Светодиоды: качество света превыше количества

Если вы когда-либо проектировали светодиодное освещение, то, вероятно, сталкивались с очень дорогими светодиодами, которые рекламируют высокий индекс цветопередачи (CRI), и, возможно, думали, что дешевые светодиоды будут лучше, позволяя вам получить больше светового потока за те же деньги. Однако, если вы только собираетесь проектировать светодиодное освещение и не очень знакомы с индексами цветопередачи, то это может быть отличным моментом, чтобы узнать об этом. Насколько важен индекс цветопередачи светодиода в конечном итоге?

В зависимости от вашего приложения, индекс цветопередачи может сделать разницу между отличным продуктом и довольно ужасным. Если ваше приложение включает в себя продукты питания, розничные дисплеи, фотографию или видеосъемку, то индекс цветопередачи абсолютно жизненно важен, более важен, чем абсолютная яркость.

Как любитель фотографии, я склонен проектировать личные проекты, используя белые светодиоды с CRI 97+. Поскольку это личные проекты, разница в стоимости между светодиодом с высоким CRI и обычным белым светодиодом не велика, и это доставляет мне удовольствие, зная, что свет сделает цвета красивыми. Не каждый разделяет мою любовь к ярким, насыщенным цветам, достигаемым за счет дорогих светодиодов с высоким CRI, и я надеюсь изменить это через некоторые тесты в этой статье.

Я видел некоторые видео на YouTube о создании больших, ярких светодиодных панелей DIY, используя дешевые светодиодные ленты. Рекламируемые светодиодные ленты действительно очень дешевы, однако качество света тоже. Когда я работал в исследовательской лаборатории несколько лет назад, я указал ленту светодиодов с CRI 95+ для проекта LightBoard, который должен был использоваться внутри. Некоторые мои коллеги возмущались стоимостью светодиодной ленты, которая на тот момент стоила почти в 20 раз больше, чем самая дешевая светодиодная лента той же длины, продаваемая на онлайн-рынках. Мои аргументы в пользу качества света взяли верх, и проект в итоге выглядел великолепно с очень ярким насыщенным текстом на световой доске, который далеко превзошел все, что могли произвести дешевые ленты.

В то время у меня не было возможности продемонстрировать сравнение дорогой световой ленты и дешевой бок о бок, поэтому вместо этого я решил поделиться здесь своей любовью к светодиодам высокого качества.

Я зашел на Amazon и купил самую дешевую 5-метровую светодиодную ленту, которую смог найти. Моя покупка была для «12V LED Ribbon Waterproof Flexible LED Tape 5050 SMD 300 LEDs».

Затем я начал искать на британских сайтах поставщиков освещения «Светодиодные ленты с высоким CRI». Единственное, что меня интересовало, это индекс цветопередачи, а не яркость, напряжение или ток. Я надеялся найти светодиоды дневного/нейтрального белого цвета, чтобы я мог использовать их в другом проекте. Примерно за 15 раз цены светодиодов с Amazon, я мог бы купить светодиодные ленты с CRI 96, но поставщик не имел их в наличии. Я выбрал более дешевую светодиодную ленту с CRI 90, которая обошлась всего в 5 раз дороже светодиодов с Amazon, так как она продавалась только в упаковке по 10 метров. Я надеялся на 95+, но не найдя таковых, надеялся, что CRI 90 будет достаточно, чтобы доказать мою точку зрения.

Что такое индекс цветопередачи

На данном этапе вы можете задаться вопросом, что такое индекс цветопередачи и почему я так восхищаюсь им. Индекс цветопередачи - это мера качества искусственного белого света, при этом солнечный свет со 100% считается золотым стандартом, с которым его сравнивают. Солнечный свет - это то, к чему приспособлены наши глаза, и он обеспечивает очень равномерный спектр света для нашего видения. Индекс цветопередачи рассчитывается путем сравнения ряда стандартных цветовых образцов CIE с эталонным источником света той же цветовой температуры, а затем анализируется процент различия. Моя светодиодная лента с индексом цветопередачи 90 CRI теряет около 10% видимого спектра света по сравнению с солнцем, поэтому я бы предпочел ленту с индексом 95+.

Индекс цветопередачи не зависит от цветовой температуры. Дешевый холодный белый светодиод обычно будет иметь более низкий индекс цветопередачи, чем дешевый светодиод с цветовой температурой дневного света, поскольку для последнего естественно требуется больше красного света. Однако качественный холодный белый светодиод может иметь индекс цветопередачи 95+, так как для этого требуется более специализированный фосфоресцирующий материал от производителя.

Светодиоды низкой стоимости, как правило, имеют низкое качество светового излучения, так как для создания всех длин волн света, необходимых для естественного восприятия всех цветов, требуется специализированная смесь различных фосфоресцирующих материалов. Вы можете создать белый светодиод самостоятельно, используя один RGB светодиод, просто включив все кристаллы одновременно. Это создает свет очень низкого качества, как вы могли заметить сами, так как свет имеет только 3 точки на спектре - красный, зеленый и синий.

