Прості рецепти білого світла
Білий світ можна зібрати з семи кольорів веселки, з трьох, і навіть всього лише з двох доповнюють один одного кольорів. Традиційний рецепт світлодіодного білого світла - це білий, зібраний з синього і жовтого. Така спектральна неповноцінність білого призводить до низьких індексах кольоропередачі. Але сучасні технології дозволяють розширювати жовтий пік як в блакитну, так і в більш важливу червону область. Нормою вже сьогоднішнього дня стають світлодіоди із загальним індексом передачі кольору Ra> 90.
Що таке білий світ, як зібрати білий з простих спектральних складових, і як від складу світла залежить його якість?
Кольорова палітра CIE тисячу дев'ятсот тридцять один
За колірний зір людини відповідають три типи колбочок, чутливих до світла в широких і перекриваються, але все ж різних спектральних областях. Це означає, що простір відчуттів колірного зору трехмерно. Якщо одну розмірність зарезервувати під інтенсивність сприйняття, тобто під видиму яскравість, залишаться дві розмірності. Отже, простір розрізняються людиною квітів двумерно.
Мал. 1. Кольорова палітра CIE одна тисячу дев'ятсот тридцять один
У цій статті простір CIE +1931 використовується в якості графічного калькулятора, що дозволяє наочно передбачити результат змішання кількох кольорів.
Основні відомості про колірному просторі CIE тисячу дев'ятсот тридцять-одна:
- Чисті кольори, що складаються з однієї спек- тральної лінії, розташовані на кордоні колірного простору. Складові кольору, знаходяться всередині цих кордонів.
- Колір теплового випромінювання при різних температурах (полум'я свічки, нитки лампи розжарювання, поверхні сонця і ін.) Розташовується в колірному просторі уздовж кривої, яку називають кривою випромінювання Абсолютно Чорного Тіла (кривої АЧТ).
- Колір світла, з координатами на кривій АЧТ або недалеко від неї (рис. 2), прийнято вважати білим. Відмінності, що виражаються в різній пропорції теплих і холодних тонів, описують параметром «колірна температура» або «Корельована колірна температура». Чим більше частка синього кольору в білому, тим вище колірна температура, чим вище частка жовтого і червоного - тим колірна температура нижче. Так, білий денне світло з більшою часткою синього має високу колірну температуру 6500 К і відображений на рис. 1 символом «о», а тепле світло лампи розжарювання з більшою часткою жовтого і червоного має колірну температуру 2700 К і відображений символом «Δ».
- Змішуючи два кольори, ми завжди отримуємо складний колір з координатою на лінії, що з'єднує координати вихідних кольорів. Змінюючи пропорцію вихідних компонент, ми змінюємо координату складеного кольору, переміщаючись уздовж цієї лінії. Наприклад, падаючий на аркуш паперу сонячний колір і світло лампи розжарювання утворюють кольорову суміш на лінії на рис. 1, що з'єднує символи «Δ» і «о». Як видно, дана суміш також буде лежати поблизу кривої АЧТ і буде білим світлом деякої проміжної колірної температури.
- В одну і ту ж точку простору CIE 1931 можна потрапити різними способами. У статті представлено сім різних способів зібрати білий світ колірної температури 4000К, тобто потрапити на середину кривої АЧТ. Склад суміші людський зір розрізнити не може. Спостережуваний колір світла однаковий, якщо його колірні координати однакові.
- Колір одній і тій же поверхні, що освітлюється світлом з однієї і тієї ж колірної координатою, але різним спектральним складом, може бути різним. Пелюстка троянди під білим денним світлом виглядає червоним, а під традиційним білим світлодіодним світлом тієї ж колірної температури швидше коричневим.
Передача кольору
Колір будь-якій поверхні - це колір відбитого поверхнею світла, який визначається складом падаючого на поверхню світла і тим, які його складові поверхню відобразить. Всім відомо, що колір поверхні зміниться, якщо висвітлювати її не білою, а кольоровим світлом. Але колір поверхні зміниться, навіть якщо її висвітлити білим світлом тієї ж колірної температури (тобто мають ті ж координати в колірному просторі), але з іншими спектральним складом. До тих пір поки можна було вибирати між денним світлом, лампою розжарювання і лучиною, це явище цікавило тільки художників, які намагалися працювати при денному світлі, працюючи на натурі або в засклених студіях, що нагадують оранжерею.
Прагнення художників використовувати денне світло легко зрозуміти: колірний зір людини - найважливіший інструмент виживання. Адже він призначений для того, щоб, скажімо, відрізнити їстівний шматок м'яса від несвіжого або симпатизувати людині з обличчям природного кольору. А так як нам пам'ятні «правильні» кольори під денним світлом, зміна освітлення і зміна кольорів зробить їжу неапетитною, а краса обличчя нездоровим.
З появою люмінесцентних джерел світла постало завдання порівнювати біле світло різних ламп, що мають одну колірну температуру, але різний спектральний склад. У загальному випадку, зрозуміло, кращим вибором буде джерело, кольору під яким виглядають так само, як під денним світлом.
