LEDs: Qualität statt Quantität des Lichts

Wenn Sie jemals LED-Beleuchtung entworfen haben, sind Sie wahrscheinlich auf einige sehr teure LEDs gestoßen, die mit einem hohen Farbwiedergabeindex (CRI) werben, und haben vielleicht gedacht, dass die billigeren LEDs besser wären, da Sie damit mehr Lichtleistung für das gleiche Geld erzielen könnten. Wenn Sie jedoch gerade dabei sind, LED-Beleuchtung zu entwerfen und nicht wirklich mit Farbwiedergabeindizes vertraut sind, dann könnte dies ein großartiger Zeitpunkt sein, um darüber zu lernen. Wie wichtig ist der Farbwiedergabeindex einer LED überhaupt?

Je nach Anwendung könnte der Farbwiedergabeindex den Unterschied zwischen einem großartigen Produkt und einem ziemlich schrecklichen ausmachen. Wenn Ihre Anwendung Lebensmittel, Einzelhandelsdisplays, Fotografie oder Videografie umfasst, dann ist der Farbwiedergabeindex absolut entscheidend, mehr noch als absolute Helligkeit.

Als Amateurfotograf neige ich dazu, persönliche Projekte mit weißen LEDs mit einem CRI von 97+ zu entwerfen. Da es sich um persönliche Projekte handelt, ist der Preisunterschied zwischen einer hochwertigen CRI-LED und einer normalen weißen LED nicht groß, und es gibt mir die Zufriedenheit zu wissen, dass das Licht die Farben schön erscheinen lassen wird. Nicht jeder hat die gleiche Wertschätzung für lebendige, kräftige Farben, die durch teure hochwertige CRI-LEDs erreicht werden, wie ich, und ich hoffe, dies durch einige Tests in diesem Artikel zu ändern.

Ich habe einige Videos auf YouTube über das Herstellen von großen, hellen DIY-Panelleuchten mit billigen LED-Streifen gesehen. Die beworbenen LED-Streifen sind tatsächlich sehr billig, jedoch ist auch die Lichtqualität schlecht. Als ich vor einigen Jahren in einem Forschungslabor arbeitete, spezifizierte ich einen Streifen von LEDs mit einem CRI von 95+ für ein LightBoard-Projekt, das intern verwendet werden sollte. Einige meiner Kollegen erschraken über die Kosten des LED-Streifens, der zu der Zeit fast 20 Mal mehr kostete als der billigste LED-Streifen gleicher Länge, der auf Online-Marktplätzen verkauft wurde. Meine Argumente für die Qualität des Lichts setzten sich durch, und das Projekt sah spektakulär aus mit sehr hellen, lebendigen Schriften auf dem LightBoard, was alles übertraf, was die billigen Streifen produzieren konnten.

Zu der Zeit hatte ich nicht die Chance, einen direkten Vergleich zwischen dem teuren Lichtstreifen und dem billigen zu demonstrieren, also beschloss ich stattdessen, meine Liebe zu hochwertigen LEDs hier zu teilen.

Ich ging zu Amazon und kaufte den billigsten 5 Meter LED-Streifen, den ich finden konnte. Mein Kauf war für „12V LED Ribbon Waterproof Flexible LED Tape 5050 SMD 300 LEDs“.

Dann begann ich, britische Beleuchtungslieferanten-Websites nach „High CRI LED-Streifen“ zu durchsuchen. Das Einzige, was mich interessierte, war der Farbwiedergabeindex, nicht Helligkeit, Spannung oder Strom. Ich hoffte, einige Tageslicht-/neutralweiße LEDs zu finden, damit ich sie in einem anderen Projekt wiederverwenden könnte. Für etwa das 15-fache des Preises der Amazon-LEDs hätte ich einige 96 CRI LED-Streifen kaufen können, aber der Lieferant war ausverkauft. Ich entschied mich für den günstigeren 90 CRI LED-Streifen, der nur etwa das 5-fache des Preises der Amazon-LEDs kostete, da er nur in einer 10-Meter-Packung erhältlich war. Ich hatte auf 95+ gehofft, aber da ich keine gefunden hatte, hoffte ich, dass 90 CRI ausreichen würden, um meinen Punkt zu machen.

