LED: 빛의 양보다는 질

LED 조명을 설계해 본 적이 있다면, 높은 색상 재현 지수(CRI)를 광고하는 매우 비싼 LED를 접하고, 저렴한 LED가 더 나은 선택이라고 생각했을 수 있습니다. 같은 금액으로 더 많은 광량을 넣을 수 있으니까요. 하지만, LED 조명을 설계하려고 하고 색상 재현 지수에 대해 잘 모른다면, 이것에 대해 배울 좋은 시기일 수 있습니다. 결국 LED의 색상 재현 지수가 정말 중요한가요?

응용 프로그램에 따라, 색상 재현 지수는 훌륭한 제품과 상당히 끔찍한 제품 사이의 차이를 만들 수 있습니다. 응용 프로그램이 음식, 소매 디스플레이, 사진촬영 또는 비디오 촬영을 포함한다면, 색상 재현 지수는 절대 밝기보다 훨씬 중요합니다.

저는 아마추어 사진작가로서, 개인 프로젝트에 97+ CRI의 백색 LED를 사용하여 설계하는 경향이 있습니다. 개인 프로젝트이기 때문에, 고 CRI LED와 일반 백색 LED 사이의 비용 차이는 크지 않으며, 빛이 색상을 아름답게 만들 것이라는 것을 알고 있어 만족합니다. 저와 같이 비싼 고 CRI LED를 통해 얻은 생생하고 화려한 색상을 높이 평가하는 사람은 많지 않지만, 이 글을 통해 몇 가지 테스트를 통해 이를 바꾸고자 합니다.

저는 YouTube에서 저렴한 LED 스트립을 사용하여 크고 밝은 DIY 패널 조명을 만드는 몇몇 동영상을 봤습니다. 그들이 광고하는 LED 스트립은 정말 저렴하지만, 빛의 질도 마찬가지입니다. 몇 년 전 연구실에서 일할 때, 내부 사용을 위한 LightBoard 프로젝트에 95+ CRI LED 스트립을 지정했습니다. 당시, 가장 저렴한 LED 스트립과 비교하여 거의 20배 더 비쌌던 LED 스트립의 비용에 대해 몇몇 동료들이 놀랐습니다. 하지만, 빛의 질에 대한 제 주장이 승리하여, 프로젝트는 라이트 보드에 매우 밝고 생생한 글씨를 표시하여, 저렴한 스트립이 생산할 수 있는 것을 훨씬 뛰어넘는 멋진 모습으로 완성되었습니다.

당시, 비싼 조명 스트립과 저렴한 것을 나란히 비교하여 보여줄 기회가 없었기 때문에, 대신 여기서 고품질 LED에 대한 제 사랑을 공유하기로 했습니다.

저는 Amazon으로 가서 찾을 수 있는 가장 저렴한 5미터 LED 스트립을 구매했습니다. 제가 구매한 제품은 '12V LED 리본 방수 유연한 LED 테이프 5050 SMD 300 LEDs'였습니다.

그런 다음 '고 CRI LED 스트립'을 찾기 위해 영국 조명 공급 웹사이트를 검색하기 시작했습니다. 저는 색상 재현 지수만 관심이 있었고, 밝기, 전압 또는 전류는 관심이 없었습니다. 다른 프로젝트에서 재사용할 수 있도록 주간/중성 백색 LED를 찾고 있었습니다. Amazon LED의 가격의 약 15배에 해당하는 96 CRI LED 스트립을 구매할 수 있었지만, 공급업체가 품절이었습니다. 저는 Amazon LED의 가격의 약 5배에 불과한 더 저렴한 90 CRI LED 스트립을 선택했는데, 이는 10미터 팩으로만 제공되었기 때문입니다. 저는 95+를 희망했지만 찾지 못했기 때문에, 90 CRI가 제 포인트를 만들기에 충분할 것이라고 희망했습니다.

색상 재현 지수란 무엇인가

이 시점에서, 여러분은 색상 재현 지수가 무엇이며 왜 저는 그것에 매료되었는지 궁금해하실 수 있습니다. 색상 재현 지수는 인공 백색광의 품질을 측정하는 지표로, 태양광을 100%의 금기준으로 비교 대상으로 합니다. 태양광은 우리 눈이 적응한 것이며, 우리가 보기에 매우 균일한 스펙트럼의 빛을 제공합니다. CRI는 동일한 색온도의 참조 광원과 CIE 표준 색상 샘플 범위를 비교하여 계산되며, 그 차이의 백분율을 살펴봅니다. 제 90 CRI LED 스트립은 태양에 비해 가시광선 스펙트럼의 약 10%가 누락되어 있기 때문에, 저는 95+의 것을 훨씬 더 선호했을 것입니다.

