LED-y: Jakość zamiast ilości światła

Jeśli kiedykolwiek projektowałeś oświetlenie LED, prawdopodobnie natknąłeś się na bardzo drogie diody LED reklamujące wysoki wskaźnik oddawania barw (CRI) i być może pomyślałeś, że tańsze diody LED będą lepsze, pozwalając na uzyskanie większej ilości światła za tę samą kwotę. Jeśli jednak dopiero zamierzasz zaprojektować oświetlenie LED i nie jesteś naprawdę zaznajomiony z indeksami oddawania barw, to może to być świetny moment, aby się o tym dowiedzieć. Jak bardzo ważny jest w końcu wskaźnik oddawania barw diody LED?

W zależności od zastosowania, wskaźnik oddawania barw może zrobić różnicę między świetnym produktem a całkiem okropnym. Jeśli twoje zastosowanie obejmuje żywność, wyświetlacze handlowe, fotografię lub wideografię, wskaźnik oddawania barw jest absolutnie kluczowy, bardziej niż absolutna jasność.

Jako amatorski fotograf, zwykle projektuję osobiste projekty używając białych diod LED o CRI 97+. Będąc projektami osobistymi, różnica w kosztach między diodą LED o wysokim CRI a zwykłą białą diodą LED nie jest duża, i daje mi to satysfakcję wiedząc, że światło sprawi, że kolory będą wyglądać pięknie. Nie każdy ma takie samo docenienie żywych, intensywnych kolorów osiągniętych przez drogie diody LED o wysokim CRI co ja, i mam nadzieję to zmienić poprzez kilka testów w tym artykule.

Widziałem kilka filmów na YouTube o tworzeniu dużych, jasnych paneli świetlnych DIY używając tanich pasków LED. Reklamowane paski LED są rzeczywiście bardzo tanie, jednak jakość światła również. Kiedy kilka lat temu pracowałem w laboratorium badawczym, określiłem pasek diod LED o CRI 95+ dla projektu LightBoard, który miał być używany wewnętrznie. Niektórzy moi koledzy byli zszokowani kosztem paska LED, który w tamtym czasie kosztował prawie 20 razy więcej niż najtańszy pasek LED tej samej długości sprzedawany na internetowych rynkach. Moje argumenty dotyczące jakości światła przeważyły, i projekt skończył wyglądając spektakularnie z bardzo jasnym, żywym pismem na tablicy świetlnej, co daleko przewyższało cokolwiek, co mogły wyprodukować tanie paski.

W tamtym czasie nie miałem okazji zademonstrować porównania boku przy boku drogiego paska świetlnego w stosunku do taniego, więc zamiast tego postanowiłem podzielić się tutaj moją miłością do wysokiej jakości diod LED.

Udałem się na Amazon i zakupiłem najtańszy 5-metrowy pasek LED jaki mogłem znaleźć. Mój zakup dotyczył '12V LED Ribbon Waterproof Flexible LED Tape 5050 SMD 300 LEDs'.

Następnie zacząłem przeszukiwać brytyjskie strony internetowe z zaopatrzeniem oświetleniowym za 'paskami LED o wysokim CRI'. Jedyną rzeczą, która mnie interesowała, był wskaźnik oddawania barw, nie jasność, napięcie czy prąd. Miałem nadzieję znaleźć jakieś diody LED o barwie dziennej/neutralnej, abym mógł wykorzystać je w innym projekcie. Za około 15 razy cenę diod LED z Amazona, mógłbym zakupić paski LED o CRI 96, ale dostawca nie miał ich na stanie. Zdecydowałem się na tańszy pasek LED o CRI 90, który kosztował tylko około 5 razy więcej niż diody LED z Amazona, ponieważ był dostępny tylko w opakowaniu 10-metrowym. Miałem nadzieję na CRI 95+, ale nie znalazłszy takich, miałem nadzieję, że CRI 90 wystarczy, aby udowodnić moją tezę.

Co to jest wskaźnik oddawania barw

W tym momencie możesz się zastanawiać, czym jest wskaźnik oddawania barw i dlaczego tak bardzo mnie on fascynuje. Wskaźnik oddawania barw to miara jakości sztucznego białego światła, przy czym światło słoneczne na poziomie 100% jest złotym standardem, do którego jest porównywane. Światło słoneczne jest tym, do czego przystosowane są nasze oczy i zapewnia bardzo równomierny spektrum światła, które widzimy. CRI jest obliczany poprzez porównanie szeregu standardowych próbek kolorów CIE z referencyjnym źródłem światła o tej samej temperaturze barwowej, a następnie analizę procentowej różnicy. Moja taśma LED o CRI 90 brakuje około 10% widzialnego spektrum światła w porównaniu do słońca, dlatego wolałbym mieć taśmę o CRI 95+.