Was ist Farbwiedergabeindex

An diesem Punkt fragen Sie sich vielleicht, was der Farbwiedergabeindex ist und warum ich so begeistert davon bin. Der Farbwiedergabeindex ist ein Maß für die Qualität von künstlichem weißem Licht, wobei Sonnenlicht mit 100% als Goldstandard gilt, mit dem es verglichen wird. Sonnenlicht ist das, woran unsere Augen angepasst sind, und es bietet ein sehr gleichmäßiges Spektrum an Licht, das wir sehen können. Der CRI wird berechnet, indem eine Reihe von CIE-Standardfarbproben mit einer Referenzlichtquelle derselben Farbtemperatur verglichen und dann der prozentuale Unterschied betrachtet wird. Mein 90 CRI LED-Streifen fehlen etwa 10% des sichtbaren Lichtspektrums im Vergleich zur Sonne, weshalb ich einen mit 95+ deutlich bevorzugt hätte.

Der Farbwiedergabeindex ist unabhängig von der Farbtemperatur. Eine billige kaltweiße LED wird typischerweise einen niedrigeren CRI haben als eine billige Tageslichtfarbtemperatur, da die Tageslicht-LED natürlich mehr rotes Licht benötigt. Eine hochwertige kaltweiße LED kann jedoch immer noch einen CRI von 95+ haben, da sie lediglich spezielleres phosphoreszierendes Material vom Hersteller benötigt.

Günstige LEDs neigen dazu, eine geringe Lichtqualität zu haben, da es eine spezialisierte Mischung verschiedener phosphoreszierender Materialien erfordert, um alle Wellenlängen des Lichts zu erzeugen, die benötigt werden, um alle Farben natürlich zu sehen. Sie können eine weiße LED selbst erstellen, indem Sie einfach eine einzelne RGB-LED verwenden und alle Dioden gleichzeitig einschalten. Dies erzeugt ein sehr minderwertiges Licht, wie Sie selbst erfahren haben, da das Licht nur 3 Punkte im Spektrum hat - rot, grün und blau.

Zhang Junchao, Snapshot-Mehrfachwellenlängen-Interferenzmikroskop. Optics Express. 26. 18279. 10.1364/OE.26.018279.

Für unsere Augen, die in Rot, Grün und Blau sehen, sieht dies wie weißes Licht aus. Jedoch sehen Reflexionen von etwas so Einfachem wie einem roten Apfel nicht richtig aus. Der Apfel sieht matt, leblos oder vielleicht ein wenig kränklich aus, weil nur ein kleiner Teil des roten Spektrums von ihm reflektiert wird.

Wenn wir unser sehr schlechtes Lichtqualitäts-RGB-Beispiel mit Sonnenlicht vergleichen, können Sie sofort sehen, warum es ein schlechter Ersatz ist.

Quelle: Ultraviolette Schäden am Auge revisited: Eye-sun protection factor (E-SPF^®), ein neues Ultraviolett-Schutzlabel für Brillen. Clinical ophthalmology (Auckland, N.Z.). 8. 87-104. 10.2147/OPTH.S46189.

Um den Farbwiedergabeindex zu testen, wird ein Labor die zu testende Lichtquelle auf 15 Testfarbproben scheinen lassen, deren Reflexion dann gemessen und mit der Referenzlichtquelle (der Sonne) verglichen wird. Dies ergibt einen R-Wert für jeden Farbmuster, der angibt, wie treu eine Lichtquelle unter Test diese Farbe wiedergeben kann. CRI ist der R_a, oder der durchschnittliche Reflexionswert aller Muster, daher kann CRI von einigen Herstellern als R_a aufgeführt werden, oder R_a als die 'Einheiten' verwendet werden.