색상 재현 지수는 색온도와 독립적입니다. 저렴한 쿨 화이트 LED는 일반적으로 저렴한 주광색 온도보다 낮은 CRI를 가지는 경향이 있습니다. 왜냐하면 주광색 LED는 자연스럽게 더 많은 빨간 빛이 필요하기 때문입니다. 그러나, 좋은 품질의 쿨 화이트 LED는 제조업체에서 더 전문화된 형광성 물질이 필요하기만 하면 95+ CRI를 여전히 가질 수 있습니다.

저비용 LED는 다양한 형광성 물질의 특수 혼합이 필요하기 때문에, 일반적으로 낮은 품질의 빛 출력을 가집니다. 이는 모든 색상을 자연스럽게 볼 수 있는 모든 파장의 빛을 생성하기 위해 필요합니다. 단일 RGB LED를 사용하여 모든 다이를 한 번에 켜서 스스로 흰색 LED를 만들 수 있습니다. 이는 여러분이 직접 경험했듯이 매우 낮은 품질의 빛을 생성합니다. 왜냐하면 빛은 스펙트럼상 빨강, 초록, 파랑의 3점만 가지고 있기 때문입니다.

Zhang Junchao, 스냅샷 다중 파장 간섭 현미경. 광학 익스프레스. 26. 18279. 10.1364/OE.26.018279.

빨강, 초록, 파랑으로 보는 우리 눈에는 이것이 흰 빛처럼 보입니다. 그러나, 간단한 빨간 사과의 반사에서조차 올바르게 보이지 않습니다. 사과는 둔탁하고, 생기 없어 보이거나, 아마도 조금 병약해 보입니다. 왜냐하면 빨간 스펙트럼의 매우 작은 부분만이 그것으로부터 반사되기 때문입니다.

우리의 매우 낮은 광질 RGB 예제를 태양광과 비교하면, 왜 그것이 불량한 대체물인지 즉시 알 수 있습니다.

출처: 눈에 대한 자외선 손상 재검토: 안경용 새로운 자외선 보호 라벨, Eye-sun protection factor (E-SPF^®). 임상 안과학 (오클랜드, N.Z.). 8. 87-104. 10.2147/OPTH.S46189.

색상 재현 지수를 테스트하기 위해, 실험실은 테스트 중인 광원을 15개의 테스트 색상 샘플에 비추고, 그 반사를 측정하여 참조 광원(태양)과 비교합니다. 이것은 테스트 중인 광원이 그 색상을 얼마나 충실하게 재현할 수 있는지에 대한 R 값으로 각 색상 견본에 대해 제공됩니다. CRI는 R_a, 또는 모든 견본의 평균 반사율이므로, 일부 제조업체는 CRI를 R_a로 나열하거나 ‘단위’로 R_a를 사용할 수 있습니다.

일반적으로 95 CRI는 ‘높음’으로 간주됩니다. 그러나, 제 상대적으로 저렴한 ‘고 CRI’ LED 스트립의 제조업체가 한 것처럼, 일부 제조업체는 이를 90까지 낮출 수 있습니다. 매우 저렴한 LED 스트립은 대략 30-50 CRI이며, 그들의 흰색 LED의 CRI를 광고하지 않을 제조업체는 일반적으로 상당히 낮은 것으로 간주할 수 있습니다.

낮은 CRI 광원을 사용하면, 물체가 관찰자가 기대하는 대로 보이지 않습니다. 만약 식당이나 슈퍼마켓의 과일 코너에 조명을 설치한다면, 고객들은 음식이 기대와 다르게 보여서 품질이 떨어져 보일 수 있습니다.

사진이나 비디오 촬영용 조명을 설계할 때, 낮은 CRI 광원은 색상을 흐리게 하고, 사람들의 피부톤을 병약하게 만듭니다. 이 문제를 후반 작업에서 수정하기도 어렵습니다. 왜냐하면 카메라가 포착해야 할 빛의 파장이 단순히 존재하지 않았기 때문입니다.

테스트 설정

CRI가 무엇인지 알게 되었으니, 테스트로 돌아가겠습니다. 실험실 책상 위에 반쯤 설치된 정전기 방지 매트를 치우고 테스트 영역을 만들었습니다. 밤이고, LED와 비교적 어두운 실험실 전원 공급 장치 화면을 제외하고는 빛의 원천이 없습니다. 5미터짜리 LED 스트립 각각에서 약 900mm를 테스트에 사용했습니다.

고품질 및 저가 LED 스트립 조명을 사용한 조명 품질 테스트.