Wskaźnik oddawania barw jest niezależny od temperatury barwowej. Tani chłodny biały LED zwykle będzie miał niższy CRI niż tani LED o temperaturze barwowej światła dziennego, ponieważ LED imitujący światło dzienne naturalnie wymaga więcej czerwonego światła. Jednak dobrej jakości chłodny biały LED może nadal mieć CRI 95+, ponieważ wymaga to tylko bardziej specjalistycznego fosforescencyjnego materiału od producenta.

Tanie diody LED mają tendencję do posiadania światła niskiej jakości, ponieważ wymagają one specjalnej mieszanki różnych fosforescencyjnych materiałów, aby stworzyć wszystkie długości fal światła potrzebne do naturalnego widzenia wszystkich kolorów. Możesz stworzyć białą diodę LED samodzielnie, używając pojedynczej diody RGB, po prostu włączając wszystkie matryce naraz. Tworzy to światło bardzo niskiej jakości, jak sam mógłś doświadczyć, ponieważ światło to ma tylko 3 punkty na spektrum - czerwony, zielony i niebieski.

Zhang Junchao, Zdjęcie z mikroskopu interferencyjnego o wielu długościach fal. Optics Express. 26. 18279. 10.1364/OE.26.018279.

Dla naszych oczu, które widzą w czerwieni, zieleni i niebieskim, to wygląda jak białe światło. Jednak odbicia od czegoś tak prostego jak czerwone jabłko nie wyglądają dobrze. Jabłko wygląda na matowe, bez życia, a może nawet trochę chore, ponieważ odbija się od niego tylko mała część spektrum czerwonego.

Jeśli porównamy nasz bardzo słaby przykład światła RGB do światła słonecznego, od razu widać, dlaczego jest to słaby substytut.

Źródło: Ponowne rozważenie uszkodzeń oka przez promieniowanie ultrafioletowe: współczynnik ochrony oka przed słońcem (E-SPF^®), nowa etykieta ochrony przed promieniowaniem ultrafioletowym dla okularów. Clinical ophthalmology (Auckland, N.Z.). 8. 87-104. 10.2147/OPTH.S46189.

Aby przetestować wskaźnik oddawania barw, laboratorium świeci testowanym źródłem światła na 15 próbkach testowych kolorów, a następnie mierzy i porównuje odbicie z referencyjnym źródłem światła (słońcem). Daje to wartość R dla każdej próbki koloru, która pokazuje, jak wiernie testowane źródło światła może oddać ten kolor. CRI to R_a, czyli średnie odbicie wszystkich próbek, więc niektórzy producenci mogą podawać CRI jako R_a lub używać R_a jako „jednostek”.

Generalnie CRI na poziomie 95 jest uważany za „wysoki”. Jednak niektórzy producenci mogą to obniżyć do 90, jak zrobił producent mojej stosunkowo taniej taśmy LED o „wysokim CRI”. Bardzo tanie taśmy LED mają CRI na poziomie 30-50, i generalnie można uznać, że producent, który nie reklamuje CRI swoich białych diod LED, jest raczej słaby.

Jeśli używasz światła o niskim wskaźniku oddawania barw (CRI), przedmioty nie będą wyglądały tak, jak oczekuje widz. Jeśli tworzysz oświetlenie dla restauracji lub działu warzywnego w supermarkecie, klienci mogą czuć, że jedzenie wygląda nieapetycznie, lub być może nie jest wysokiej jakości, ponieważ nie wygląda tak, jak się spodziewają.

Jeśli projektujesz oświetlenie do fotografii lub wideografii, źródło światła o niskim CRI spowoduje, że kolory będą matowe, a odcienie skóry sprawią, że ludzie będą wyglądać na chorych. Nie ma też wiele, co można zrobić w postprodukcji, aby to naprawić, ponieważ te długości fal światła po prostu nie były obecne, aby kamera mogła je uchwycić.

Ustawienia testu

Teraz, gdy już wiesz, czym jest CRI, wróćmy do testowania. Zdjąłem matę antystatyczną z mojego częściowo przygotowanego biurka laboratoryjnego, aby utworzyć obszar testowy. Jest noc, i nie ma żadnego źródła światła oprócz diod LED i stosunkowo ciemnego ekranu zasilacza laboratoryjnego. Wziąłem około 900mm paska LED z każdej rolki o długości 5 metrów do testu.