Allgemein wird ein CRI von 95 als 'hoch' betrachtet. Einige Hersteller könnten dies jedoch auf 90 herunterstufen, wie der Hersteller meines relativ günstigen 'High-CRI' LED-Streifens getan hat. Sehr günstige LED-Streifen liegen bei etwa 30-50 CRI, und man kann im Allgemeinen einen Hersteller, der den CRI seiner weißen LEDs nicht bewirbt, als ziemlich schlecht betrachten.

Wenn Sie eine Lichtquelle mit niedrigem CRI verwenden, werden Objekte nicht so aussehen, wie ein Betrachter es erwartet. Wenn Sie Beleuchtung für ein Restaurant oder die Obst- und Gemüseabteilung eines Supermarkts bauen, könnten Kunden das Gefühl haben, dass das Essen nicht richtig aussieht oder vielleicht nicht sehr hochwertig ist, weil es nicht so aussieht, wie sie es erwarten.

Wenn Sie Beleuchtung für Fotografie oder Videografie entwerfen, wird eine Lichtquelle mit niedrigem CRI zu stumpfen Farben führen und Hauttöne erzeugen, die Menschen krank aussehen lassen. Es gibt auch nicht viel, was Sie in der Nachbearbeitung tun können, um dies zu korrigieren, da diese Wellenlängen des Lichts einfach nicht vorhanden waren, um von der Kamera erfasst zu werden.

Testaufbau

Jetzt, da Sie wissen, was CRI ist, kommen wir zurück zum Testen. Ich habe die antistatische Matte von meinem teilweise eingerichteten Labortisch genommen, um den Testbereich zu bilden. Es ist Nacht, und es gibt keine Lichtquelle außer den LEDs und dem relativ dunklen Bildschirm des Labornetzteils. Ich habe ungefähr 900mm LED-Streifen von jeder 5-Meter-Rolle für den Test genommen.

Testen der Lichtqualität mit hochwertigen und günstigen LED-Streifen.

Der Testaufbau ist einfach: Mein Rigol DP832 Netzteil versorgt jeden LED-Streifen mit Strom, der an einem Ende an einem kleinen Stativ befestigt und am anderen Ende an meiner Vergrößerungslampe festgeklebt ist. Beide LED-Streifen sind zusammengeklebt, sodass sie denselben Weg verfolgen, was zu einer gleichmäßigen Beleuchtung zwischen den Streifen führen wird. Jedes Testobjekt wird mit jedem LED-Streifen beleuchtet fotografiert, was zu zwei Fotos jedes Testobjekts führt, eines beleuchtet durch den günstigen LED-Streifen und eines durch den 90+ CRI LED-Streifen.

Meine Testobjekte sind:

• Günstige Buntstifte von Amazon, mit der breitestmöglichen Farbpalette.
• Eine Datacolour SpyderChecker 24 Farbkalibrierungstafel.
• Günstiges Set von Kunstpastellen.

Die Farbkalibrierungstafel ist eine hochwertige Industriestandardtafel, die für die Farbkorrektur von Foto und Video in der Nachbearbeitung verwendet wird. Es sind nicht die gleichen Farben, die für CRI-Tests verwendet werden, aber sie bietet hochwertige Referenzfarben, die wir betrachten können.

Für die Kamera verwende ich eine Nikon D5600, die rohe 14-Bit-Bilder aufnimmt, mit einem Sigma 18-35mm F/1.8 Objektiv bei 22mm Zoom, f/6.3. Während die Kamera nur ein spezifisches Band von Rot, Grün und Blau sieht, würde ich nach Betrachtung der Testfotos sagen, dass die Unterschiede beim einfachen Wechseln zwischen den beiden LED-Streifen sogar noch offensichtlicher für das bloße Auge sind. Die Fotos wurden bearbeitet, um sicherzustellen, dass die Belichtungen korrekt waren, und um den Weißabgleich auf die dritte Graustufe der Farbtesttafel in DXO Optics Pro 11 einzustellen. Wie Sie auf den Testfotos sehen werden, begann der günstige LED-Streifen über die dritte Graustufe hinaus zu kämpfen.

