Jakość reprodukcji barw, czyli CRI

Głównym problemem tanich diod LED o kolorze białym, które są przeznaczone do celów oświetleniowych, jest reprodukcja barwy czerwonej.

Uzyskanie wysokiej wartości współczynnika CRI (Color Rendering Index) wymaga takiego przygotowania charakterystyki widmowej, żeby emisja źródła nie była "punktowa", ale była odpowiednio rozłożona w całym widmie widzialnym, od fioletu po głęboką czerwień. Rozkład energii promieniowania w widmie widzialnym (SPD, Spectral Power Distribution) musi odpowiadać czułości oka ludzkiego oraz specyfice postrzegania oświetlenia przez człowieka (tzw. charakterystyka obserwatora).

Nie wystarczy "złożyć" białego światła z trzech barw podstawowych za pomocą diody RGB z trzema chipami, gdyż wygenerowane trzy prążki nie zapewnią równomiernego pokrycia całego zakresu widzialnego. Dlatego w zastosowaniach oświetleniowych wykorzystywane są diody świecące w kolorze niebieskim lub fioletowym. Ich światło pobudza do świecenia luminofor, którym struktura półprzewodnikowa LED jest od góry przykryta. Dopiero warstwa tego materiału świeci w kolorze białym. Podobnie działają świetlówki, które wykorzystują zjawisko pobudzania luminoforu świecącego na biało za pomocą emisji w ultrafiolecie zachodzącej w parach rtęci pod niskim ciśnieniem.

Co jest lepszą miarą jakości reprodukcji barw: CRI czy Ra? Współczynnik oddawania barw jest obliczany na podstawie zmierzonego spektrometrem widma emisji światła, czyli inaczej mówiąc rozkładu energii emisji w widmie widzialnym (SPD). W tym celu wybiera się barwy testowe (nazywane też specjalnymi lub testowymi wybranymi z atlasu kolorów Munsella), a więc takie kolory, które często pojawiają się w życiu, np. skóry, roślin, owoców, ubrań, wody. Mają one swoje nazwy i oznaczenia. Dla każdego z nich wylicza się współczynnik oddawania danej barwy, a potem z całego zestawu wylicza się średnią wartość będącą właśnie podawanym CRI. Barw testowych może być osiem i dla nich wyliczona średnia to inaczej współczynnik Ra. Jak widać na rysunku, nie jest to pełna gama kolorów, z którymi mamy styczność w codziennym życiu, dlatego zestaw ten rozszerza się często o kolejny zestaw kolorów. Międzynarodowa Komisja Oświetlenia (CIE) wprowadziła dodatkowe próbki barwowe, tzw. special, tworzące wskaźnik CRI. Kolor numer 15 jest uznawany za opcjonalny. Współczynnik oddawania barw wyliczony z łącznej liczby 15 barw testowych obejmuje taką paletę: Zatem CRI lepiej (dokładniej) charakteryzuje źródło światła w porównaniu do Ra, bo jest wyliczany z dwukrotnie większej liczby danych. Dla oświetlenia LED kluczowa jest barwa testowa numer 9 (czerwona, oznaczana też R9 lub TCS09).

Cienka warstwa luminoforu niedokładnie zasłania strukturę LED, co wywołuje wzrost emisji w zakresie barw niebieskich. W tanich diodach światło to przebija przez tę warstwę i wywołuje silny pik w zakresie krótszych długości fal. W konsekwencji relatywna emisja w całej reszcie charakterystyki widmowej staje się mniejsza, a takie zakłócenie w konsekwencji prowadzi do nierównomierności i pogorszenia parametrów takich jak CRI (patrz ramka).