Чжан Цзюньчао, Снимок многоцветного интерференционного микроскопа. Optics Express. 26. 18279. 10.1364/OE.26.018279.

Для наших глаз, которые видят красный, зеленый и синий цвета, это выглядит как белый свет. Однако отражения от чего-то такого простого, как красное яблоко, не выглядят правильно. Яблоко выглядит тусклым, безжизненным или, возможно, немного больным, потому что отражается только одна маленькая часть красного спектра.

Если мы сравним наш очень плохой пример света RGB качества с солнечным светом, вы сразу увидите, почему это плохая замена.

Источник: Повторный взгляд на ультрафиолетовое повреждение глаза: коэффициент защиты глаз от солнца (E-SPF^®), новая маркировка ультрафиолетовой защиты для очков. Clinical ophthalmology (Auckland, N.Z.). 8. 87-104. 10.2147/OPTH.S46189.

Для тестирования индекса цветопередачи в лаборатории на образцы из 15 тестовых цветов направляют источник света, подлежащий испытанию, отражение которого затем измеряется и сравнивается с эталонным источником света (солнцем). Это дает значение R для каждого цветового образца, которое показывает, насколько верно источник света воспроизводит этот цвет. Индекс цветопередачи - это R_a, или среднее отражение всех образцов, поэтому некоторые производители могут указывать индекс цветопередачи как R_a или использовать R_a в качестве «единиц».

В целом, индекс цветопередачи 95 считается «высоким». Однако некоторые производители могут снизить этот показатель до 90, как это сделал производитель моей относительно дешевой светодиодной ленты с «высоким индексом цветопередачи». Очень дешевые светодиодные ленты имеют индекс цветопередачи около 30-50, и можно в общем считать, что производитель, который не рекламирует индекс цветопередачи своих белых светодиодов, является довольно плохим.

Если вы используете свет с низким индексом цветопередачи (CRI), объекты не будут выглядеть так, как ожидает зритель. Если вы создаете освещение для ресторана или отдела фруктов в супермаркете, у клиентов может сложиться впечатление, что продукты выглядят неаппетитно или не очень высокого качества, потому что они не выглядят так, как они ожидают.

Если вы разрабатываете освещение для фотографии или видеосъемки, источник света с низким CRI приведет к тусклым цветам и оттенкам кожи, которые заставляют людей выглядеть больными. Исправить это на этапе постпродакшена тоже не получится, так как эти длины волн света просто не были присутствующими для того, чтобы камера могла их зафиксировать.

Настройка теста

Теперь, когда вы знаете, что такое CRI, давайте вернемся к тестированию. Я снял антистатический коврик со своего частично оборудованного лабораторного стола, чтобы образовать тестовую зону. Наступила ночь, и нет источника света, кроме светодиодов и относительно темного экрана лабораторного блока питания. Я взял примерно 900 мм светодиодной ленты с каждой катушки длиной 5 метров для теста.

Тестирование качества света с использованием высококачественных и дешевых светодиодных лент.

Настройка теста проста: мой блок питания Rigol DP832 питает каждую светодиодную ленту, которая прикреплена к небольшому штативу с одного конца и приклеена к моей лупе с другого конца. Обе светодиодные ленты скреплены вместе, так что они следуют одному и тому же пути, что приведет к равномерному освещению между лентами. Каждый тестируемый объект будет фотографироваться с освещением от каждой светодиодной ленты, что приведет к двум фотографиям каждого тестируемого объекта, одна освещена дешевой светодиодной лентой, а другая - светодиодной лентой с CRI 90+.

Мои тестируемые объекты:

• Дешевые цветные карандаши с Amazon, с наибольшим возможным диапазоном цветов.
• Цветовая калибровочная карта Datacolour SpyderChecker на 24 цвета.
• Дешевый набор художественных пастелей.

Цветовая калибровочная карта - это карта стандартного качества отрасли, которая используется для коррекции цвета фото и видео на этапе постпродакшена. Это не те цвета, которые используются для тестирования CRI, но она предлагает высококачественные эталонные цвета для нашего рассмотрения.

Для камеры я использую Nikon D5600, снимающую в формате RAW 14 бит, с объективом Sigma 18-35mm F/1.8 при зуме 22mm, диафрагма f/6.3. Хотя камера видит только определенный диапазон красного, зеленого и синего цветов, после просмотра тестовых фотографий, я бы сказал, что различия при простом переключении между двумя светодиодными лентами еще более заметны невооруженным глазом. Фотографии были отредактированы для коррекции экспозиции и установки баланса белого на третий серый уровень цветовой тестовой карты в DXO Optics Pro 11. Как вы увидите на тестовых фотографиях, дешевая светодиодная лента начала испытывать трудности за пределами третьего серого уровня.