Da wir in diesem Test nicht an der Menge des Lichts interessiert sind, ist die Tatsache, dass das Licht nicht gleichmäßig über die Testobjekte verteilt ist, irrelevant. Wir sind nur daran interessiert, welche Farben die Kamera sehen kann. In den Testbildern habe ich versucht, die Helligkeit der mittelblauen Farben zwischen den beiden Bildern abzugleichen, da dies die Farben sind, die von beiden LED-Streifen am gleichmäßigsten wiedergegeben werden.

Testbilder

Meine Weißabgleicheinstellungen für den günstigen LED-Streifen ergaben 8675 Kelvin, mit -66 Tönung.

Der teure LED-Streifen lag bei 4295 Kelvin (beworben als 4000K) und -43 Tönung.

Testtabelle

Testtabelle zum Vergleich von günstigen LED-Streifen mit teuren 90+ CRI LED-Streifen.

In der oberen linken Ecke jedes Kastens befindet sich der günstige LED-Streifen, und die untere rechte Farbe ist der teure LED-Streifen, der behauptet, über 90+ CRI zu verfügen. Die oberen zwei Kästen ganz rechts sind Hauttöne, die untere Reihe sollte perfekte Grautöne sein, die das gesamte sichtbare Spektrum gleichmäßig reflektieren.

Man kann in der Testtabelle sehen, dass das rote Feld sehr dunkel ist, wenn es dem günstigen LED-Streifen ausgesetzt wird, da nicht viel Licht zur Reflexion zurückkommt. Die reinen Blautöne sehen für beide sehr ähnlich aus, was einen guten Weißabgleich und eine ziemlich enge Belichtungsanpassung zwischen den beiden Bildern bestätigt.

Pastelle

Beachten Sie, dass die Farben oben rechts sehr stumpf und leblos aussehen.

Für die Pastelle verwendete ich dieselben Weißabgleicheinstellungen, die mit der Testtabelle ermittelt wurden. Die Aufteilung dieser Bilder ist dieselbe, mit dem günstigen LED-Streifen oben rechts und dem teuren hochwertigen CRI LED-Streifen unten rechts.

Wieder sehen wir, dass die hellen Gelbtöne auf dem billigeren LED-Streifen sehr stumpf und leblos aussehen. Die Rosa unter dem kostengünstigen LED-Streifen sehen fast lila aus. Stellen Sie sich vor, wie Speck, Schinken oder eine frische Hähnchenbrust erscheinen würden!

Bleistifte

Der Unterschied bei den meisten Farben ist wie Tag und Nacht.

Für dieses Bild wählte ich abwechselnde Reihen von hoher CRI und niedriger CRI LED-Beleuchtung. Die Stifte waren aufgrund der leicht schiefen Kamera beim Foto des günstigen LED-Streifens nicht ganz perfekt ausgerichtet, jedoch sollten sie für einen Vergleich gut genug übereinstimmen.

Ich liebe, wie dieses Bild zeigt, dass die meisten Blautöne sehr ähnlich aussehen, während die Purpurtöne, die ein bisschen Rot benötigen, um lila zu wirken, und die Rosa, wirklich abweichen. Gelbtöne sehen wieder sehr stumpf und leblos aus, und die Rottöne sehr dunkel.

Gedanken zu den Testbildern

Ich habe noch nie zuvor LED-Streifen auf diese Weise im direkten Vergleich getestet, und der Unterschied beim Testen war sehr auffällig. Der billige LED-Streifen sieht für Ihre Augen sehr falsch aus und erscheint deutlich dunkler, selbst wenn er denselben Strom wie der teurere Streifen verbraucht. Obwohl der teure Streifen nur 90 CRI hat, sieht er dennoch sehr einladend und angenehm für die Augen aus. Es fühlt sich an, als würde man an einem Frühlingstag aus einem mit Leuchtstofflampen beleuchteten Büro treten, wenn das Sonnenlicht nicht zu hell, aber gerade warm genug ist, um angenehm zu sein. Der preiswerte LED-Streifen fühlt sich an, als würde man wieder hineingehen, um an einem Bericht zu arbeiten, den man seit Wochen aufschiebt.

