Oddawanie barw w systemach oświetlenia LED

W tak zdefiniowanym obszarze można wymienić dwa głównie powody ograniczające tempo rozwoju: natury ekonomicznej i jakościowej. Z punktu widzenia opłacalności problemem jest relatywnie wysoka cena ledowych źródeł światła oraz ich porównywalna wydajność ze stosowanymi obecnie rozwiązaniami w oświetleniu przemysłowym.

Ogromna ilość produkowanych obecnie źródeł światła LED może się pochwalić całkiem zadowalającym wskaźnikiem oddawania barw, nie dotyczy to jednak produktów LED wykonanych przy bardzo oszczędnych założeniach dotyczących kosztów użytych materiałów i procesu produkcji. Inaczej mówiąc, dobrej jakości światło LED jest dostępne jedynie wśród towarów z najwyższej półki.

Co to jest oddawanie barw?

Słabe oddawanie barw wiąże się często z temperaturą barwową. Słyszymy, że zimne światło jest nieprzyjemne w odbiorze i słabo oddaje barwy, a białe ciepłe światło dobrze. Nie jest to prawdą, bo na przykład światło słoneczne w południowej porze dnia, na czystym niebie, nie jest, ani ciepłe, ani nie zimne. Jego przedział określający temperaturę barwową nazywamy światłem naturalnym, ma on około 5500 K. Typowe światło ciepłe ma temperaturę około 3000 K, z kolei zimne 6500 K. Co więcej może istnieć źródło światła o barwie ciepłej, które świetnie oddaje barwy oraz takie samo które robi to bardzo słabo. Przykładem może być światło lampy sodowej o barwie ok. 2000 K, która oddaje barwy bardzo słabo, w efekcie wszystko wydaje się żółte. To właśnie barwa światła wpływa na to, jak postrzegamy kolory. Inaczej widzimy świat przy jasnym słońcu w trakcie dnia, inaczej zaś przy zachodzie słońca, a jeszcze inaczej przy zachmurzonym niebie. Temperatura barwowa wpływa głównie na postrzeganie ogólne oświetlonych przedmiotów, to natomiast, czy widzimy dobrze każdy kolor, zależy od składu światła białego, jakie emituje lampa.

Każdy z nas pamięta z fizyki doświadczenie z pryzmatem, za pomocą którego ze światła białego otrzymujemy tęczę, czyli widmo badanego promieniowania. Efekt ten jest możliwy do osiągnięcia, gdyż światło o różnych barwach, które składa się na światło białe, załamuje się pod różnym kątem. Stąd poszczególne elementy składowe załamują się przechodząc przez pryzmat pod różnymi kątami i osobno odkładają na oświetlanym ekranie. Każde źródło światła białego emituje światło składające się z wielu składowych o różnej długości fali. Mieszając się, tworzą one barwę białą. Kolor danego przedmiotu zależy od materii, która go tworzy, a właściwie od jej zdolności do odbicia oraz do rozproszenia światła poszczególnych barw. Przykładowo czerwona piłka odbija głównie światło od długości fali odpowiadającej barwie czerwonej, a pozostałe barwy w dużej mierze pochłania. Byśmy dobrze zobaczyli piłkę, musimy ją oświetlić odpowiednią ilością wszystkich składowych światła, które odbijając się od piłki, nada jej barwę postrzeganą jako czerwoną. Jeżeli na przykład oświetlimy w ciemnym pokoju czerwoną piłkę tylko jednokolorowym zielonym światłem, nie będziemy mogli określić jej barwy. Dobrym przykładem jest biała plansza. Biała powierzchnia odbija praktycznie wszystkie barwy składowe padającego światła. Jeżeli oświetlimy ją światłem białym, to plansza będzie biała, jeśli światłem monochromatycznym (jednobarwnym), to plansza będzie miała kolor padającego światła.

Podsumowując, możliwość widzenia kolorów poszczególnych przedmiotów zawdzięczmy poszczególnym barwom światła, wchodzącym w skład światła białego, którym oświetlany jest dany przedmiot. Aby dobrze postrzegać barwy, musimy mieć światło bogate we wszystkie składowe kolory, Jeśli w składzie źródła światła brakuje emisji światła danej barwy lub będzie ona zbyt mała, niektóre oświetlane przedmioty będą miały zafałszowany kolor.

CRI jako parametr oświetlenia

Do określania jakości źródła światła pod kątem oddawania barw używa się współczynnika oddawania barw (CRI - color rendering index). Współczynnik ten obrazuje różnice między oddawaniem barw przez dane źródło, a doskonałym oddawaniem barw. CRI wyznacza się dla 14 próbnych kolorów. Dla każdej barwy współczynnik osiąga wartości od 0 do 100, gdzie 100 to idealne oddanie barwy, a 0 to brak oddawania danej barwy. Aby móc określić jakość poszczególnych źródeł światła, używa się miary zwanej Ra i jest to średnia ze współczynników CRI dla pierwszych 8 próbek.