테스트 설정은 간단합니다: 제 Rigol DP832 전원 공급 장치가 각 LED 스트립을 전원을 공급하고 있으며, 한쪽 끝은 작은 삼각대에 부착되고 다른 쪽 끝은 확대 램프에 테이프로 고정되어 있습니다. 두 LED 스트립은 함께 테이프로 고정되어 있어, 두 스트립 사이에 동등한 조명이 이루어집니다. 각 테스트 대상은 두 LED 스트립으로 조명되어 촬영되며, 각각의 테스트 대상에 대해 저가 LED 스트립으로 조명된 사진과 90+ CRI LED 스트립으로 조명된 사진 두 장이 나옵니다.

제 테스트 대상은:

• 아마존에서 구입한 저가의 다채로운 색상의 색연필.
• Datacolour SpyderChecker 24 색상 보정 차트.
• 저가의 미술용 파스텔 세트.

색상 보정 차트는 후반 작업에서 사진 및 비디오의 색상을 보정하는 데 사용되는 고품질 산업 표준 차트입니다. CRI 테스트에 사용되는 색상과는 다르지만, 우리가 살펴볼 고품질 참조 색상을 제공합니다.

카메라로는 Nikon D5600을 사용하여 원시 14비트 이미지를 촬영하고, Sigma 18-35mm F/1.8 렌즈를 22mm 줌, f/6.3으로 설정했습니다. 카메라가 특정한 빨강, 초록, 파랑의 대역만 보지만, 테스트 사진을 보면 두 LED 스트립을 교체하기만 해도 맨눈으로 볼 때 차이가 훨씬 더 명확합니다. 사진은 노출이 정확하도록 편집되었고, DXO Optics Pro 11에서 색상 테스트 차트의 세 번째 회색 레벨에 맞춰 화이트 밸런스가 설정되었습니다. 테스트 사진에서 볼 수 있듯이, 저가 LED 스트립은 세 번째 회색 레벨을 넘어서기 시작했습니다.

이 테스트에서는 빛의 양에 관심이 없으므로, 테스트 대상에 빛이 고르지 않게 분포된다는 사실은 중요하지 않습니다. 우리가 관심 있는 것은 카메라가 볼 수 있는 색상입니다. 테스트 이미지에서는 두 이미지 사이의 중간 파란색의 밝기를 맞추려고 시도했습니다. 이 색상은 두 LED 스트립 모두에 의해 가장 동등하게 렌더링됩니다.

테스트 이미지

저가형 LED 스트립에 대한 내 화이트 밸런스 설정은 8675 켈빈, 색조는 -66으로 나왔습니다.

고가형 LED 스트립은 4295 켈빈(4000K로 광고됨)이며, 색조는 -43입니다.

테스트 차트

저가형 LED 스트립과 고가형 90+ CRI LED 스트립을 비교하는 테스트 차트.

각 박스의 왼쪽 상단은 저가형 LED 스트립이고, 오른쪽 하단 색상은 90+ CRI를 주장하는 고가형 LED 스트립입니다. 가장 오른쪽 상단의 두 박스는 피부색이며, 하단 행은 전체 가시 스펙트럼을 동등하게 반영해야 하는 완벽한 그레이여야 합니다.

테스트 차트에서 볼 수 있듯이, 저가형 LED 스트립에 노출된 빨간 박스는 매우 어둡습니다. 반사되는 빛이 거의 없기 때문입니다. 순수한 파란색은 두 이미지 모두 매우 유사해 보이며, 이는 좋은 화이트 밸런스와 두 이미지 간의 상당히 근접한 노출 매칭을 확인시켜 줍니다.

파스텔

오른쪽 상단의 색상이 매우 칙칙하고 생기가 없어 보입니다.

파스텔에 대해서는 테스트 차트로 결정된 동일한 화이트 밸런스 설정을 사용했습니다. 이 이미지들의 분할은 동일하며, 저가형 LED 스트립이 오른쪽 상단에, 고가형 고 CRI LED 스트립이 오른쪽 하단에 있습니다.

다시 한번, 저가형 LED 스트립에서 밝은 노란색이 매우 칙칙하고 생기가 없어 보입니다. 저가 LED 스트립 아래의 분홍색은 거의 보라색처럼 보입니다. 베이컨, 햄, 신선한 닭 가슴살이 어떻게 보일지 상상해 보세요!

색연필

대부분의 색상에서 차이는 극명합니다.

이 이미지에 대해서는 고 CRI 및 저 CRI LED 조명의 번갈아 가는 행을 선택했습니다. 저가형 LED 스트립 사진에서 카메라가 약간 기울어져 있어 색연필이 완벽하게 정렬되지는 않았지만, 비교를 위해 충분히 잘 맞아야 합니다.

