LEDs: Qualidade em Vez de Quantidade de Luz

Se você já projetou iluminação LED, provavelmente se deparou com alguns LEDs muito caros anunciando um alto Índice de Reprodução de Cor (CRI), e talvez tenha pensado que os LEDs mais baratos seriam melhores, permitindo que você incluísse mais saída de luz pelo mesmo valor. No entanto, se você está prestes a projetar iluminação LED e não está realmente familiarizado com índices de reprodução de cor, então este pode ser um ótimo momento para aprender sobre isso. Afinal, quanto realmente importa o índice de reprodução de cor de um LED?

Dependendo da sua aplicação, o índice de reprodução de cor pode fazer a diferença entre um ótimo produto e um bastante ruim. Se a sua aplicação envolve alimentos, expositores de varejo, fotografia ou videografia, então o índice de reprodução de cor é absolutamente vital, mais do que a luminosidade absoluta.

Como um fotógrafo amador, tendo a projetar projetos pessoais usando LEDs brancos com CRI de 97+. Sendo projetos pessoais, a diferença de custo entre um LED de alto CRI e um LED branco regular não é grande, e me dá satisfação saber que a luz vai fazer as cores parecerem bonitas. Nem todos têm a mesma apreciação por cores vivas e vibrantes alcançadas através de LEDs de alto CRI caros que eu tenho, e espero mudar isso através de alguns testes neste artigo.

Eu vi alguns vídeos no YouTube sobre como fazer grandes e brilhantes painéis de luz DIY usando fitas de LED baratas. As fitas de LED que eles anunciam são de fato muito baratas, no entanto, a qualidade da luz também é. Quando eu estava trabalhando em um laboratório de pesquisa vários anos atrás, eu especifiquei uma fita de LEDs com CRI de 95+ para um projeto de LightBoard que seria usado internamente. Alguns dos meus colegas se assustaram com o custo da fita de LED, que, na época, custava quase 20 vezes mais do que a fita de LED mais barata do mesmo comprimento vendida em mercados online. Meus argumentos pela qualidade da luz prevaleceram, e o projeto acabou ficando espetacular com escritas muito brilhantes e vibrantes no quadro de luz, o que superou em muito qualquer coisa que as fitas baratas pudessem produzir.

Na época, eu não tive a chance de demonstrar com uma comparação lado a lado da fita de luz cara versus a barata, então, em vez disso, decidi compartilhar meu amor por LEDs de alta qualidade aqui.

Fui até a Amazon e comprei a fita de LED de 5 metros mais barata que pude encontrar. Minha compra foi de ‘Fita de LED 12V à prova d'água flexível LED Tape 5050 SMD 300 LEDs’.

Então comecei a procurar em sites de fornecimento de iluminação do Reino Unido por ‘Fitas de LED de alto CRI’. A única coisa que me interessava era o índice de reprodução de cor, não a luminosidade, voltagem ou corrente. Eu esperava encontrar alguns LEDs brancos neutros/diurnos para que eu pudesse reutilizá-los em outro projeto. Por cerca de 15 vezes o preço dos LEDs da Amazon, eu poderia ter comprado algumas fitas de LED com CRI de 96, mas o fornecedor estava sem estoque. Optei pela fita de LED de CRI 90 mais barata, que saiu por apenas cerca de 5 vezes o preço dos LEDs da Amazon, já que só vinha em um pacote de 10 metros. Eu esperava por 95+, mas não tendo encontrado, esperava que 90 CRI fosse suficiente para provar meu ponto.

O que é Índice de Reprodução de Cor

Neste ponto, você pode estar se perguntando o que é o índice de reprodução de cor e por que estou tão encantado com ele. O índice de reprodução de cor é uma medida da qualidade da luz branca artificial, sendo a luz solar a 100% o padrão ouro com o qual é comparada. A luz solar é à qual nossos olhos estão adaptados, e ela fornece um espectro de luz muito uniforme para nós vermos. O IRC é calculado comparando uma gama de amostras de cores padrão CIE com uma fonte de luz de referência da mesma temperatura de cor, e então observando a porcentagem de diferença. Minha fita de LED de 90 IRC está perdendo cerca de 10% do espectro de luz visível em comparação com o sol, e é por isso que eu teria preferido muito mais uma de 95+.

