LEDs: Calidad sobre cantidad de luz

Si alguna vez has diseñado iluminación LED, probablemente te hayas encontrado con algunos LEDs muy caros que anuncian un alto Índice de Reproducción Cromática (CRI), y quizás pensaste que los LEDs más baratos serían mejores, permitiéndote incorporar más salida de luz por la misma cantidad de dinero. Sin embargo, si estás a punto de diseñar iluminación LED y realmente no estás familiarizado con los índices de reproducción cromática, entonces este podría ser un gran momento para aprender sobre ello. ¿Cuánto importa realmente el índice de reproducción cromática de un LED después de todo?

Dependiendo de tu aplicación, el índice de reproducción cromática podría marcar la diferencia entre un gran producto y uno bastante terrible. Si tu aplicación involucra alimentos, exhibiciones de venta al por menor, fotografía o videografía, entonces el índice de reproducción cromática es absolutamente vital, más aún que el brillo absoluto.

Como fotógrafo aficionado, tiendo a diseñar proyectos personales usando LEDs blancos con un CRI de 97+. Siendo proyectos personales, la diferencia de costo entre un LED de alto CRI y un LED blanco regular no es grande, y me da satisfacción saber que la luz va a hacer que los colores se vean hermosos. No todos tienen la misma apreciación por los colores vivos y vibrantes logrados a través de costosos LEDs de alto CRI que yo tengo, y espero cambiar esto a través de algunas pruebas en este artículo.

He visto algunos videos en YouTube sobre cómo hacer grandes y brillantes paneles de luz DIY usando tiras de LED baratas. Las tiras de LED que anuncian son de hecho muy baratas, sin embargo, la calidad de la luz también lo es. Cuando trabajaba en un laboratorio de investigación hace varios años, especificé una tira de LEDs con un CRI de 95+ para un proyecto de LightBoard que se iba a usar internamente. Algunos de mis colegas se asombraron del costo de la tira de LED, que, en ese momento, había costado casi 20 veces más que la tira de LED más barata de la misma longitud vendida en mercados en línea. Mis argumentos sobre la calidad de la luz prevalecieron, y el proyecto terminó luciendo espectacular con escritura muy brillante y vibrante en el tablero de luz, lo cual superó con creces cualquier cosa que las tiras baratas pudieran producir.

En ese momento, no tuve la oportunidad de demostrar con una comparación lado a lado de la tira de luz cara versus la barata, así que en su lugar, me propuse compartir mi amor por los LEDs de alta calidad aquí.

Me dirigí a Amazon y compré la tira de LED de 5 metros más barata que pude encontrar. Mi compra fue de ‘12V LED Ribbon Waterproof Flexible LED Tape 5050 SMD 300 LEDs’.

Luego comencé a buscar en sitios web de suministros de iluminación del Reino Unido por ‘tiras de LED de alto CRI’. Lo único que me interesaba era el índice de reproducción cromática, no el brillo, voltaje o corriente. Esperaba encontrar algunos LEDs de luz diurna/blanco neutro para poder reutilizarlos en otro proyecto. Por aproximadamente 15 veces el precio de los LEDs de Amazon, podría haber comprado algunas tiras de LED de 96 CRI, pero el proveedor estaba sin stock. Opté por la tira de LED de 90 CRI más barata que resultó ser solo alrededor de 5 veces el precio de los LEDs de Amazon, ya que solo venía en un paquete de 10 metros. Esperaba 95+, pero al no haber encontrado ninguno, esperaba que 90 CRI fuera suficiente para demostrar mi punto.

Qué es el Índice de Reproducción Cromática

En este punto, podrías estar preguntándote qué es el índice de reproducción cromática y por qué me tiene tan fascinado. El índice de reproducción cromática es una medida de la calidad de la luz blanca artificial, siendo la luz solar al 100% el estándar de oro con el que se compara. La luz solar es a lo que nuestros ojos están adaptados, y proporciona un espectro muy uniforme de luz para que podamos ver. El IRC se calcula comparando una gama de muestras de color estándar de la CIE con una fuente de luz de referencia de la misma temperatura de color, y luego observando el porcentaje de diferencia. Mi tira de LED de 90 IRC le falta alrededor del 10% del espectro de luz visible en comparación con el sol, razón por la cual hubiera preferido mucho una de 95+.