Testowanie jakości światła przy użyciu wysokiej jakości i tanich pasków LED.

Ustawienie testu jest proste: moje zasilanie Rigol DP832 zasila każdy pasek LED, który jest przymocowany na jednym końcu do małego statywu, a na drugim końcu do mojej lampy z lupą. Oba paski LED są przymocowane razem, więc śledzą tę samą ścieżkę, co będzie skutkować równym oświetleniem między paskami. Każdy obiekt testowy będzie fotografowany przy oświetleniu każdym z pasków LED, co skutkuje dwoma zdjęciami każdego obiektu testowego, jednym oświetlonym tanim paskiem LED, a drugim oświetlonym paskiem LED o CRI 90+.

Moimi obiektami testowymi są:

• Tanie kredki z Amazona, z możliwie najszerszą gamą kolorów.
• Karta kalibracyjna kolorów Datacolour SpyderChecker 24.
• Tani zestaw pasteli artystycznych.

Karta kalibracyjna kolorów to wysokiej jakości standardowy wykres branżowy używany do korekty kolorów na zdjęciach i wideo w postprodukcji. To nie są te same kolory używane do testowania CRI, ale oferuje wysokiej jakości kolory referencyjne, na które możemy patrzeć.

Do zdjęć używam aparatu Nikon D5600, który robi surowe zdjęcia 14-bitowe, z obiektywem Sigma 18-35mm F/1.8 ustawionym na 22mm zoomu, f/6.3. Chociaż aparat widzi tylko określone pasmo czerwieni, zieleni i niebieskiego, po obejrzeniu zdjęć testowych, powiedziałbym, że różnice przy przełączaniu między dwoma paskami LED są jeszcze bardziej widoczne gołym okiem. Zdjęcia zostały edytowane, aby zapewnić poprawne ekspozycje i aby ustawić balans bieli na trzeci szary poziom karty testowej kolorów w DXO Optics Pro 11. Jak zobaczysz na zdjęciach testowych, tani pasek LED zaczął mieć problemy poza trzecim szarym poziomem.

Ponieważ w tym teście nie interesuje nas ilość światła, fakt, że światło nie jest równomiernie rozłożone na obiektach testowych, jest nieistotny. Interesują nas tylko kolory, które może zobaczyć kamera. Na zdjęciach testowych próbowałem dopasować jasność kolorów średniego niebieskiego między dwoma zdjęciami, ponieważ to są kolory najbardziej równo renderowane przez oba paski LED.

Zdjęcia testowe

Moje ustawienia balansu bieli dla taniej taśmy LED wyniosły 8675 Kelwinów, z odcieniem -66.

Droższa taśma LED miała 4295 Kelwinów (reklamowana jako 4000K) i odcień -43.

Wykres testowy

Wykres testowy porównujący tanią taśmę LED z drogimi taśmami LED o CRI 90+.

W lewym górnym rogu każdego pola jest tania taśma LED, a w prawym dolnym kolorze jest droga taśma LED, która twierdzi, że ma CRI 90+. Dwa najbardziej prawe pola na górze to kolory skóry, dolny rząd powinien być idealnymi szarościami, które odbijają całe widzialne spektrum równomiernie.

Można zauważyć na wykresie testowym, że czerwone pole jest bardzo ciemne, gdy jest poddane działaniu taniej taśmy LED, ponieważ nie ma zbyt dużo światła do odbicia. Czyste błękity wyglądają bardzo podobnie dla obu, potwierdzając dobry balans bieli i dość bliskie dopasowanie ekspozycji między dwoma obrazami.

Pastele

Zauważ, że kolory w prawym górnym rogu wyglądają bardzo mdło i bez życia.

Do pasteli użyłem tych samych ustawień balansu bieli, które zostały ustalone na podstawie wykresu testowego. Podział dla tych obrazów jest taki sam, z tanim paskiem LED w prawym górnym rogu i drogim paskiem LED o wysokim CRI w prawym dolnym rogu.

Znowu widzimy, że jasne żółcienie wyglądają bardzo mdło i bez życia na tańszej taśmie LED. Różowe kolory pod taśmą LED niskiej jakości wyglądają prawie na fioletowe. Wyobraź sobie, jak wyglądałyby bekon, szynka czy świeża pierś z kurczaka!

Kredki

Różnica dla większości kolorów jest jak dzień i noc.

Do tego obrazu zdecydowałem się na naprzemienne rzędy oświetlenia LED o wysokim i niskim CRI. Nie udało mi się idealnie wyrównać kredek z powodu lekkiego przechylenia kamery na zdjęciu z tanim paskiem LED, jednak powinny one wystarczająco dobrze się dopasować do porównania.