O índice de reprodução de cor é independente da temperatura de cor. Um LED branco frio barato normalmente vai ter um IRC mais baixo do que um LED de temperatura de cor de luz do dia, já que o LED de luz do dia naturalmente precisa de mais luz vermelha. No entanto, um LED branco frio de boa qualidade ainda pode ter um IRC de 95+, pois apenas requer um material fosforescente mais especializado do fabricante.

LEDs de baixo custo tendem a ter uma saída de luz de baixa qualidade, pois requer uma mistura especializada de diferentes materiais fosforescentes para criar todos os comprimentos de onda de luz necessários para ver todas as cores naturalmente. Você pode criar um LED branco você mesmo usando um único LED RGB simplesmente ligando todos os diodos ao mesmo tempo. Isso cria uma luz de muito baixa qualidade, como você mesmo deve ter experimentado, pois a luz só tem 3 pontos no espectro - vermelho, verde e azul.

Zhang Junchao, Instantâneo de microscópio de interferência multi-comprimento de onda. Optics Express. 26. 18279. 10.1364/OE.26.018279.

Para nossos olhos, que veem em vermelho, verde e azul, isso parece luz branca. No entanto, reflexos em algo tão simples quanto uma maçã vermelha não parecem corretos. A maçã parece opaca, sem vida, ou talvez um pouco doente, porque há apenas uma pequena parte do espectro vermelho refletindo de volta dela.

Se compararmos nosso exemplo de RGB de qualidade de luz muito pobre com a luz solar, você pode ver imediatamente por que é um substituto pobre.

Fonte: Dano ultravioleta ao olho revisado: Fator de proteção solar para os olhos (E-SPF^®), um novo rótulo de proteção ultravioleta para óculos. Clinical ophthalmology (Auckland, N.Z.). 8. 87-104. 10.2147/OPTH.S46189.

Para testar o índice de reprodução de cor, um laboratório irá iluminar a fonte de luz em teste em 15 amostras de cores de teste, cuja reflexão é então medida e comparada à fonte de luz de referência (o sol). Isso dá um valor R para cada amostra de cor, que é o quão fielmente uma fonte de luz em teste pode renderizar aquela cor. O IRC é o R_a, ou a reflexão média de todas as amostras, então você pode ver o IRC listado como R_a por alguns fabricantes, ou usando R_a como as ‘unidades’.

Geralmente, 95 IRC é considerado ‘alto’. No entanto, alguns fabricantes podem estender isso para 90, como o fabricante da minha fita de LED ‘alto IRC’ relativamente barata fez. Fitas de LED muito baratas estão em torno de 30-50 IRC, e você pode geralmente considerar um fabricante que não anuncia o IRC de seus LEDs brancos como sendo bastante pobre.

Se você usar uma luz com baixo Índice de Reprodução de Cor (CRI), os objetos não parecerão como o espectador espera. Se você está construindo iluminação para um restaurante ou a seção de frutas e verduras de um supermercado, os clientes podem sentir que a comida parece estranha, ou talvez não de muito alta qualidade, porque não parece como eles esperam.

Se você está projetando iluminação para fotografia ou videografia, uma fonte de luz com baixo CRI resultará em cores opacas e tons de pele que fazem as pessoas parecerem doentes. Não há muito o que fazer na pós-produção para corrigir isso também, já que esses comprimentos de onda de luz simplesmente não estavam presentes para a câmera capturar.

Configuração do Teste

Agora que você sabe o que é CRI, vamos voltar aos testes. Eu retirei o tapete antiestático da minha mesa de laboratório parcialmente montada para formar a área de teste. É noite, e não há fonte de luz exceto os LEDs e a tela relativamente escura da fonte de alimentação do laboratório. Eu peguei aproximadamente 900mm de fita de LED de cada rolo de 5 metros para o teste.

