Vũ điệu phức tạp: Phân tích mối liên hệ giữa chỉ số hoàn màu và nhiệt độ màu tương quan
Trừu tượng
Hai thông số trắc quang quan trọng-Nhiệt độ màu tương quan (CCT) và Chỉ số hoàn màu (R an hoặc CRI)-ngày càng được sử dụng để tác động đến việc lựa chọn nguồn sáng nhân tạo. Mặc dù chúng thường được thảo luận độc lập nhưng có một mối liên hệ phức tạp và thường được quan sát thấy giữa chúng: ở các CCT thấp hơn, việc đạt được CRI cao khó hơn nhiều. Nền tảng công nghệ và vật lý của mối quan hệ này được xem xét trong bài tiểu luận này. Nó mô tả cách thức phốt pho-chuyển đổi các hạn chế của công nghệ LED, các nguyên tắc cơ bản của bức xạ vật đen và các yêu cầu cụ thể của phương pháp tính toán CRI kết hợp với nhau để tạo thành trở ngại kỹ thuật đáng kể trong việc tạo ra ánh sáng ấm áp,{6}}có độ trung thực cao.
Tổng quan
Ánh sángđang được đánh giá nghiêm ngặt dựa trên chất lượng chứ không chỉ là số lượng (lumen) trong lĩnh vực thiết kế và công nghệ chiếu sáng. Đi đầu trong đánh giá định tính này là hai chỉ số: Chỉ số hoàn màu (CRI) và Nhiệt độ màu tương quan (CCT). Là thước đo độ ấm quang học hoặc độ mát của ánh sáng, CCT được biểu thị bằng Kelvins (K), trong đó các giá trị thấp hơn (như 2700K) xuất hiện "màu trắng ấm" và các giá trị cao hơn (như 5000K) xuất hiện "màu trắng mát". Ngược lại, Chỉ số kết xuất màu (CRI) định lượng mức độ một nguồn sáng có thể mô tả màu thực tế của vật thể so với nguồn tham chiếu lý tưởng hoặc tự nhiên. Độ trung thực màu sắc hoàn hảo được thể hiện bằng CRI 100.
Tạo ra nguồn ánh sáng CCT-thấp với hiệu suất rất caoCRI cao(thường trên 95) là một thách thức phổ biến, mặc dù không phải là không thể vượt qua trong ngành kinh doanh chiếu sáng. Bài viết này khám phá nguyên nhân của sự xuất hiện này bằng cách xem xét cách khuôn khổ các thước đo nhận biết màu sắc của chúng ta, tính chất hóa học của phốt pho và tính chất vật lý của ánh sáng tương tác với nhau như thế nào.
1. Vật lý cơ bản: CCT và Bộ bức xạ vật đen
Mô hình lý thuyết của bộ tản nhiệt vật đen gắn bó chặt chẽ với ý tưởng về CCT. Một vật đen phát sáng khi bị nung nóng, giải phóng một quang phổ ánh sáng không đổi thay đổi theo nhiệt độ theo cách có thể dự đoán được. Sự phát xạ chủ yếu tập trung vào các-bước sóng dài, phần màu đỏ và màu cam của quang phổ khả kiến ở nhiệt độ thấp (khoảng 2000K–3000K), với rất ít năng lượng ở vùng xanh lam và tím. Ánh sáng lạnh hơn, trắng hơn được tạo ra khi nhiệt độ tăng vì đỉnh của phổ phát xạ di chuyển về phía bước sóng ngắn hơn, lấp đầy các vùng xanh lam và tím.
Nhiệt độ của bộ bức xạ vật đen có khả năng cảm nhận màu sắc gần giống nhất với nhiệt độ của nguồn sáng được gọi là CCT. Điều quan trọng là CCT và quang phổ giống nhau đối với bóng đèn sợi đốt, về cơ bản là một vật đen gần như{1}}hoàn hảo. Điều này giải thích tại sao bóng đèn sợi đốt tạo ra quang phổ mượt mà, liên tục ở mứcCCT thấpkhoảng 2700K và CRI là 100. Hệ thống chiếu sáng trạng thái rắn-hiện đại gặp phải một vấn đề vì nó không sử dụng bức xạ nhiệt để tạo ra ánh sáng, đặc biệt là Điốt phát quang-ánh sáng trắng-được chuyển đổi bằng phốt pho (máy tính-LED).