Максимальне значення загального індексу передачі кольору Ra = 100. Чим воно вище і ближче до 100, тим більше даний світло придатний для задач, пов'язаних з цветоразличения і цветоузнаваніем. Іноді, щоб не пояснювати споживачеві, що таке Ra. в технічній документації це єдине значення називають CRI.
З 1964 року МКО провела значну роботу, побудувавши більш точні моделі колірного зору людини і запропонувавши кілька альтернативних систем індексів, які оцінюють якість світла і точність передачі кольору [2]. Але офіційного представлення нової методики для широкого застосування замість CRI ще не було.
Що таке біле світло
Білим світлом вважається такою, колірні координати якого лежать на кривій АЧТ або недалеко від неї (рис. 2). Зібрати біле світло можна, склавши мінімум два чисті кольори так, щоб результат цветосмешенія потрапив на потрібну точку кривої АЧТ або в її околиці. Причому значний промах вліво-вправо по кривій АЧТ не сильно впливає на видимий оком колір, тоді як навіть невелике відхилення в бік від кривої АЧТ додає кольору помітний відтінок. Янтарно-зелений при відхиленні вгору і малиновий при відхиленні вниз.
Так, кольоровість природного освітлення протягом дня змінюється дуже сильно і може виходити навіть за зазначені в стандартах межі. Але денне світло має багатий спектральний склад, і спостережувані людиною сцени залишаються кольоровими. До того ж освітленості, створювані природним світлом, настільки великі, що зір успішно адаптується до кожного значення колірної температури - будь денне світло нам здається білим. Погане ж штучне освітлення з температурою нижче 4000 К на практиці має жовтий відтінок, а з температурою вище 4000 К - синій.
Для спеціальних завдань, таких як імітація світла лампи розжарювання або корекція циркадного ритму, можна застосовувати низькі і високі колірні температури, але якщо мова йде про загальний висвітленні, доцільно використовувати нейтральний білий без кольорових відтінків. А відсутність рекомендації використовувати нейтральний білий і технологічно обумовлене невелику перевагу в ефективності джерел високої температури кольору змушує виробників нав'язувати споживачам холодний синюшний світло.
Отже, будемо вважати білим світло, що лежить строго на кривій АЧТ і має колірну температуру 4000 К.
З чого можна зібрати білий світ
На сьогодні світлодіодні технології мають у своєму розпорядженні наступними спектральними складовими:
- Випромінювання кольорових світлодіодів: порівняно вузькі піки шириною
70 нм з максимумом 500-530 нм і піки з дещо більшою шириною,
100 нм з максимумом від 530 нм до ІК.Основні рецепти білого світла
Суміш всіх кольорів веселки
Денне світло має суцільний спектр і складається з усіх кольорів веселки (рис. 3). Індекс передачі кольору Ra = 98. Те, що Ra виявився менш 100 одиниць, обумовлено недоліком методики розрахунку індексів кольору, розпорядчої при колірних температурах менше 5000 До за еталонний джерело світла брати не денне світло, а колір абсолютно чорного тіла тієї ж колірної температури. Природно, денне світло трохи відрізняється від світла АЧТ, і індекси кольору виявляються трохи нижче абсолютного максимуму. Цей приклад також показує, що немає сенсу боротися за кожен пункт загального індексу передачі кольору і доцільно орієнтуватися тільки на його приблизне значення.
Мал. 3. Денне світло, отриманий додаванням усіх кольорів веселки
RGB - три чистих кольори: червоний, зелений і синій
RGB - три піки шириною 20 нм, для прикладу з максимумами на 465, 525 і 620 нм. Загальний індекс передачі кольору Ra = 31.
RGB-білий відносно рівномірно заповнює видимий спектр, але має несподівано низьку передачу кольору (рис. 4). Таке світло спостерігачі описують як «сірий» або «брудний». Це відбувається тому, що в його складі немає важливою жовто-зеленої складової. Чутливість зору до жовто-зеленого максимальна. Відсутність даної компоненти призводить до дуже великих спотворень спостережуваних квітів і низького Ra.
Мал. 4. Трибарвний біле світло RGB (низька передача кольору через відсутність у складі найбільш важливого кольору - жовто-зеленого)
Два чистих кольору: блакитний і червоний
Відомо, що білий можна скласти як з семи (рис. 1), так і з трьох кольорів (рис. 4). Але не всі знають, що білий можна скласти з двох кольорів. Але не з довільних, а лежать по різні боки кривої випромінювання АЧТ. Наприклад з блакитного 497 і червоного 620 нм (рис. 5). Цей спектрально бідний варіант білого кольору може похвалитися рекордно низьким Ra = -47.
Мал. 5. Двокомпонентний білий з блакитного і червоного (спектрально бідний варіант білого кольору з рекордно низькою передачею кольору)
Два чистих кольори: синій і жовтий
Зібрати білий з двох кольорів можна двома способами: змішати блакитний з червоним або синій з жовтим. Синій з жовтим, для прикладу 450 і 577 нм (рис. 6), набагато цікавіше, оскільки жовтий близький до максимуму чутливості. І такий білий має вже набагато кращий, хоча і все одно дуже низький Ra = -13.