El índice de reproducción cromática es independiente de la temperatura de color. Un LED blanco frío barato típicamente va a tener un IRC más bajo que un LED de temperatura de color de luz diurna, ya que el LED de luz diurna naturalmente necesita más luz roja. Sin embargo, un LED blanco frío de buena calidad todavía puede tener un IRC de 95+, ya que solo requiere un material fosforescente más especializado por parte del fabricante.

Los LED de bajo costo tienden a tener una salida de luz de baja calidad, ya que requiere una mezcla especializada de diferentes materiales fosforescentes para crear todas las longitudes de onda de luz necesarias para ver todos los colores de manera natural. Puedes crear un LED blanco tú mismo usando un único LED RGB simplemente encendiendo todos los diodos al mismo tiempo. Esto crea una luz de muy baja calidad como habrás experimentado tú mismo, ya que la luz solo tiene 3 puntos en el espectro: rojo, verde y azul.

Zhang Junchao, Instantánea de microscopio de interferencia de múltiples longitudes de onda. Optics Express. 26. 18279. 10.1364/OE.26.018279.

Para nuestros ojos, que ven en rojo, verde y azul, esto parece luz blanca. Sin embargo, los reflejos en algo tan simple como una manzana roja no se ven bien. La manzana se ve opaca, sin vida, o quizás un poco enfermiza porque solo hay una pequeña parte del espectro rojo reflejándose en ella.

Si comparamos nuestro ejemplo de RGB de muy mala calidad de luz con la luz solar, puedes ver inmediatamente por qué es un pobre sustituto.

Fuente: Daño ultravioleta al ojo revisado: Factor de protección solar para el ojo (E-SPF^®), una nueva etiqueta de protección ultravioleta para gafas. Oftalmología clínica (Auckland, N.Z.). 8. 87-104. 10.2147/OPTH.S46189.

Para probar el índice de reproducción cromática, un laboratorio iluminará la fuente de luz bajo prueba sobre 15 muestras de color de prueba, cuya reflexión se mide luego y se compara con la fuente de luz de referencia (el sol). Esto da un valor R para cada muestra de color, que es cuán fielmente una fuente de luz bajo prueba puede reproducir ese color. El IRC es el R_a, o la reflexión promedio de todas las muestras, por lo que puedes ver el IRC listado como R_a por algunos fabricantes, o usando R_a como las ‘unidades’.

Generalmente, un IRC de 95 se considera ‘alto’. Sin embargo, algunos fabricantes podrían estirar esto hasta 90, como ha hecho el fabricante de mi tira de LED ‘alto IRC’ relativamente barata. Las tiras de LED muy baratas están alrededor de 30-50 IRC, y generalmente puedes considerar que un fabricante que no anuncia el IRC de sus LED blancos es bastante pobre.

Si utilizas una luz con bajo Índice de Reproducción Cromática (CRI), los objetos no se verán como el espectador espera. Si estás construyendo iluminación para un restaurante o la sección de frutas y verduras de un supermercado, los clientes podrían sentir que la comida tiene un aspecto extraño, o quizás no de muy alta calidad, porque no se ve como esperan.

Si estás diseñando iluminación para fotografía o videografía, una fuente de luz con bajo CRI resultará en colores apagados, y tonos de piel que hacen que las personas parezcan enfermas. No hay mucho que puedas hacer en postproducción para arreglar esto tampoco, ya que esas longitudes de onda de luz simplemente no estaban presentes para que la cámara las capturara.

Configuración de la Prueba

Ahora que sabes qué es el CRI, volvamos a las pruebas. He quitado la alfombrilla antiestática de mi escritorio de laboratorio parcialmente montado para formar el área de prueba. Es de noche, y no hay fuente de luz excepto los LED y la pantalla del suministro de energía del laboratorio, relativamente oscura. He tomado aproximadamente 900mm de tira de LED de cada rollo de 5 metros para la prueba.

