9-score, men en lav farveskala eller forvrængningsscore. Branchen bevæger sig i øjeblikket mod løsninger, der ikke bare tilbyder stor troværdighed, men også en afbalanceret og naturlig farveoplevelse på grund af efterspørgslen efter belysning af høj-kvalitet. For at give et mere omfattende og kontinuerligt spektrum, der kan sammenlignes med glødepærers, selv ved lave CCT'er, kræver dette sofistikerede fosforsystemer, der har tre eller flere omhyggeligt udvalgte fosfor, eller endda innovative teknikker som violette-pumpe-LED'er, som samtidig stimulerer røde, grønne og blå tanphosphorer.
Som konklusion
Den opfattede udfordring med at opnå en høj CRI ved en lav CCT er en stærk teknologisk begrænsning, der stammer fra det eksisterende paradigme for LED-fremstilling snarere end en fysisk begrænsning. Blackbody-radiatoren, industristandarden for lavt-CCT-lys, har et kontinuerligt, glat spektrum, der er ideel til farvegengivelse af naturen. Men for at skabe sit hvide lys,moderne pc-LED'erskal kombinere forskellige emissionsbånd fra en blå chip med forskellige fosfor. Uden brug af en bred, effektiv og holdbar rød fosfor producerer processen med at flytte den spektrale balance mod den røde for at producere en varm CCT ofte et diskontinuerligt spektrum. Ifølge den krævende, spektrum-afhængige CRI-test afbilder denne spektrale effektfordeling ikke tilstrækkeligt farver. Denne langvarige-afvejning- bliver i stigende grad behandlet, efterhånden som materialevidenskaben udvikler sig, og nye målinger hjælper os med at forstå farvekvalitet og åbner døren til lyskilder, der er både spektakulært sande og varmt indbydende.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co.,Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobil(+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
