LED: 光の量よりも質

投稿日 2019/10/10 木曜日
更新日 2024/07/1 月曜日

LED照明を設計したことがある人なら、高い色再現指数（CRI）を謳う非常に高価なLEDに遭遇したことがあるでしょう。そして、もっと安価なLEDの方が良いと考え、同じ金額でより多くの光出力を得られると思ったかもしれません。しかし、もしLED照明の設計をこれから始めるのであれば、色再現指数についてあまり知らないのであれば、これを学ぶ絶好の機会かもしれません。結局のところ、LEDの色再現指数はどれほど重要なのでしょうか？

アプリケーションによっては、色再現指数が素晴らしい製品とかなりひどい製品との違いを生むことがあります。アプリケーションが食品、小売りのディスプレイ、写真撮影、またはビデオ撮影に関わる場合、色再現指数は絶対的な明るさよりも絶対に重要です。

私はアマチュアの写真家として、個人的なプロジェクトに97以上のCRIを持つ白色LEDを使用して設計することがよくあります。個人的なプロジェクトであるため、高CRI LEDと通常の白色LEDとのコスト差は大きくなく、色を美しく見せる光が得られると知って満足しています。私が高価な高CRI LEDを通じて得られる鮮やかで生き生きとした色を評価することは、皆が同じではないかもしれませんが、この記事でのいくつかのテストを通じてこれを変えたいと思っています。

YouTubeで、安価なLEDストリップを使用して大きく明るいDIYパネルライトを作る動画をいくつか見たことがあります。彼らが宣伝するLEDストリップは確かに非常に安価ですが、光の品質も同様に低いです。数年前、研究室で働いていたとき、社内使用のLightBoardプロジェクトのために95以上のCRIを持つLEDストリップを指定しました。同僚の中には、当時、オンラインマーケットプレイスで販売されている同じ長さの最も安価なLEDストリップの約20倍ものコストがかかるLEDストリップのコストに驚く人もいました。しかし、光の品質に関する私の主張が勝ち、プロジェクトは安価なストリップでは実現できない、非常に明るく鮮やかなライトボード上の文字で見事なものになりました。

当時、高価なライトストリップと安価なものの比較を並べて示す機会はありませんでしたが、代わりにここで高品質のLEDへの愛を共有することにしました。

Amazonに行き、見つけられる中で最も安価な5メートルLEDストリップを購入しました。私の購入は「12V LEDリボン防水フレキシブルLEDテープ 5050 SMD 300 LEDs」でした。

その後、イギリスの照明供給ウェブサイトを探し回り、「高CRI LEDストリップ」を探しました。私が興味を持っていたのは色再現指数のみで、明るさ、電圧、または電流ではありませんでした。別のプロジェクトで再利用できるように、昼光/中性白色LEDを見つけることを望んでいました。AmazonのLEDの約15倍の価格で、96 CRIのLEDストリップを購入できたかもしれませんが、供給業者は在庫切れでした。10メートルパックでしか入手できなかったため、AmazonのLEDの約5倍の価格で、より安価な90 CRIのLEDストリップを選びました。95以上を望んでいましたが、見つからなかったため、90 CRIで私の主張を示すのに十分であることを願っています。

色再現指数とは

この時点で、色再現指数が何であるか、そしてなぜ私がそれに魅了されているのか疑問に思うかもしれません。色再現指数は、人工的な白色光の品質を測る指標であり、太陽光が100％で金標準と比較されます。太陽光は私たちの目が適応しているものであり、非常に均一な光のスペクトルを提供してくれます。CRIは、同じ色温度の参照光源とCIE標準色サンプルの範囲を比較し、その差のパーセンテージを見ることから計算されます。私の90 CRIのLEDストリップは、太陽と比べて可視光スペクトルの約10％が欠けているため、95以上のものをはるかに好むでしょう。

色再現指数は色温度とは独立しています。安価なクールホワイトLEDは、通常、安価な昼光色温度のLEDよりもCRIが低くなる傾向があります。なぜなら、昼光LEDは自然により多くの赤色光を必要とするからです。しかし、良質なクールホワイトLEDでも、メーカーからのより専門的な蛍光物質が必要ですが、95以上のCRIを持つことができます。

低コストのLEDは、すべての色を自然に見るために必要な光の波長を作り出すために、異なる蛍光物質の特殊なブレンドが必要であるため、低品質の光出力を傾向があります。単一のRGB LEDを使用して自分自身で白色LEDを作ることができますが、これはすべてのダイを一度にオンにすることによって行います。これは、光がスペクトル上の3点、赤、緑、青しか持たないため、非常に低品質の光を作り出します。