Probando la calidad de la luz usando tiras de LED de alta calidad y baratas.

La configuración de la prueba es simple: mi fuente de alimentación Rigol DP832 está alimentando cada tira de LED, que está sujeta a un pequeño trípode en un extremo y pegada a mi lámpara de aumento en el otro extremo. Ambas tiras de LED están pegadas juntas, por lo que seguirán el mismo camino, lo que resultará en una iluminación igual entre las tiras. Cada sujeto de prueba será fotografiado con la iluminación de cada tira de LED, resultando en dos fotos de cada sujeto de prueba, una iluminada por la tira de LED barata, y otra por la tira de LED con más de 90 CRI.

Mis sujetos de prueba son:

• Lápices de colores baratos de Amazon, con la gama de colores más amplia posible.
• Una carta de calibración de color Datacolour SpyderChecker 24.
• Un conjunto barato de pasteles para arte.

La carta de calibración de color es una carta estándar de alta calidad utilizada en la industria para la corrección de color en foto y video en postproducción. No son los mismos colores utilizados para las pruebas de CRI, pero ofrece colores de referencia de alta calidad para que los miremos.

Para la cámara, estoy usando una Nikon D5600 tomando imágenes en crudo de 14 bits, con un objetivo Sigma 18-35mm F/1.8 a 22mm de zoom, f/6.3. Aunque la cámara solo ve una banda específica de rojo, verde y azul, después de mirar las fotos de prueba, diría que las diferencias al simplemente cambiar entre las dos tiras de LED son aún más evidentes a simple vista. Las fotos fueron editadas para asegurar que las exposiciones fueran correctas, y para asegurar que el balance de blancos se ajustara al tercer nivel gris de la carta de prueba de color en DXO Optics Pro 11. Como verás en las fotos de prueba, la tira de LED barata empezaba a tener dificultades más allá del tercer nivel gris.

Dado que no estamos interesados en la cantidad de luz en esta prueba, el hecho de que la luz no esté distribuida uniformemente a través de los sujetos de prueba es irrelevante. Solo nos interesa qué colores puede ver la cámara. En las imágenes de prueba, he intentado igualar el brillo de los colores azules medios entre las dos imágenes, ya que estos son los colores más igualmente representados por ambas tiras de LED.

Imágenes de la Prueba

Mis ajustes de balance de blancos para la tira LED económica resultaron ser 8675 Kelvin, con un tinte de -66.

La tira LED cara fue de 4295 Kelvin (anunciada como 4000K), y un tinte de -43.

Gráfico de Prueba

Gráfico de prueba comparando la tira LED económica con tiras LED de 90+ CRI caras.

La esquina superior izquierda de cada caja es la tira LED económica, y el color de la esquina inferior derecha es la tira LED cara que afirma tener más de 90 CRI. Las dos cajas superiores más a la derecha son tonos de piel, la fila inferior debería ser grises perfectos que reflejen todo el espectro visible por igual.

Puedes ver en el gráfico de prueba que la caja roja es muy oscura cuando se somete a la tira LED económica, ya que no hay mucha luz para reflejar. Los azules puros se ven muy similares en ambos, confirmando un buen balance de blancos y una exposición bastante cercana entre las dos imágenes.

Pasteles

Nota que los colores de la parte superior derecha se ven muy apagados y sin vida.

Para los pasteles, utilicé los mismos ajustes de balance de blancos que se determinaron con el gráfico de prueba. La división para estas imágenes es la misma, con la tira LED económica en la parte superior derecha y la tira LED de alto CRI cara en la parte inferior derecha.

De nuevo, vemos que los amarillos brillantes se ven muy apagados y sin vida en la tira LED más barata. Los rosas bajo la tira LED de bajo costo parecen casi morados. ¡Imagina cómo se verían el tocino, el jamón o una pechuga de pollo fresca!

Lápices

La diferencia para la mayoría de los colores es como de día y noche.