Uwielbiam, jak na tym obrazie większość błękitów wygląda bardzo podobnie, jednak fiolety, które potrzebują trochę czerwieni, by wyglądać na fioletowe, i różowe, wyglądają naprawdę źle. Żółcienie, znowu, wyglądają bardzo mdło i bez życia, a czerwienie bardzo ciemno.

Przemyślenia na temat obrazów testowych

Nigdy wcześniej nie testowałem pasków LED w takim bezpośrednim porównaniu, a różnica podczas testowania była bardzo zaskakująca. Tani pasek LED wygląda bardzo źle dla oczu i jest znacznie ciemniejszy, nawet gdy zużywa taki sam prąd jak droższy pasek. Pomimo że droższy pasek ma tylko 90 CRI, nadal wygląda i czuje się bardzo przyjemnie i przytulnie dla oczu. To uczucie jak wyjście z biura oświetlonego światłem fluorescencyjnym w wiosenny dzień, kiedy słońce nie jest zbyt jasne, ale na tyle ciepłe, by było przyjemne. Tani pasek LED sprawia wrażenie powrotu do środka, aby pracować nad raportem, który odkładałeś od tygodni.

Aparat fotograficzny uchwycił dużo różnic w jakości światła, ale naprawdę nie uchwycił tego w pełni. Patrząc na zdjęcia na moim komputerze, widzę, że kolory z taniego paska LED nie wyglądają do końca dobrze, a obrazy wydają się matowe i bez życia. Nasze oczy mają znacznie lepsze postrzeganie kolorów niż aparat, a bardziej kompletny spektrum światła wygląda znacznie jaśniej i przyjemniej dla oczu.

Te emocje i uczucia wpłynęłyby również na odczucia klienta detalicznego produktu wystawionego na widok. Gdybyś wystawiał piękny obiekt w sklepie pod światłem taniego LED, nie byłby tak atrakcyjny ani kuszący, jak gdyby był oświetlony przez pasek LED lepszej jakości. Jako firma inżynieryjna, potencjalnymi klientami są sklepy detaliczne; twoim zadaniem jest sprawić, by ich produkty wyglądały jak najlepiej, aby zachęcić odwiedzających do dokonywania zakupów w sklepach. Jeśli użyjesz dużej ilości oświetlenia słabej jakości w swoim urządzeniu, może być bardzo jasne, ale nie sprzeda produktu.

Podobnie, jeśli projektujesz specjalistyczne rozwiązanie oświetleniowe dla baru lub restauracji, chcesz upewnić się, że każdy promień światła odbijający się od tego, co konsumuje klient, sprawia, że wygląda to apetycznie i smakowicie.

Dobre oświetlenie ma znaczenie nie tylko dla handlu detalicznego, produktów i restauracji. Jeśli projektujesz oświetlenie do wizji maszynowej w kolorze, zapewnienie dobrej jakości oświetlenia pozwoli komputerowi pracować z jaśniejszymi, bardziej żywymi kolorami, co z kolei poprawi jakość algorytmów wizji maszynowej.

Wnioski

Następnym razem, gdy będziesz kupować białe diody LED, rozważ wybór na podstawie indeksu oddawania barw (CRI) dostępnych opcji, aby to, co oświetlasz, wyglądało żywo i pięknie dla obserwatora. Octopart posiada filtr dla CRI, i jeśli klikniesz tutaj, przygotowałem filtr dla wszystkich diod LED, o których wie Octopart, aby pokazać tylko diody LED z CRI od 90 do 100. Teraz masz świetną listę diod LED, którą możesz zacząć sortować według ceny i filtrować pod kątem strumienia świetlnego lub intensywności świetlnej.

Wybierając części do projektu, wiele razy jakość sygnału jest znacznie ważniejsza niż jego ilość. Patrzymy na stosunek sygnału do szumu w wielu urządzeniach, których używamy, i optymalizujemy pod kątem najwyższej wydajności części, które możemy dopasować do budżetu. Jeśli chodzi o oświetlenie, czujnikiem, dla którego optymalizujemy, jest ludzkie (lub robotyczne!) oko. CRI to tylko jeden z wielu czynników przy wyborze świetnej diody LED do Twojego projektu, ale uważam, że może być jednym z najważniejszych, ponieważ może mieć tak duży wpływ na uczucia i emocje obserwatora podczas oglądania oświetlonego przedmiotu.

Jeśli ten artykuł okazał się przydatny, zapisz się do naszego newslettera, aby być na bieżąco z naszymi najnowszymi artykułami!