2. Thử thách về phốt pho và cấu trúc của đèn LED trắng đương đại
PC-LED hiện là công nghệ chiếu sáng phổ biến nhất. Chip bán dẫn màu xanh lam (thường dựa trên Indium Gallium Nitride hoặc InGaN) được phủ một lớp lân quang-phát ra màu vàng, thường gặp nhất là Yttrium Aluminium Garnet pha tạp Cerium-(YAG:Ce), là thành phần cơ bản của đèn LED màu trắng thông thường. Chất lân quang bị kích thích bởi ánh sáng xanh của chip và chuyển một phần năng lượng này thành ánh sáng vàng. Ánh sáng trắng được cảm nhận là kết quả của sự phát xạ màu vàng rộng và ánh sáng xanh còn sót lại.
Tỷ lệ ánh sáng xanh và vàng xác định CCT của ánh sáng trắng này. CCT thấp (màu trắng ấm) yêu cầu tăng cường phát xạ màu vàng/đỏ và triệt tiêu đáng kể ánh sáng bơm màu xanh lam. Thông thường, điều này được thực hiện bằng cách: hấp thụ nhiều ánh sáng xanh hơn bằng cách phủ một lớp phốt pho lớn hơn, thêm nhiều phốt pho phát ra ánh sáng đỏ (chẳng hạn như phốt pho dựa trên florua hoặc nitrit.
Đây là trở ngại đáng kể đầu tiên. Mặc dù lượng phát xạ từ phốt pho YAG:Ce ban đầu rất rộng nhưng nó lại thiếu vùng màu đỏ đậm của quang phổ. Các kỹ sư phải bổ sung chất lân quang đỏ để bù đắp lượng đỏ thiếu hụt này và giảm CCT. Tuy nhiên, dải phát xạ của nhiều loại phốt pho đỏ hiệu quả là hẹp. Điều này làm giảm CCT một cách hiệu quả, nhưng nó làm như vậy bằng cách tạo ra một luồng ánh sáng đỏ đột ngột thay vì phân bố đều các bước sóng đỏ. Điều này dẫn đến sự phân bố công suất quang phổ (SPD) không liên tục và "cục mịch".
3. Tính toán CRI: Ý nghĩa của phổ mịn
Trọng tài cuối cùng của độ mịn quang phổ này là thử nghiệm CRI. Ủy ban Quốc tế về Chiếu sáng (CIE) đã xác định phương pháp này trong CIE 13.3-1995. Nó đòi hỏi phải xác định sự thay đổi hình thức của tám mẫu thử nghiệm màu pastel tiêu chuẩn (R1-R8) dưới ánh sáng của nguồn thử nghiệm so với nguồn tham chiếu của cùng một CCT.
Bộ tản nhiệt vật đen hoàn hảo đóng vai trò làm tham chiếu cho nguồn thử nghiệm dưới 5000K. Ý tưởng cơ bản thì đơn giản nhưng việc tính toán lại phức tạp: CRI tăng và độ dịch chuyển màu giảm khi SPD của nguồn thử tiếp cận đường cong Planckian trơn tru, liên tục của vật đen.
SPD có khoảng trống lớn được tạo ra bởi đèn LED -CCT thấp, phụ thuộc vào bơm màu xanh lam và sự kết hợp của photpho với lượng phát xạ có lẽ hẹp, đặc biệt là ở các vùng màu lục lam (490-520 nm) và đỏ đậm (650-680 nm). Quang phổ "gappy" này dẫn đến những thay đổi màu sắc đáng chú ý và bất thường khi nó phản ánh các màu thử nghiệm CRI. Ví dụ:
Màu xanh lam và xanh lục-sẽ có vẻ buồn tẻ và kém bão hòa nếu thiếu màu lục lam.
Các vật thể màu đỏ có thể có vẻ quá bão hòa và "giống như đèn neon{0}" với phát xạ màu đỏ nhọn, hẹp không thể mô tả một cách trung thực những khác biệt nhỏ trong sắc độ màu đỏ.
Các chỉ số cụ thể cho màu đỏ bão hòa (R9) và các màu sắc khác thường khá kém trong các thiết kế như vậy, ngay cả khi mức trung bình của tám chỉ số đầu tiên (R a) là tốt. Do đó, vấn đề cơ bản là phổ lý tưởng, liên tục cần thiết cho CRI cao thường bị buộc phải loại bỏ do nhu cầu công nghệ để tạo ra ánh sáng ấm (CCT thấp).