Para esta imagen, opté por filas alternas de iluminación LED de alto y bajo CRI. No conseguí alinear los lápices perfectamente debido a que la cámara estaba ligeramente inclinada en la foto de la tira LED económica, sin embargo, deberían alinearse lo suficientemente bien para una comparación.

Me encanta cómo esta imagen muestra que la mayoría de los azules se ven muy similares, sin embargo, los morados, que necesitan un poco de rojo para parecer morados, y los rosas, se ven realmente distintos. Los amarillos, de nuevo, se ven muy apagados y sin vida, y los rojos muy oscuros.

Reflexiones sobre las Imágenes de Prueba

Nunca había probado tiras de LED de esta manera en una comparación lado a lado antes, y la diferencia al probar fue muy impactante. La tira de LED barata se ve muy mal a tus ojos, y parece significativamente más oscura incluso cuando consume la misma corriente que la tira más cara. A pesar de que la tira cara solo tiene 90 CRI, todavía se ve y se siente muy acogedora y agradable a los ojos. Se siente como salir de una oficina iluminada con fluorescentes en un día de primavera, cuando la luz del sol no es demasiado brillante pero lo suficientemente cálida para ser agradable. La tira de LED de bajo costo se siente como volver al interior para trabajar en un informe que has estado postergando durante semanas.

La cámara capta mucha de la diferencia en calidad de luz, pero realmente no lo capta todo. Mirando las imágenes en mi computadora, puedo ver que los colores de la tira de LED barata no se ven del todo bien, y las imágenes lucen opacas y sin vida. Nuestros ojos tienen una percepción del color mucho mejor que la cámara, y el espectro de luz más completo se ve significativamente más brillante y más agradable a los ojos.

Estas emociones y sentimientos influirían también en los sentimientos de un cliente minorista de un producto que está en exhibición. Si estuvieras exhibiendo un objeto hermoso en una tienda bajo la luz del LED barato, no sería tan atractivo o tentador como si estuviera iluminado por la tira de LED de mayor calidad. Como firma de ingeniería, tus clientes potenciales son las tiendas minoristas; tu trabajo es hacer que sus productos se vean lo mejor posible para atraer a los visitantes a realizar compras en las tiendas. Si usas una gran cantidad de iluminación de mala calidad en tu dispositivo, puede ser muy brillante pero no vender el producto.

De igual manera, si estuvieras diseñando una solución de iluminación a medida para un bar o restaurante, querrías asegurarte de que cada bit de luz que se refleje en lo que el cliente está consumiendo lo haga ver apetitoso y sabroso.

Una buena iluminación importa para más que solo el comercio minorista, los productos y los restaurantes. Si estás diseñando iluminación para visión por máquina de color, asegurar que la iluminación sea de buena calidad le dará al ordenador colores más brillantes y vibrantes con los que trabajar, lo que a su vez mejorará la calidad de los algoritmos de visión por máquina.

Conclusión

La próxima vez que estés comprando LEDs blancos, considera seleccionar basándote en el índice de reproducción cromática de las opciones para asegurar que lo que estás iluminando se vea vibrante y hermoso para el espectador. Octopart tiene un filtro para CRI, y si haces clic aquí, he prefiltrado todos los LEDs que Octopart conoce para mostrar solo LEDs de 90 a 100 CRI. Ahora, tienes una gran lista de LEDs, que puedes comenzar a ordenar por precio y filtrar por flujo luminoso o intensidad luminosa.

Cuando eliges partes para un proyecto, hay muchas veces en las que la calidad de la señal es significativamente más importante que la cantidad de señal. Miramos la relación señal-ruido en muchos dispositivos que usamos, y optimizamos para las partes de mayor rendimiento que podemos ajustar al presupuesto. Cuando se trata de iluminación, el sensor que estamos optimizando es el ojo humano (¡o de robot!). CRI es solo uno de muchos factores a la hora de seleccionar un gran LED para tu proyecto, pero siento que puede ser uno de los más importantes, ya que puede influir tanto en los sentimientos y emociones del espectador al ver el sujeto iluminado.

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