Testando a qualidade da luz usando fitas de LED de alta qualidade e baratas.

A configuração do teste é simples: minha fonte de alimentação Rigol DP832 está alimentando cada fita de LED, que está presa a um pequeno tripé em uma extremidade e colada à minha lâmpada de aumento na outra extremidade. Ambas as fitas de LED estão coladas juntas, então elas seguem o mesmo caminho, o que resultará em iluminação igual entre as fitas. Cada objeto de teste será fotografado com cada iluminação de fita de LED, resultando em duas fotos de cada objeto de teste, uma iluminada pela fita de LED barata, e outra pela fita de LED com mais de 90 CRI.

Meus objetos de teste são:

• Lápis de cor baratos da Amazon, com a maior gama de cores possível.
• Um gráfico de calibração de cores Datacolour SpyderChecker 24.
• Um conjunto barato de pastéis para arte.

O gráfico de calibração de cores é um gráfico padrão da indústria de alta qualidade que é usado para correção de cores em foto e vídeo na pós-produção. Não são as mesmas cores usadas para testes de CRI, mas oferece cores de referência de alta qualidade para nós observarmos.

Para a câmera, estou usando uma Nikon D5600 tirando imagens raw de 14 bits, com uma lente Sigma 18-35mm F/1.8 a 22mm de zoom, f/6.3. Enquanto a câmera só vê uma banda específica de vermelho, verde e azul, após olhar as fotos do teste, eu diria que as diferenças apenas trocando entre as duas fitas de LED são ainda mais aparentes a olho nu. As fotos foram editadas para garantir que as exposições estavam corretas, e para garantir que o balanço de branco foi ajustado para o terceiro nível cinza do gráfico de teste de cores em DXO Optics Pro 11. Como você verá nas fotos de teste, a fita de LED barata começou a ter dificuldades além do terceiro nível cinza.

Uma vez que não estamos interessados na quantidade de luz neste teste, o fato de a luz não ser distribuída uniformemente pelos objetos de teste é irrelevante. Estamos apenas interessados nas cores que a câmera pode ver. Nas imagens de teste, tentei igualar o brilho das cores azuis médias entre as duas imagens, pois estas são as cores mais igualmente renderizadas por ambas as fitas de LED.

Imagens do Teste

Minhas configurações de balanço de branco para a faixa de LED barata resultaram em 8675 Kelvin, com -66 de matiz.

A faixa de LED cara estava em 4295 Kelvin (anunciada como 4000K), e -43 de matiz.

Gráfico de Teste

Gráfico de teste comparando faixa de LED barata com faixas de LED de 90+ CRI caras.

O canto superior esquerdo de cada caixa é a faixa de LED barata, e a cor no canto inferior direito é a faixa de LED cara que afirma ter 90+ CRI. As duas caixas mais à direita na parte superior são tons de pele, a fila inferior deveria ser cinzas perfeitos que refletem todo o espectro visível igualmente.

Você pode ver no gráfico de teste que a caixa vermelha é muito escura quando submetida à faixa de LED barata, pois não há muita luz para refletir de volta. Os azuis puros parecem muito semelhantes para ambos, confirmando um bom balanço de branco e uma correspondência de exposição bastante próxima entre as duas imagens.

Pastéis

Perceba que as cores no canto superior direito parecem muito sem vida e desbotadas.

Para os pastéis, usei as mesmas configurações de balanço de branco que foram determinadas com o gráfico de teste. A divisão para estas imagens é a mesma, com a faixa de LED barata no canto superior direito e a faixa de LED de alto CRI cara no canto inferior direito.

Novamente, vemos que os amarelos brilhantes parecem muito sem vida e desbotados na faixa de LED mais barata. Os rosas sob a faixa de LED de baixo custo parecem quase roxos. Imagine como bacon, presunto ou um peito de frango fresco apareceriam!

Lápis

A diferença para a maioria das cores é como dia e noite.

