Den komplexa dansen: dissekera sambandet mellan färgåtergivningsindex och korrelerad färgtemperatur
Abstraktion
Två viktiga fotometriska parametrar-Correlated Color Temperature (CCT) och Color Rendering Index (R an eller CRI)-används i allt högre grad för att påverka valet av artificiella ljuskällor. Även om de ofta diskuteras oberoende, finns det en komplex och ofta observerad koppling mellan dem: vid lägre CCT är det mycket svårare att uppnå en hög CRI. De tekniska och fysiska grunderna för detta förhållande undersöks i denna uppsats. Den beskriver hur den fosforkonverterade-LED-teknikens begränsningar, grunderna för svartkroppsstrålning och de särskilda kraven för CRI-beräkningsmetoden sammanförs för att utgöra ett betydande tekniskt hinder för att skapa varmt,-fientligt ljus.
Översikt
Ljusbedöms noggrant utifrån dess kvalitet snarare än bara dess kvantitet (lumen) inom området för ljusdesign och teknik. I spetsen för denna kvalitativa utvärdering finns två mått: Color Rendering Index (CRI) och Correlated Color Temperature (CCT). Som ett mått på ljusets optiska värme eller svalka uttrycks CCT i Kelvins (K), där lägre värden (som 2700K) verkar "varmvita" och högre värden (som 5000K) verkar "kallvita". Däremot kvantifierar Color Rendering Index (CRI) hur väl en ljuskälla kan avbilda ett objekts faktiska färg i jämförelse med en referenskälla som är idealisk eller naturlig. Perfekt färgtrohet representeras av en CRI på 100.
Producerar låga-CCT-ljuskällor med en myckethög CRI(vanligtvis över 95) är en vanlig, men inte oöverstiglig, utmaning inom belysningsbranschen. Den här artikeln undersöker orsakerna till detta genom att titta på hur ramverket för våra färguppfattningsmått, fosfors kemi och ljusets fysik interagerar.
1. Grundläggande fysik: CCT och Blackbody Radiator
Den teoretiska modellen av en svartkroppsradiator är oupplösligt knuten till idén om CCT. En svartkropp lyser när den värms upp och frigör ett konstant spektrum av ljus som varierar med temperaturen på ett förutsägbart sätt. Emissionen är mestadels fokuserad på de långa-våglängderna, röda och orangea delarna av det synliga spektrumet vid låga temperaturer (cirka 2000K–3000K), med mycket lite energi i de blå och violetta områdena. Ett svalare, vitare ljus produceras när temperaturen stiger eftersom toppen av emissionsspektrumet rör sig mot kortare våglängder och fyller ut de blå och violetta områdena.
Temperaturen på den svartkroppsradiator vars färguppfattning mest liknar ljuskällans färg är känd som CCT. Viktigt är att CCT och spektrum är desamma för en glödlampa, som i huvudsak är en nästan-perfekt svartkropp. Detta förklarar varför glödlampor genererar ett jämnt, kontinuerligt spektrum vid alåg CCTpå cirka 2700K och en CRI på 100. Modern fast-belysning utgör ett problem eftersom den inte använder termisk strålning för att producera ljus, särskilt fosfor-konverterat vitt ljus-emitterande dioder (pc-LED).
2. Fosforutmaningen och strukturen hos en modern vit LED
PC-LED är för närvarande den mest populära tekniken för allmänbelysning. Ett blått halvledarchip (vanligtvis baserat på Indium Gallium Nitride eller InGaN) täckt med en gul -emitterande fosfor, oftast Cerium-dopad Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce), är den grundläggande komponenten i en konventionell vit LED. Fosforen exciteras av chipets blåa ljus och omvandlar delvis denna energi till gult ljus. Vitt ljus uppfattas som ett resultat av den breda gula emissionen och resterande blått ljus.
Förhållandet mellan blått och gult ljus bestämmer detta vita ljuss CCT. En låg CCT (varmvit) kräver att den gula/röda emissionen förbättras och det blå pumpljuset avsevärt dämpas. Vanligtvis görs detta genom att: absorbera mer blått ljus genom att applicera ett större lager av fosfor, lägga till mer fosfor som avger rött ljus (som fosfor baserad på fluor eller nitrid.
Detta är det första betydande hindret. Även om emissionen från den ursprungliga YAG:Ce-fosforen är bred, saknas den i den djupröda delen av spektrumet. Ingenjörer måste lägga till en röd fosfor för att kompensera för denna röda brist och minska CCT. Ändå är emissionsbandet för många effektiva röda fosforer smalt. Detta minskar effektivt CCT, men det gör det genom att introducera ett plötsligt utbrott av rött ljus istället för en stadig, jämn fördelning av röda våglängder. Detta resulterar i en diskontinuerlig och "klumpig" spektral effektfördelning (SPD).
3. CRI-beräkningen: betydelsen av ett jämnt spektrum
Den sista bedömningen av denna spektrala jämnhet är CRI-testet. Internationella belysningskommissionen (CIE) definierade metoden i CIE 13.3-1995. Det innebär att bestämma förändringen i utseende av åtta standard pastellfärgade testprover (R1-R8) under testkällans belysning i jämförelse med en referenskälla för samma CCT.