張俊超、スナップショット多波長干渉顕微鏡。Optics Express。26. 18279. 10.1364/OE.26.018279。

赤、緑、青で見る私たちの目には、これは白色光のように見えます。しかし、赤いリンゴなどの単純なものからの反射は正しく見えません。リンゴは鈍く、生気がない、または少し病気のように見えるかもしれません。なぜなら、それから反射する赤色スペクトルの一部が小さいからです。

非常に貧弱な光質のRGB例を太陽光と比較すると、なぜそれが貧弱な代用品であるかすぐにわかります。

出典: 紫外線による目の損傷の再評価: 眼鏡用の新しい紫外線保護ラベル、Eye-sun protection factor (E-SPF^®)。Clinical ophthalmology (Auckland, N.Z.)。8. 87-104. 10.2147/OPTH.S46189。

色再現指数をテストするために、研究所はテスト中の光源を15のテスト色サンプルに照射し、その反射を参照光源（太陽）と比較して測定します。これにより、各色のスウォッチに対するR値が与えられ、テスト中の光源がその色をどれだけ忠実に再現できるかが示されます。CRIはR_a、つまりすべてのスウォッチの平均反射であり、一部のメーカーはCRIをR_aとしてリストしたり、R_aを「単位」として使用することがあります。

一般的に、95 CRIは「高い」と考えられています。しかし、私の比較的安価な「高CRI」LEDストリップのメーカーが行ったように、一部のメーカーはこれを90まで引き下げるかもしれません。非常に安価なLEDストリップは約30-50 CRIであり、白色LEDのCRIを広告しないメーカーは一般的にかなり貧弱であると考えることができます。

低CRIの光を使用すると、物体は視聴者が期待するようには見えません。レストランやスーパーマーケットの生鮮食品売り場の照明を設計している場合、食品が期待通りに見えないため、顧客は食品が品質が低い、または見た目が悪いと感じるかもしれません。

写真やビデオ撮影用の照明を設計している場合、低CRIの光源を使用すると、色がくすんで見え、人の肌の色が病気のように見えます。これを後処理で修正することはほとんどできません。なぜなら、カメラが捉えることができる光の波長がそもそも存在しなかったからです。

テストセットアップ

CRIが何であるか理解したところで、テストに戻りましょう。私はラボデスクを部分的に設置し、アンチスタティックマットを取り除いてテストエリアを形成しました。夜であり、LEDと比較的暗いラボ電源の画面以外に光源はありません。テストのために、各5メートルのリールから約900mmのLEDストリップを取りました。

高品質と安価なLEDストリップを使用した光の品質テスト。

テストセットアップはシンプルです：私のRigol DP832電源が各LEDストリップを駆動しており、一方の端は小さな三脚に、もう一方の端は拡大ランプにテープで固定されています。両方のLEDストリップは一緒にテープで固定されているため、ストリップ間で均等な照明が得られます。各テスト対象物は、それぞれのLEDストリップの照明で撮影され、テスト対象物ごとに2枚の写真が得られます。一つは安価なLEDストリップで照らされたもの、もう一つは90+ CRIのLEDストリップで照らされたものです。

私のテスト対象物は以下の通りです：

Amazonで購入した、可能な限り広い色範囲の安価な色鉛筆。
Datacolour SpyderChecker 24色キャリブレーションチャート。
安価なアートパステルのセット。

色キャリブレーションチャートは、後処理で写真やビデオの色補正に使用される高品質な業界標準のチャートです。CRIテストに使用される色とは異なりますが、参照するための高品質な色を提供してくれます。

カメラには、Nikon D5600を使用しており、Sigma 18-35mm F/1.8レンズを22mmのズームで、f/6.3で生の14ビット画像を撮影しています。カメラは特定の赤、緑、青の帯域のみを捉えますが、テスト写真を見た後、2つのLEDストリップを切り替えるだけで、肉眼でさえも違いがさらに明らかになると言えます。写真は露出が正しいことを確認し、白バランスをDXO Optics Pro 11の色テストチャートの第3グレーレベルに設定するために編集されました。テスト写真でわかるように、安価なLEDストリップは第3グレーレベルを超えると苦戦し始めました。

このテストでは光の量に興味がないため、テスト対象物全体に光が均等に分布していないことは関係ありません。私たちが興味を持っているのは、カメラがどの色を見ることができるかです。テスト画像では、両方のLEDストリップによって最も均等にレンダリングされる中間の青色の明るさを合わせるように試みました。

テスト画像

安価なLEDストリップのホワイトバランス設定は8675ケルビンで、色合いは-66でした。

高価なLEDストリップは4295ケルビン（4000Kと宣伝されている）で、色合いは-43でした。

テストチャート

安価なLEDストリップと高価な90+ CRI LEDストリップを比較したテストチャート。

各ボックスの左上隅は安価なLEDストリップで、右下の色は90+ CRIを謳う高価なLEDストリップです。最上段の右端2つのボックスは肌色で、下段は完全なグレーであり、可視光線全体を均等に反射するべきです。

