Den komplekse dansen: Dissekere sammenhengen mellom fargegjengivelsesindeks og korrelert fargetemperatur
Abstraksjon
To viktige fotometriske parametere-Korrelert fargetemperatur (CCT) og fargegjengivelsesindeks (R an eller CRI)-brukes i økende grad for å påvirke valget av kunstige lyskilder. Selv om de ofte diskuteres uavhengig, er det en kompleks og ofte observert sammenheng mellom dem: ved lavere CCT er det mye vanskeligere å oppnå høy CRI. Det teknologiske og fysiske grunnlaget for dette forholdet undersøkes i dette essayet. Den beskriver hvordan fosforkonvertert-LED-teknologiens begrensninger, det grunnleggende ved svartkroppsstråling og de spesielle kravene til CRI-beregningsmetodikken kommer sammen for å utgjøre en betydelig teknisk hindring for å skape varmt,-fientlig lys.
Oversikt
Lysblir strengt vurdert basert på kvaliteten i stedet for bare kvantiteten (lumen) innen lysdesign og teknologi. I forkant av denne kvalitative evalueringen er to beregninger: Color Rendering Index (CRI) og Correlated Color Temperature (CCT). Som et mål på den optiske varmen eller kjøligheten til lyset uttrykkes CCT i Kelvins (K), der lavere verdier (som 2700K) fremstår som "varm hvit" og høyere verdier (som 5000K) fremstår som "kjølig hvit". I kontrast kvantifiserer Color Rendering Index (CRI) hvor godt en lyskilde kan skildre et objekts faktiske farge sammenlignet med en referansekilde som er ideell eller naturlig. Perfekt fargegjengivelse representeres av en CRI på 100.
Produserer lave-CCT-lyskilder med en sværthøy CRI(vanligvis over 95) er en vanlig, men ikke uoverkommelig, utfordring i belysningsbransjen. Denne artikkelen utforsker årsakene til denne forekomsten ved å se på hvordan rammeverket for fargepersepsjonsmålingene våre, kjemien til fosfor og lysets fysikk interagerer.
1. Grunnleggende fysikk: CCT og Blackbody Radiator
Den teoretiske modellen av en blackbody radiator er uløselig knyttet til ideen om CCT. En svartkropp lyser når den varmes opp, og frigjør et konstant lysspekter som varierer med temperaturen på en forutsigbar måte. Emisjonen er for det meste fokusert på de lange-bølgelengdene, røde og oransje delene av det synlige spekteret ved lave temperaturer (omtrent 2000K–3000K), med svært lite energi i de blå og fiolette områdene. Et kjøligere, hvitere lys produseres når temperaturen stiger fordi toppen av utslippsspekteret beveger seg mot kortere bølgelengder, og fyller ut de blå og fiolette områdene.
Temperaturen på svartlegemeradiatoren hvis fargeoppfatning ligner mest på lyskilden, er kjent som CCT. Viktigere er at CCT og spekteret er det samme for en glødelampe, som i hovedsak er en nesten-perfekt svartkropp. Dette forklarer hvorfor glødepærer genererer et jevnt, kontinuerlig spektrum ved alav CCTpå omtrent 2700K og en CRI på 100. Moderne solid-belysning utgjør et problem fordi den ikke bruker termisk stråling til å produsere lys, spesielt fosfor-konverterte hvite lys-emitterende dioder (pc-LED).
2. Fosforutfordringen og strukturen til en moderne hvit LED
PC-LED-en er for tiden den mest populære teknologien for generell belysning. En blå halvlederbrikke (vanligvis basert på Indium Gallium Nitride, eller InGaN) dekket med en gul -avgivende fosfor, oftest Cerium-dopet Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce), er den grunnleggende komponenten i en konvensjonell hvit LED. Fosforet begeistres av brikkens blå lys og transformerer delvis denne energien til gult lys. Hvitt lys oppfattes som et resultat av den brede gule emisjonen og det gjenværende blålyset.
Forholdet mellom blått og gult lys bestemmer dette hvite lysets CCT. En lav CCT (varmhvitt) krever å forbedre den gule/røde emisjonen og undertrykke det blå pumpelyset betydelig. Vanligvis gjøres dette ved å: absorbere mer blått lys ved å påføre et større lag med fosfor, legge til flere fosfor som sender ut rødt lys (som fosfor basert på fluor eller nitrid.
Dette er den første betydelige hindringen. Selv om utslippet fra den originale YAG:Ce-fosforen er bred, mangler den i det dyprøde området av spekteret. Ingeniører må legge til en rød fosfor for å kompensere for denne røde mangelen og redusere CCT. Likevel er utslippsbåndet for mange effektive røde fosforer smalt. Dette reduserer effektivt CCT, men det gjør det ved å introdusere et plutselig utbrudd av rødt lys i stedet for en jevn, jevn fordeling av røde bølgelengder. Dette resulterer i en diskontinuerlig og "klumpete" spektralkraftfordeling (SPD).
3. CRI-beregningen: betydningen av et jevnt spektrum
Den endelige arbiteren for denne spektrale glattheten er CRI-testen. Den internasjonale kommisjonen for belysning (CIE) definerte metoden i CIE 13.3-1995. Det innebærer å bestemme endringen i utseende til åtte standard pastellfargede testprøver (R1-R8) under testkildens belysning sammenlignet med en referansekilde for samme CCT.