Najlepsze światło, jakie mamy to światło słoneczne, którego widmo jest praktycznie ciągłe od barwy fioletowej, aż po czerwoną i wszystkie barwy składowe są silnie emitowane. Słońce ma Ra równe 100, oświetlenie LED szeroko dostępne obecnie na rynku ma Ra w granicy 75-90 dla źródeł wysokiej klasy oraz w przedziale 60-75 dla źródeł produkowanych z naciskiem na koszt, a nie na jakość. Większość współczesnych źródeł światła do użytku wewnętrznego ma Ra w granicach 60-100. Współczynnik Ra porównuje się do wzorca o tej samej temperaturze barwy, co badane źródło, dlatego lampa o ciepłej barwie (2700 K), która ma doskonały Ra na poziomie 100, będzie oddawała inaczej barwy niż światło słoneczne, które ma temperaturę barwy 5500 K. Nadal będzie to dobre źródło światła, które w pełni pokaże kolory oświetlonego przedmiotu, jak również nada całości ciepłą barwę.

Od czego zależy oddawanie barw przez źródła LED?

Oddawanie barw przez źródła LED jest związane z metodą generowania światła białego przez diodę. Światło złącza półprzewodnikowego, używanego do produkcji diod LED, jest z natury rzeczy monochromatyczne (jednobarwne). Białą barwę diody można osiągnąć poprzez użycie trzech złączy w jednej obudowie: czerwonego, zielonego i niebieskiego, a następnie otrzymać białe światło poprzez mieszanie tych barw. Tego rozwiązania jednak się w praktyce nie stosuje z uwagi na ceny. Drugą metodą otrzymania światła białego w diodzie LED, która obecnie jest powszechnie stosowana, to wykorzystanie luminoforu oraz zjawiska fluorescencji. Metoda jest podobna do tej stosowanej w przypadku popularnych świetlówek, gdzie luminofor pokrywający lampę jest wzbudzany za pomocą światła ultrafioletowego. W przypadku diod LED luminoforem jest specjalnie przygotowany fosfor, a wzbudzany jest światłem niebieskim, niekiedy fioletowym. To właśnie użyty fosfor świeci pełnym światłem białym. Przy stosowaniu tej metody osiąganie wysokiego współczynnika Ra i ciepłej barwy światła odbywa się kosztem wydajności diody.

Tylko najlepsi producenci oferują lampy LED o Ra powyżej 80, z kolei większość tanich, masowo sprzedawanych w Polsce źródeł LED nie ma współczynnika Ra powyżej 70. Wynika to po części z tego, że podstawowym chwytem marketingowym na konsumenckim rynku LED stała się oszczędność, jaka płynie z wymiany tradycyjnego oświetlenia na rozwiązania LED, stąd priorytetem stała się wydajność. Oddawanie barwy i powszechne umieszczanie w parametrach lamp współczynnika Ra (często jako CRI) stało się popularne niedawno. Jednakże trzeba bardzo ostrożnie podchodzić do parametrów podawanych przez różnych importerów. Najpewniej zaufać produktom znanej marki tworzonych przez światowych liderów w technologii LED. Większość podawanych parametrów, przy popularnych masowych produktach, jest nierzetelna, podawany strumień świetlny wielu lamp przy określonej mocy sam w sobie jest znacząco zawyżony, a jeśli do tego podaje się barwę ciepła i wysoki współczynnik Ra, to najwyraźniej mamy do czynienia w najlepszym wypadku, z brakiem rzetelności importera.

Dlaczego oddawanie barw jest ważne dla człowieka?

Dobry współczynnik oddawania barw, w połączeniu z przyjemną temperaturą barwową światła, dla większości ludzi zapewnia najlepsze warunki odpoczynku. W środowisku pracy częściej stosuje się barwę naturalną i jak najwyższe Ra. Dobra barwa światła i wysokie odwzorowanie kolorów otoczenia powoduje, że czujemy się lepiej, wzrok się mniej męczy. Obiekty oświetlone przez lampy o skrajnie niskim oddawaniu barw widzimy gorzej, niż gdyby je oświetlić źródłem o takim samym strumieniu, ale znacznie wyższym współczynniku Ra. Wystarczy porównać oświetlenie ulic czy parkingów za pomocą lamp sodowych z oświetleniem ich tak samo silnym światłem, ale pochodzącym ze źródeł metalohalogenkowych lub LED, gdzie oddawanie barw jest znacznie wyższe niż w przypadku lamp sodowych.

W środowisku pracy problem jakości światła przekłada się na wydajność, dokładność oraz bezpieczeństwo, za tym idzie zdrowie i samopoczucie. Właściwe oddawanie barw jest również ważne z punktu widzenia prezentacji produktów na wystawach sklepowych czy we wnętrzach sklepowych. Profesjonaliści projektujący oświetlenie przywiązują do tego parametru bardzo dużą wagę. Normy dotyczące oświetlenia wymagają dla większości sytuacji Ra minimum 80, czasami wymagania są mniejsze, na przykład: hale magazynowe, oświetlenie zewnętrzne.

Micros sp. j. W. Kędra i J. Lic
www.micros.com.pl