Die Kamera erfasst viel von dem Unterschied in der Lichtqualität, aber sie fängt wirklich nicht alles ein. Wenn ich mir die Bilder auf meinem Computer anschaue, kann ich sehen, dass die Farben vom billigen LED-Streifen nicht ganz richtig aussehen und die Bilder trist und leblos wirken. Unsere Augen haben eine viel bessere Farbwahrnehmung als die Kamera, und das vollständigere Lichtspektrum sieht deutlich heller und angenehmer für die Augen aus.

Diese Emotionen und Gefühle würden auch die Gefühle eines Einzelhandelskunden von einem ausgestellten Produkt beeinflussen. Wenn Sie ein schönes Objekt in einem Geschäft unter dem Licht des billigen LED ausstellen würden, wäre es nicht so attraktiv oder verlockend, wie wenn es von dem hochwertigeren LED-Streifen beleuchtet würde. Als Ingenieurbüro sind Ihre potenziellen Kunden die Einzelhandelsgeschäfte; Ihre Aufgabe ist es, deren Produkte so gut wie möglich aussehen zu lassen, um Besucher zum Kauf in den Geschäften zu bewegen. Wenn Sie eine große Menge an schlechter Beleuchtung in Ihrem Gerät verwenden, könnte es sehr hell sein, aber das Produkt nicht verkaufen.

Ebenso, wenn Sie eine maßgeschneiderte Beleuchtungslösung für eine Bar oder ein Restaurant entwerfen, möchten Sie sicherstellen, dass jedes Licht, das von dem, was der Gast konsumiert, reflektiert wird, es appetitlich und schmackhaft aussehen lässt.

Gute Beleuchtung ist nicht nur für den Einzelhandel, Lebensmittel und Restaurants wichtig. Wenn Sie Beleuchtung für die Farbmachine Vision entwerfen, wird die Sicherstellung einer guten Beleuchtungsqualität dem Computer hellere, lebendigere Farben zur Verfügung stellen, mit denen gearbeitet werden kann, was wiederum die Qualität der Machine-Vision-Algorithmen verbessern wird.

Fazit

Wenn Sie das nächste Mal nach weißen LEDs suchen, sollten Sie die Auswahl basierend auf dem Farbwiedergabeindex der Optionen treffen, um sicherzustellen, dass das, was Sie beleuchten, lebendig und schön für den Betrachter aussieht. Octopart hat einen Filter für CRI, und wenn Sie hier klicken, habe ich alle LEDs, die Octopart kennt, bereits so vorgefiltert, dass nur LEDs mit 90 bis 100 CRI angezeigt werden. Jetzt haben Sie eine großartige Liste von LEDs, mit der Sie beginnen können, nach Preis zu sortieren und nach Lichtstrom oder Lichtintensität zu filtern.

Bei der Auswahl von Teilen für ein Projekt gibt es viele Male, bei denen die Signalqualität deutlich wichtiger ist als die Signalmenge. Wir betrachten das Signal-Rausch-Verhältnis in vielen Geräten, die wir verwenden, und optimieren auf die leistungsstärksten Teile, die wir in das Budget einpassen können. Wenn es um Beleuchtung geht, ist der Sensor, für den wir optimieren, das menschliche (oder robotische!) Auge. CRI ist nur einer von vielen Faktoren bei der Auswahl eines großartigen LEDs für Ihr Projekt, aber ich denke, es könnte einer der wichtigsten sein, da es so viel Einfluss auf die Gefühle und Emotionen des Betrachters beim Ansehen des beleuchteten Objekts haben kann.

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