Aktuální vydání

Číslo 3/2020 vyšlo tiskem 13. 3. 2020. V elektronické verzi na webu ihned. 

Téma: Trendy v elektrotechnice a souvisejících oborech

Hlavní článek
Využití měniče frekvence pro experimentální zařízení

Číslo 2/2020 vyšlo tiskem 6. 3. 2020. V elektronické verzi na webu ihned.

Trh, obchod, podnikání
BOOBA v novém showroomu, který předčil veškerá očekávání
Rozhovor s předsedou představenstva Technologií hlavního města Prahy

Denní světlo
Diagram zastínění pro 21. březen
Moderní metody získávání dat pro zpracování světelnětechnických posudků

Metody zlepšování podání barev – 1. část

23. 2. 2020 | Ing. Antonín Fuksa | NASLI & Blue step | www.nasli.cz

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 tyto metody mají 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 se použijí dva druhy světelných diod: bílá o parametrech Tcp = 6 030 K a Ra = 71 a červená o vlnové délce λp = 631 nm. Intenzitu modrého vrcholu bílé LED označme IB a vrcholovou intenzitu červené LED I1. K bílému světlu se postupně přimíchává stále větší intenzita červeného a sleduje se průběh základních parametrů smíšeného světla.

Se zvětšujícím se podílem červené složky (I1/IBRa roste, v maximu až o šestnáct bodů. Současně klesá náhradní teplota chromatičnosti, v maximu přibližně o 2 000 K. Precizní algoritmus pro výpočet podání barev [2] však ukazuje zvýšení Rf (všeobecný index věrnosti barev, angl. general colour fidelity index) pouze o sedm bodů. Při dalším zvětšování podílu červené složky nad maximum zobrazené na obr. 1 Ra již 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’ (označuje se Δu’,v’). Při použití aproximace MacAdamových elips kružnicemi o poloměru 0,001 1 v souřadnicích u’, v’ podle [4] je možné 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 se ovšem Ra zlepšuje jen o několik bodů. Další zvyšování Ra přidáváním červené vede k překročení hranice bílého světla a jde již o světlo barevné. Z experimentu tedy vyplývá, že vysoké Ra automaticky neznamená kvalitní bílé světlo.

Metody zlepšování podání barev - doplňování červené
Obr. 1. Doplňování červené

Jednokanálové doplnění

Při pohledu na obr. 1 vyvstává otázka, zde je vlnová délka λp = 631 nm skutečně nejvhodnější volbou. Pro představu je možné λp doplňujícího světla posouvat přes celé viditelné spektrum, míchat je s bílým světlem a sledovat odezvu v Ra a Rf. V tomto experimentu se použije model LED spektra v podobě Gaussovy křivky o šířce v polovině maxima (FWHM) 16 nm, který odpovídá původní červené LED. Amplituda Ise zvolí 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 naopak povede 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).


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


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

Pro doplňující kanály s červenou (λp1 = 625 nm) a modrou barvou (λp2 = 493 nm) byl proveden výpočet Ra, RfΔu’,v’ a Tpro všechny kombinace 100 různých intenzit I1 a I2. Ideální kombinací s nejmenší vzdáleností od čáry denních světel je I1 = 0,47 IBI2 = 1,24 IB (viz výše). Výsledky podání barev jsou překvapivé: Ra = 96, Rf = 94 při teplotě chromatičnosti Tcp = 6 300 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 5 750 až 6 900 K, Ra 93 až 97 a Rf 91 až 94 a zachování odchylky N ≤ 5. Připomeňme parametry bílé LED: Tcp = 6 030 K a Ra = 71.

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

Obr. 4. Spektrum smíšeného světla
Obr. 4. Spektrum smíšeného světla

Při použití tohoto postupu v praxi je třeba vzít v úvahu, že se smíšené světlo snadno vychýlí z tolerančního pásma bílého světla, a to např. vlivem odchylek jednotlivých diod v sérii, 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 použitím vestavěného senzoru barev.

V příští části minisérie se bude pojednávat o tom, zda lze světlo s vysokým indexem podání barev získat mícháním laserů a kolik vlnových délek je třeba zkombinovat. Prozkoumán bude také filtr zlepšující podání barev.

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. 2011, (5), 62–63. ISSN 1212-0812.
[4] Chromaticity Difference Specification for Light Sources. Austria: CIE Central Bureau, 2014. CIE TN 001:2014.


Vyšlo v časopise Světlo č. 1/2020 na straně 16.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.