이 이미지는 대부분의 파란색이 매우 유사하게 보이는 반면, 약간의 빨간색이 필요한 보라색과 분홍색은 정말 이상하게 보입니다. 노란색은 다시 한번 매우 칙칙하고 생기가 없으며, 빨간색은 매우 어둡습니다.

테스트 이미지에 대한 생각

이렇게 LED 스트립을 나란히 비교해 본 적은 없었는데, 테스트할 때의 차이가 매우 충격적이었습니다. 저가형 LED 스트립은 눈에 매우 이상하게 보이며, 같은 전류를 소비하고 있음에도 불구하고 더 비싼 스트립보다 훨씬 어둡게 보입니다. 비싼 스트립이 90 CRI에 불과함에도 불구하고, 여전히 눈에 매우 환영받고 즐거운 느낌을 줍니다. 마치 봄날, 햇빛이 너무 밝지 않지만 따뜻하기만 한 사무실에서 형광등 아래를 벗어나는 것 같은 느낌입니다. 저가형 LED 스트립은 몇 주 동안 미루어 온 보고서를 다시 작업하러 안으로 들어가는 것 같은 느낌을 줍니다.

카메라는 빛의 질에서 많은 차이를 포착하지만, 실제로 모든 것을 포착하지는 못합니다. 컴퓨터에서 이미지를 보면, 저가형 LED 스트립에서 나오는 색상이 제대로 보이지 않고 이미지가 칙칙하고 생기 없어 보입니다. 우리 눈은 카메라보다 색상을 훨씬 더 잘 인식하며, 더 완전한 광 스펙트럼은 눈에 훨씬 더 밝고 즐거워 보입니다.

이러한 감정과 느낌은 제품이 전시된 소매 고객의 제품에 대한 느낌에도 영향을 미칠 것입니다. 저가형 LED 아래에서 아름다운 물건을 매장에 전시한다면, 고품질 LED 스트립으로 비추었을 때만큼 매력적이거나 유혹적이지 않을 것입니다. 엔지니어링 회사로서 여러분의 잠재 고객은 소매점이며, 여러분의 임무는 방문객이 매장에서 구매하도록 유혹하기 위해 제품을 최대한 좋게 보이게 하는 것입니다. 만약 여러분의 장치에 저품질 조명을 대량으로 사용한다면, 매우 밝을 수는 있지만 제품을 판매하지는 못할 것입니다.

마찬가지로, 바나 레스토랑을 위한 맞춤형 조명 솔루션을 설계한다면, 소비자가 섭취하는 모든 것에서 반사되는 빛이 맛있고 맛있어 보이도록 보장하고 싶을 것입니다.

좋은 조명은 소매, 농산물, 레스토랑뿐만 아니라 중요합니다. 컬러 머신 비전용 조명을 설계하는 경우, 좋은 품질의 조명을 보장하면 컴퓨터가 더 밝고 생생한 색상으로 작업할 수 있게 되어, 결국 머신 비전 알고리즘의 품질을 향상시킬 것입니다.

결론

다음에 백색 LED를 구매할 때는, 조명을 받는 대상이 관람자에게 생생하고 아름답게 보이도록 선택지의 색상 재현 지수를 기준으로 선택하는 것을 고려해 보세요. Octopart에는 CRI에 대한 필터가 있으며, 여기를 클릭하면, Octopart가 알고 있는 90에서 100 CRI LED만을 보여주도록 모든 LED를 사전 필터링했습니다. 이제, 가격별로 정렬하고 발광 플럭스나 발광 강도에 대해 필터링을 시작할 수 있는 훌륭한 LED 목록을 갖게 되었습니다.

프로젝트에 부품을 선택할 때, 많은 경우에서 신호의 양보다는 신호의 질이 훨씬 더 중요합니다. 우리가 사용하는 많은 장치에서 신호 대 잡음 비율을 보고 예산 내에서 최고 성능 부품을 최적화합니다. 조명의 경우, 우리가 최적화하는 센서는 인간(또는 로봇!)의 눈입니다. CRI는 프로젝트에 적합한 훌륭한 LED를 선택할 때 고려해야 할 많은 요소 중 하나일 뿐이지만, 조명을 받는 대상을 볼 때 관람자의 감정과 감정에 많은 영향을 미칠 수 있기 때문에 가장 중요한 요소 중 하나일 수 있다고 생각합니다.

이 기사가 유용하다고 생각되시면, 저희 뉴스레터에 가입하세요 최신 기사를 계속 업데이트 받을 수 있습니다!