Мал. 6. Двокомпонентний білий з синього і жовтого (має більш високий Ra, ніж з блакитного і червоного, завдяки тому, що жовтий близький до максимуму чутливості ока)
Класичний рецепт білого світлодіодного світла: синій і широкий жовтий
Всі попередні варіанти припускали систему підтримки балансу струмів через кольорові діоди. Люмінофор ж, що активується синім світлом, випромінює дуже стабільно і пропорційно інтенсивності возбуждающегосінего світла. Тому крапля жовтого люмінофора ретельно підібраною концентрації на синьому кристалі дає стабільний білий світ, який в майбутньому не буде потрібно балансувати. Коли зменшиться інтенсивність світіння синього кристала, пропорціо- нально знизиться і інтенсивність світіння люмінофора, а колірний баланс збережеться і колірна суміш залишиться білою. Це і є традиційний рецепт білого світлодіодного світла (рис. 7).
Мал. 7. Класична схема цветосмешенія (вузький синій пік і відносно широкий люмінофорний жовтий)
У порівнянні з попереднім варіантом завдяки розширенню жовтого піку і додаванню в суміш жовто-зеленого і червоного індекс передачі кольору значно вище Ra = 61. Це вже «помірно-поганий» білий, який на зорі розвитку світілодіодних продавали як стандарт.
Тенденцією останніх років є використання більш складних люмі- нофоров і розширення жовтого піку, що дозволяє поліпшити передачу кольору світлодіодів, зібраних за такою схемою, до Ra> 70 і навіть до Ra> 80. Щоб зрозуміти, наскільки ця схема все ще далека від ідеалу, досить спробувати уявити жіноче обличчя з блакитними очима і червоними губами під білим світлодіодним світлом, в якому немає блакитний і червоною складових.
У розмові про двоколірних світлодіодах можна не відзначити технологію Osram EQ white, яка полягає в тому, що спільно з синім кристалом використовується більша кількість жовто-зеленого люмінофора. В результаті координати колірної суміші йдуть з кривою АЧТ і виходить не білий, а зеленувато-білий світ з прийнятною передачею кольору Ra = 65 і дуже високою ефективністю за рахунок підвищеної частки жовто-зеленої складової (рис. 8).
Мал. 8. Малюнок з технічної документації Osram (надмірна концентрація люмінофора дає світла янтарно-зелений відтінок. Передача кольору такого вже не білого світла залишається прийнятною Ra = 65, але світлова віддача збільшується)
Класика плюс вузький червоний Якщо надмірна концентрація жовто-зеленого люмінофора веде координати колірної суміші з кривою АЧТ, то додавання червоного кольору повертає суміш на криву АЧТ. Знову виходить білий світ, але вже з набагато більш високою передачею кольору. Високої кольору стає не тільки за рахунок того, що в спектрі з'являється червоний, а й завдяки тому, що використання червоного дозволяє замінити жовту складову на більш важливу жовто-зелену. Для прикладу суміш з вузького синього 450 нм, широкого жовто-зеленого 544 нм і вузького червоного 620 нм має загальний індекс передачі кольору Ra = 93 (рис. 9). Ця технологія запатентована під назвою Cree TrueWhite, а при заміні червоного на помаранчевий - Osram Brilliant Mix. І хоча світильники, побудовані за такою технологією, давно можна купити в магазині, її майбутнє туманно. Проблема в тому, що застосування не одного, а двох типів світлодіодів в одному світильнику вимагає схеми балансу струмів для повернення спливає координат колірної суміші на криву АЧТ.
Мал. 9. Застосування червоної складової знижує ефективність, але дозволяє замість жовтого люмінофора використовувати жовто-зелений, що збільшує ефективність і заодно покращує передачу кольору
Класика плюс широкий червоний
Застосування червоного люмінофора краще використання червоних світлодіодів через високу стабільності випромінювання люмінофора. Як і жовтий і жовто-зелений люмінофори, червоний випромінює пропорційно падаючому на нього синьому потоку, і якщо координати колірної суміші на криву АЧТ потрапили, далеко вони вже не попливуть. Безсумнівною перевагою, позитивно впливає на передачу кольору, є велика ширина люминофорного червоного і більш широке покриття видимого діапазону. Для прикладу суміш з вузького синього 450 нм, широкого жовто-зеленого 525 нм і широкого червоного 630 нм має загальний індекс передачі кольору Ra = 98 (рис. 10).
Більшого і бажати було б не можна, якщо не згадати про те, що залишається невеликий провал в блакитному діапазоні, і поки на світі є дівчата з блакитними очима, світлодіодним технологіям є куди розвиватися.
Мал. 10. Використання жовто-зеленого і червоного люмінофорів на синьому кристалі дозволяє отримати дуже високу передачу кольору