Para esta imagem, optei por alternar fileiras de iluminação LED de alto e baixo CRI. Não consegui alinhar os lápis perfeitamente devido à câmera estar ligeiramente inclinada na foto da faixa de LED barata, no entanto, eles devem se alinhar bem o suficiente para uma comparação.

Adoro como esta imagem mostra que a maioria dos azuis parece muito semelhante, no entanto, os roxos, que precisam de um pouco de vermelho para parecerem roxos, e os rosas, parecem realmente diferentes. Os amarelos, novamente, parecem muito sem vida e desbotados, e os vermelhos muito escuros.

Considerações sobre as Imagens de Teste

Nunca havia testado faixas de LED lado a lado assim antes, e a diferença ao testar foi muito chocante. A faixa de LED barata parece muito errada aos seus olhos e parece significativamente mais escura mesmo consumindo a mesma corrente que a faixa mais cara. Apesar da faixa cara ser apenas 90 CRI, ainda assim parece e se sente muito acolhedora e agradável aos olhos. É como sair de um escritório iluminado por fluorescentes em um dia de primavera, quando a luz do sol não está muito forte, mas apenas quente o suficiente para ser agradável. A faixa de LED de baixo custo é como voltar para dentro para trabalhar em um relatório que você vem procrastinando há semanas.

A câmera capta muita diferença na qualidade da luz, mas realmente não capta tudo. Olhando as imagens no meu computador, posso ver que as cores da faixa de LED barata não parecem bem certas, e as imagens parecem sem vida e opacas. Nossos olhos têm uma percepção de cor muito melhor do que a câmera, e o espectro de luz mais completo parece significativamente mais brilhante e mais agradável aos olhos.

Essas emoções e sentimentos também influenciariam os sentimentos de um cliente de varejo sobre um produto que está em exibição. Se você estivesse exibindo um objeto bonito em uma loja sob a luz do LED barato, ele não seria tão atraente ou convidativo quanto se estivesse iluminado pela faixa de LED de maior qualidade. Como uma empresa de engenharia, seus clientes potenciais são as lojas de varejo; seu trabalho é fazer com que seus produtos pareçam o melhor possível para atrair visitantes a fazer compras nas lojas. Se você usar uma grande quantidade de iluminação de baixa qualidade em seu dispositivo, pode ser muito brilhante, mas não vender o produto.

Da mesma forma, se você estivesse projetando uma solução de iluminação sob medida para um bar ou restaurante, você quer garantir que cada bit de luz refletida no que o patrono está consumindo faça parecer apetitoso e saboroso.

Uma boa iluminação importa para mais do que apenas varejo, produtos e restaurantes. Se você está projetando iluminação para visão de máquina colorida, garantir que a iluminação seja de boa qualidade fornecerá ao computador cores mais brilhantes e vibrantes para trabalhar, o que, por sua vez, melhorará a qualidade dos algoritmos de visão de máquina.

Conclusão

Na próxima vez que você estiver comprando LEDs brancos, considere selecionar com base no índice de reprodução de cor das opções para garantir que o que você está iluminando pareça vibrante e bonito para o espectador. Octopart tem um filtro para CRI, e se você clicar aqui, eu pré-filtrei todos os LEDs que a Octopart conhece para mostrar apenas LEDs de 90 a 100 CRI. Agora, você tem uma ótima lista de LEDs, que você pode começar a ordenar por preço e filtrar por fluxo luminoso ou intensidade luminosa.

Ao escolher peças para um projeto, há muitas vezes em que a qualidade do sinal é significativamente mais importante do que a quantidade do sinal. Nós olhamos para a relação sinal-ruído em muitos dispositivos que usamos e otimizamos para as peças de maior desempenho que podemos encaixar no orçamento. Quando se trata de iluminação, o sensor que estamos otimizando é o olho humano (ou robótico!). CRI é apenas um dos muitos fatores quando se trata de selecionar um ótimo LED para o seu projeto, mas eu sinto que pode ser um dos mais importantes, pois pode ter tanta influência nos sentimentos e emoções do espectador ao visualizar o assunto iluminado.

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