En feilfri blackbody radiator fungerer som referanse for en testkilde under 5000K. Den grunnleggende ideen er grei, men beregningen er intrikat: CRI øker og fargeskift avtar når testkildens SPD nærmer seg svartkroppens jevne, kontinuerlige Planckian-kurve.
En SPD med store gap produseres av en lav-CCT-LED, som er avhengig av en blå pumpe og en kombinasjon av fosfor med kanskje smale utslipp, spesielt i de cyan (490-520 nm) og dyprøde (650-680 nm) regionene. Dette "gapete" spekteret resulterer i bemerkelsesverdige og uvanlige fargeendringer når det reflekteres av CRI-testfargene. For eksempel:
Blått og blått-grønt vil virke trist og umettet hvis det er mangel på cyan.
Røde gjenstander kan virke overmettede og «neon-lignende» med en smal, piggete rød emisjon som ikke er i stand til trofast å skildre små forskjeller i røde nyanser.
De spesifikke indeksene for mettet rød (R9) og andre nyanser er ofte ganske dårlige i slike design, selv om gjennomsnittet av de første åtte indeksene (Ra) er bra. Dermed er det grunnleggende problemet at det ideelle, kontinuerlige spekteret som trengs for høy CRI ofte blir tvunget til å bli forlatt på grunn av den teknologiske nødvendigheten av å produsere et varmt lys (lav CCT).
4. Flaskehalsen i materialvitenskap: Jakten på den ideelle røde fosforen
Derfor blir de tekniske vanskelighetene et materialvitenskapelig problem: jakten på en rød fosfor med et bredt, kontinuerlig utslippsspekter og høy effektivitet. Smalbåndsutslipp er en ulempe med mange kommersielt vellykkede røde fosforer, spesielt de fra nitrid- og oksynitridfamiliene, som er verdsatt for sin høye kvanteeffektivitet og stabilitet.
Å lage en rød bredbåndsfosfor som er økonomisk,-varig og effektiv er fortsatt en stor utfordring. Fluorfosforer, slik som K2SiF6:Mn4+, er effektive og gir en veldig smal rød linje, men de gjør problemet med spektralgapet verre. I tillegg kan balansering av flere fosfor i et enkelt belegg redusere den totale lyseffekten (lumen per watt) og legge til komplikasjoner med hensyn til fargeensartethet over tid og temperatur. Effektivitet og kostnader blir ofte ofret i jakten på enhøy CRIved lav CCT.
5. Gå utover konvensjonell CRI og prospekter
Det er viktig å huske at det er problemer med selve CRI (R a)-metrikken. Dens manglende evne til å forutsi fremstillingen av intense farger, hudtoner og naturlig løvverk har fått noen til å stille spørsmål ved dens avhengighet av bare åtte pastellfarger. Nyere, mer grundige beregninger har blitt utviklet som et resultat, for eksempel TM-30-20-tilnærmingen, som vurderer fargetroskap (Rf) og fargespekter (Rg) ved hjelp av 99 fargeprøver.
Disse nyere målingene gjør ofte feilene til lav-CCT, høy-CRI (som bestemt av Ra) kilder mer åpenbare. En kilde med en rød fosforspiss kan ha høy R9-score, men lav fargeskala eller forvrengningsscore. Bransjen beveger seg for tiden mot løsninger som tilbyr ikke bare god troverdighet, men også en balansert og naturlig fargeopplevelse på grunn av etterspørselen etter belysning av høy-kvalitet. For å gi et mer omfattende og kontinuerlig spekter som er sammenlignbart med glødelamper, selv ved lave CCT-verdier, krever dette sofistikerte fosforsystemer som har tre eller flere nøye utvalgte fosforer, eller til og med innovative teknikker som fiolette-pumpe-LED, som stimulerer røde, grønne og blåtanphos samtidig.
Avslutningsvis
Den opplevde utfordringen med å oppnå en høy CRI ved en lav CCT er en sterk teknologisk begrensning som stammer fra det eksisterende paradigmet for LED-produksjon snarere enn en fysisk begrensning. Blackbody-radiatoren, industristandarden for lavt-CCT-lys, har et kontinuerlig, jevnt spektrum som er ideelt for fargegjengivelse av natur. Men for å skape det hvite lyset,moderne PC-LEDmå kombinere distinkte utslippsbånd fra en blå brikke med forskjellige fosfor. Uten bruk av en bred, effektiv og holdbar rød fosfor, produserer prosessen med å flytte spektralbalansen mot den røde for å produsere en varm CCT ofte et diskontinuerlig spektrum. I henhold til den nøyaktige, spektrum-avhengige CRI-testen, viser ikke denne spektrale kraftfordelingen farger tilstrekkelig. Denne langvarige-avveiningen- blir i økende grad tatt opp ettersom materialvitenskapen utvikler seg, og nye målinger hjelper oss med å forstå fargekvaliteten, og åpner døren for lyskilder som er både spektakulært sanne og varmt innbydende.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co.,Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobil (+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
E-post:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
Internett:www.benweilight.com