テストチャートでわかるように、安価なLEDストリップを使用すると赤いボックスが非常に暗くなります。これは、反射する光がほとんどないためです。純粋な青色は両方とも非常に似ており、良好なホワイトバランスと2つの画像間のかなり近い露出の一致を確認できます。

パステル

右上の色が非常にくすんで無生気に見えることに注意してください。

パステルについては、テストチャートで決定した同じホワイトバランス設定を使用しました。これらの画像の分割も同じで、安価なLEDストリップが右上に、高価な高CRI LEDストリップが右下にあります。

再び、安価なLEDストリップで明るい黄色が非常にくすんで無生気に見えます。低コストのLEDストリップの下のピンクはほとんど紫色に見えます。ベーコン、ハム、または新鮮な鶏の胸肉がどのように見えるか想像してみてください！

鉛筆

ほとんどの色において、その差は一目瞭然です。

この画像では、高CRIと低CRIのLED照明の交互の行を選びました。安価なLEDストリップの写真でカメラがわずかに傾いていたため、鉛筆を完璧に並べることはできませんでしたが、比較のために十分に揃えることができるはずです。

この画像が示すように、ほとんどの青色は非常に似ていますが、紫色には少し赤が必要であり、ピンク色が本当におかしく見えます。再び、黄色は非常にくすんで無生気で、赤は非常に暗いです。

テスト画像についての考察

このようなLEDストリップを並べて比較テストしたことは今までありませんでしたが、テスト時の違いは非常に衝撃的でした。安価なLEDストリップは目に非常に間違って見え、同じ電流を消費していても、より高価なストリップに比べてかなり暗く見えます。高価なストリップが90 CRIであるにもかかわらず、それでも目にとても心地よく、歓迎されるように感じます。それは、春の日に蛍光灯で照らされたオフィスから出たときのように感じます。太陽の光があまりにも明るすぎず、ただ心地よい暖かさであるような。低コストのLEDストリップは、数週間先延ばしにしていたレポートに取り組むために室内に戻るような感じです。

カメラは光の質の違いをたくさん捉えますが、本当にすべてを捉えるわけではありません。私のコンピューターで画像を見ると、安価なLEDストリップからの色があまり正しくないように見え、画像はくすんで生気がありません。私たちの目はカメラよりも色の知覚がずっと優れており、より完全な光スペクトルは目にとってかなり明るく、より心地よく見えます。

これらの感情や感覚は、展示されている製品に対する小売顧客の感情にも影響を与えるでしょう。もし安価なLEDの下で美しいオブジェクトを店内に展示していたら、高品質のLEDストリップで照らされている場合ほど魅力的で誘惑的には見えないでしょう。エンジニアリング会社として、あなたの潜在的な顧客は小売店です。店舗での購入を促すために、彼らの製品をできるだけ良く見せることがあなたの仕事です。もし、あなたのデバイスに大量の低品質の照明を使用した場合、それは非常に明るいかもしれませんが、製品を売ることはありません。

同様に、バーやレストランのための特注照明ソリューションを設計している場合、顧客が消費しているものから反射するすべての光がそれを魅力的でおいしそうに見せることを確認したいです。

良い照明は小売、農産物、レストランだけでなく、より多くの場面で重要です。色彩機械ビジョンのための照明を設計している場合、良質の照明を確保することは、コンピュータがより明るく、より鮮やかな色を扱うことができるようになり、それによって機械ビジョンアルゴリズムの品質が向上します。

結論

次に白色LEDを購入する際は、照らされた対象が視聴者にとって鮮やかで美しく見えるように、選択肢の色再現指数に基づいて選択することを検討してください。OctopartにはCRIのフィルターがあり、ここをクリックすると、Octopartが知っているLEDを90から100のCRIのLEDだけに事前フィルタリングした素晴らしいリストが表示されます。これで、価格で並べ替えたり、光束や光強度でフィルタリングしたりする素晴らしいLEDのリストが手に入りました。

プロジェクトの部品を選択する際、信号の量よりも信号の質がはるかに重要な場面が多々あります。私たちは使用する多くのデバイスで信号対雑音比を見て、予算内で最高の性能部品を最適化します。照明に関しては、最適化しているセンサーは人間（またはロボット！）の目です。CRIはプロジェクトに最適なLEDを選択する際の多くの要因の1つに過ぎませんが、照らされた対象を見る際の視聴者の感情や感覚に多大な影響を与える可能性があるため、最も重要な要因の1つであると感じます。

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