Poza tym używany w diodach luminofor jest mieszaniną wielu minerałów, z których każdy świeci w określonym zakresie (barwie). Wszystkie te materiały, połączone lepiszczem w formie mieszaniny ziarenek, pobudzane są wspólnie przez światło niebieskie wytwarzane przez strukturę półprzewodnikową. Aby światło dostarczane przez luminofor było wysokiej jakości, a więc charakteryzowało się dużą wartością współczynnika CRI, proporcje składników i użyte minerały muszą zostać precyzyjnie dobrane. Największy problem jest ze składnikiem od barwy czerwonej, bo luminofor w tym kolorze bazuje na pierwiastkach ziem rzadkich i jest drogi. Dodatkowo konwersja emisji niebieskiej z LED-a na czerwoną jest mniej wydajna od tej dla innych barw. Można w uproszczeniu to wyjaśnić tym, że różnica długości fali między pobudzeniem niebieskim a emisją czerwoną jest znacznie większa niż dla np. barwy zielonej. W diodzie wystarczy więc do efektywnego działania mała ilość składowej luminoforu niebieskiego i zielonego, bo ma on dużą wydajność, ale trzeba użyć dużo ziaren czerwonych, bo tu konwersja długości fali jest znacznie gorsza.

Aktualna koniunktura na rynku oświetlenia

 

W obecnej sytuacji, gdy cała światowa gospodarka walczy z wirusem, połowa odpowiedzi, które padły na wskazanie na to, że sytuacja na rynku oświetlenia jest dobra, jest znakomitym wynikiem. Tylko dla co dziesiątej firmy warunki działalności są kiepskie, co zapewne wynika z wąskiego profilu rynkowego lub posiadania odbiorców w branży, która została zamknięta. Wiele aplikacji oświetleniowych jest używanych w sektorze reklamy, handlu, w biurach i budynkach użyteczności publicznej i tam niestety szanse na trafienie na szlaban inwestycyjny są spore. Inaczej jest w obszarze przemysłu i stąd bierze się zapewne pozytywna wymowa tego zestawienia.

Efekt opisanych powyżej zjawisk jest taki, że współczynnik CRI diod psuje w 80–90% reprodukcja czerwieni. Pozostałe problemy z małym CRI to efekt źle dobranych proporcji między minerałami luminoforu, który wywołuje pofalowanie charakterystyki widmowej i przebijanie emisji niebieskiej z półprzewodnika na spodzie (patrz ramka "Ideał, przeciętniak czy tandeta?").

Wiele tanich źródeł, takich jak niemarkowe żarówki LED, paski LED, na których nie ma żadnych oznaczeń ani danych producenta, ma współczynnik CRI około 70, ale mniejsze wartości też nie są rzadkością. Takie źródła już na pierwszy rzut oka źle oddają barwy. Większość lepszych produktów ma CRI rzędu 75–80, ale bez problemu kupimy na rynku taśmy LED i żarówki z CRI powyżej 90, nawet rekordowe 95–96, co już jest wartością bardzo dużą, w zasadzie równoważną oświetleniu obiektu przez klasyczną żarówkę halogenową. Tyle że takie produkty są znacznie droższe.

Jak epidemia koronawirusa wpływa na nasz biznes?

 

Pandemia jedynie w niewielkim stopniu przeszkadza w działalności dostawcom oświetlenia ledowego i produktów do takich zastosowań. Co czwarta fi rma nie odczuwa wpływu wirusa na poziom sprzedaży, połowa ma niewielkie spadki, ale ogólnie zestawienie opinii zebranych w ankietach nie sygnalizuje, aby te problemy były jakimś dramatem. COVID zwiększył ryzyko anulowania potwierdzonych zamówień, przeszkadza w logistyce i wydłuża czas dostaw, ale w zamian zwiększył wysiłki dostawców na rzecz większej dbałości o dobre relacje. Czyli są też jakieś pozytywy. Produkty związane z oświetleniem LED można dzisiaj traktować jako masowe, a więc produkowane w wielkiej skali i dostępne z wielu źródeł, niemniej duży popyt i spora liczba specjalistycznych zastosowań skutecznie równoważą wszystkie negatywne zjawiska.