4. Nút thắt trong khoa học vật liệu: Việc tìm kiếm phốt pho đỏ lý tưởng
Do đó, khó khăn về mặt kỹ thuật trở thành một vấn đề của khoa học vật liệu: việc tìm kiếm chất lân quang đỏ có phổ phát xạ rộng, liên tục và hiệu suất cao. Sự phát xạ dải tần hẹp{1}}là nhược điểm của nhiều loại phốt pho đỏ thành công về mặt thương mại, đặc biệt là những loại thuộc họ nitrit và oxynitrit, được đánh giá cao nhờ hiệu suất lượng tử cao và độ ổn định.
Việc tạo ra phốt pho đỏ băng thông rộng tiết kiệm,{0}}lâu dài và hiệu quả vẫn là một thách thức lớn. Phosphorua florua, chẳng hạn như K2SiF6:Mn4+, có hiệu quả và tạo ra vạch đỏ rất hẹp, tuy nhiên chúng làm cho vấn đề khoảng cách quang phổ trở nên tồi tệ hơn. Ngoài ra, việc cân bằng một số phốt pho trong một lớp phủ duy nhất có thể làm giảm hiệu suất phát sáng tổng thể (lumen trên mỗi watt) và gây thêm các vấn đề liên quan đến tính đồng nhất của màu sắc theo thời gian và nhiệt độ. Hiệu quả và chi phí thường bị hy sinh trong quá trình tìm kiếm một giải phápCRI caoở mức CCT thấp.
5. Vượt xa CRI và triển vọng thông thường
Điều quan trọng cần nhớ là có vấn đề với chính số liệu CRI (R a). Việc nó không có khả năng dự đoán khả năng mô tả màu sắc đậm, tông màu da và tán lá tự nhiên đã khiến một số người đặt câu hỏi về sự phụ thuộc của nó chỉ vào tám màu phấn. Kết quả là các số liệu mới hơn, kỹ lưỡng hơn đã được phát triển, chẳng hạn như phương pháp TM-30-20, đánh giá độ trung thực của màu (R f) và gam màu (R g) bằng cách sử dụng 99 mẫu màu.
Những phép đo gần đây hơn này thường làm cho sai sót của các nguồn-CCT thấp, CRI-cao (như được xác định bởi R a) trở nên rõ ràng hơn. Một nguồn có xung lân quang đỏ có thể có điểm R9 cao nhưng gam màu hoặc điểm méo hình thấp. Ngành này hiện đang hướng tới các giải pháp không chỉ mang lại độ trung thực cao mà còn mang lại trải nghiệm màu sắc cân bằng và tự nhiên do nhu cầu về-ánh sáng chất lượng cao. Để cung cấp quang phổ toàn diện và liên tục hơn có thể so sánh với phổ của bóng đèn sợi đốt, ngay cả ở CCT thấp, điều này đòi hỏi các hệ thống phốt pho phức tạp có từ ba phốt pho trở lên được lựa chọn cẩn thận hoặc thậm chí các kỹ thuật cải tiến như đèn LED bơm màu tím- kích thích đồng thời phốt pho đỏ, lục và lam.
Tóm lại
Thách thức được nhận thấy trong việc đạt được CRI cao ở CCT thấp là hạn chế công nghệ mạnh mẽ bắt nguồn từ mô hình sản xuất đèn LED hiện tại chứ không phải là hạn chế về mặt vật lý. Bộ tản nhiệt vật đen, tiêu chuẩn ngành cho ánh sáng-CCT thấp, có quang phổ mượt mà, liên tục, lý tưởng cho việc hiển thị màu sắc một cách tự nhiên. Tuy nhiên, để tạo ra ánh sáng trắng,đèn LED-PC hiện đạiphải kết hợp các dải phát xạ riêng biệt từ chip xanh với các loại phốt pho khác nhau. Nếu không sử dụng phốt pho đỏ rộng, hiệu quả và bền, quá trình di chuyển cân bằng quang phổ về phía màu đỏ để tạo ra CCT ấm thường tạo ra phổ không liên tục. Theo thử nghiệm CRI chính xác, phụ thuộc vào phổ-, sự phân bổ công suất quang phổ này không mô tả đầy đủ màu sắc. Sự cân bằng-tồn tại-lâu này ngày càng được giải quyết khi khoa học vật liệu phát triển và các phép đo mới giúp chúng ta hiểu được chất lượng màu sắc, mở ra cánh cửa cho những nguồn sáng vừa chân thực đến ngoạn mục vừa ấm áp mời gọi.
Công ty TNHH Công nghệ chiếu sáng Benwei Thâm Quyến
Điện thoại: +86 0755 27186329
Điện thoại di động(+86)18673599565
Whatsapp :19113306783
E-mail:bwzm15@benweilighting.com
Skype:benweilight88