En felfri blackbody radiator fungerar som referens för en testkälla under 5000K. Grundidén är okomplicerad, men beräkningen är intrikat: CRI ökar och färgskiftningar minskar när testkällans SPD närmar sig den svarta kroppens släta, kontinuerliga planckiska kurva.
En SPD med stora luckor produceras av en låg-CCT-LED, som är beroende av en blå pump och en kombination av fosforer med kanske smala emissioner, särskilt i de cyan (490-520 nm) och djupröda (650-680 nm) områdena. Detta "gappy" spektrum resulterar i anmärkningsvärda och ovanliga färgförändringar när det reflekteras från CRI-testfärgerna. Till exempel:
Blått och blått-grönt kommer att verka trist och omättat om det finns en brist på cyan.
Röda föremål kan verka övermättade och "neonliknande-" med en smal, taggig röd emission som inte kan troget avbilda små skillnader i röda nyanser.
De specifika indexen för mättad röd (R9) och andra nyanser är ofta ganska dåliga i sådana mönster, även om genomsnittet av de första åtta indexen (Ra) är bra. Det grundläggande problemet är alltså att det ideala, kontinuerliga spektrum som behövs för hög CRI ofta tvingas överges på grund av den tekniska nödvändigheten att producera ett varmt ljus (låg CCT).
4. Flaskhalsen i materialvetenskap: Sökandet efter den idealiska röda fosforn
Därför blir den tekniska svårigheten ett materialvetenskapligt problem: sökandet efter en röd fosfor med ett brett, kontinuerligt emissionsspektrum och hög effektivitet. Smal-emission är en nackdel med många kommersiellt framgångsrika röda fosforer, särskilt de från nitrid- och oxynitridfamiljerna, som värderas för sin höga kvanteffektivitet och stabilitet.
Att skapa en röd bredbandsfosfor som är ekonomisk,-varaktig och effektiv är fortfarande en stor utmaning. Fluoridfosforer, såsom K2SiF6:Mn4+, är effektiva och ger en mycket smal röd linje, men de gör problemet med spektralgap värre. Dessutom kan balansering av flera fosfor i en enda beläggning sänka den totala ljuseffekten (lumen per watt) och lägga till komplikationer med avseende på färgens enhetlighet över tid och temperatur. Effektivitet och kostnad offras ofta i jakten på enhög CRIvid en låg CCT.
5. Gå bortom konventionella CRI och framtidsutsikter
Det är viktigt att komma ihåg att det finns problem med själva CRI (R a)-måttet. Dess oförmåga att förutse skildringen av intensiva färger, hudtoner och naturliga bladverk har fått vissa att ifrågasätta dess beroende av bara åtta pastellfärger. Nyare, mer grundliga mätvärden har utvecklats som ett resultat, såsom TM-30-20-metoden, som bedömer färgtrohet (Rf) och färgomfång (Rg) med hjälp av 99 färgprover.
Dessa nyare mätningar gör ofta bristerna i källor med låg-CCT, hög-CRI (som bestäms av Ra) mer uppenbara. En källa med en röd fosforspets kan ha en hög R9-poäng men ett lågt färgomfång eller förvrängningspoäng. Branschen går för närvarande mot lösningar som erbjuder inte bara stor trohet utan också en balanserad och naturlig färgupplevelse på grund av efterfrågan på belysning av hög-kvalitet. För att kunna tillhandahålla ett mer omfattande och kontinuerligt spektrum som är jämförbart med det för glödlampor, även vid låga CCT-värden, kräver detta sofistikerade fosforsystem som har tre eller fler noggrant utvalda fosforer, eller till och med innovativa tekniker som violetta-pump-lysdioder, som samtidigt stimulerar röda, gröna och blåtanphoer.
Avslutningsvis
Den upplevda utmaningen att uppnå en hög CRI vid en låg CCT är en stark teknisk begränsning som härrör från det befintliga paradigmet för LED-tillverkning snarare än en fysisk begränsning. Blackbody radiatorn, industristandarden för låg-CCT-ljus, har ett kontinuerligt, jämnt spektrum som är idealiskt för färgåtergivning av naturen. Men för att skapa sitt vita ljus,moderna PC-lysdiodermåste kombinera distinkta emissionsband från ett blått chip med olika fosforer. Utan användning av en bred, effektiv och hållbar röd fosfor ger processen att flytta den spektrala balansen mot det röda för att producera en varm CCT ofta ett diskontinuerligt spektrum. Enligt det noggranna, spektrum-beroende CRI-testet avbildar denna spektrala effektfördelning inte färger tillräckligt. Denna långa-avvägning- tas alltmer upp i takt med att materialvetenskapen utvecklas och nya mätningar hjälper oss att förstå färgkvalitet, vilket öppnar dörren till ljuskällor som är både spektakulärt sanna och varmt inbjudande.
Shenzhen Benwei Lighting Technology Co.,Ltd
Telefon: +86 0755 27186329
Mobil(+86)18673599565
Whatsapp:19113306783
E-post:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