Поскольку нас в этом тесте не интересует количество света, факт того, что свет распределен неравномерно по тестируемым объектам, не имеет значения. Нас интересует только то, какие цвета может видеть камера. В тестовых изображениях я попытался сопоставить яркость средних синих цветов между двумя изображениями, поскольку это цвета, наиболее одинаково воспроизводимые обеими светодиодными лентами.

Тестовые изображения

Мои настройки баланса белого для дешевой светодиодной ленты составили 8675 Кельвинов, с оттенком -66.

Дорогая светодиодная лента была 4295 Кельвинов (заявлено как 4000К), и оттенок -43.

Тестовая таблица

Тестовая таблица сравнения дешевой светодиодной ленты с дорогими светодиодными лентами CRI 90+.

В левом верхнем углу каждого квадрата находится дешевая светодиодная лента, а в правом нижнем углу - дорогая светодиодная лента, которая заявляет CRI 90+. Верхние два крайних правых квадрата - это оттенки кожи, нижний ряд должен быть идеальными серыми, которые отражают весь видимый спектр одинаково.

Вы можете видеть в тестовой таблице, что красный квадрат очень темный при использовании дешевой светодиодной ленты, так как света для отражения назад мало. Чистые синие цвета выглядят очень похоже для обоих, подтверждая хороший баланс белого и довольно близкое совпадение экспозиции между двумя изображениями.

Пастели

Обратите внимание, что верхние правые цвета выглядят очень тусклыми и безжизненными.

Для пастелей я использовал те же настройки баланса белого, что были определены с помощью тестовой таблицы. Разделение для этих изображений такое же, с дешевой светодиодной лентой в верхнем правом углу и дорогой светодиодной лентой с высоким CRI в нижнем правом углу.

Опять же, мы видим, что яркие желтые цвета выглядят очень тусклыми и безжизненными на дешевой светодиодной ленте. Розовые цвета под дешевой светодиодной лентой выглядят почти фиолетовыми. Представьте, как будут выглядеть бекон, ветчина или свежая куриная грудка!

Карандаши

Разница для большинства цветов как день и ночь.

Для этого изображения я использовал чередующиеся ряды освещения с высоким и низким CRI. Мне не совсем удалось идеально выстроить карандаши из-за небольшого наклона камеры на фото с дешевой светодиодной лентой, однако они должны достаточно хорошо совпадать для сравнения.

Мне нравится, как на этом изображении большинство синих цветов выглядят очень похоже, тогда как фиолетовые, которым нужно немного красного для фиолетового оттенка, и розовые выглядят действительно странно. Желтые, опять же, выглядят очень тусклыми и безжизненными, а красные очень темные.

Мысли о тестовых изображениях

Я никогда раньше не тестировал светодиодные ленты в таком прямом сравнении, и разница при тестировании была действительно поразительной. Дешевая светодиодная лента выглядит очень неправильно для ваших глаз и кажется значительно темнее, даже когда потребляет такой же ток, как и более дорогая лента. Несмотря на то, что дорогая лента имеет только 90 CRI, она все равно выглядит и ощущается очень приветливо и приятно для глаз. Это чувствуется, как выход из офиса с люминесцентным освещением в весенний день, когда солнечный свет не слишком яркий, но достаточно теплый, чтобы быть приятным. Дешевая светодиодная лента ощущается, как возвращение внутрь для работы над отчетом, который вы откладывали на несколько недель.

Камера захватывает много различий в качестве света, но на самом деле она не передает всего. Глядя на изображения на моем компьютере, я вижу, что цвета с дешевой светодиодной ленты выглядят не совсем правильно, и изображения кажутся тусклыми и безжизненными. Наши глаза имеют гораздо лучшее восприятие цвета, чем камера, и более полный спектр света выглядит значительно ярче и приятнее для глаз.

Эти эмоции и чувства также могут повлиять на чувства розничного покупателя к продукту, который выставлен на дисплее. Если бы вы выставляли красивый объект в магазине под светом дешевой светодиодной ленты, он не был бы таким привлекательным или заманчивым, как если бы он был освещен лентой более высокого качества. Как инженерная фирма, ваши потенциальные клиенты - это розничные магазины; ваша задача - сделать их продукты максимально привлекательными, чтобы привлечь посетителей к покупкам в магазинах. Если вы используете большое количество освещения низкого качества в своем устройстве, оно может быть очень ярким, но не продавать продукт.

Также, если вы разрабатываете индивидуальное решение освещения для бара или ресторана, вы хотите убедиться, что каждый луч света, отражающийся от того, что потребляет посетитель, делает это выглядящим аппетитно и вкусно.

Хорошее освещение важно не только для розницы, продуктов и ресторанов. Если вы разрабатываете освещение для цветного машинного зрения, обеспечение качества освещения позволит компьютеру работать с яркими, более насыщенными цветами, что, в свою очередь, улучшит качество алгоритмов машинного зрения.

Заключение

В следующий раз, когда вы будете покупать белые светодиоды, рассмотрите возможность выбора на основе индекса цветопередачи вариантов, чтобы убедиться, что то, что вы освещаете, выглядит ярко и красиво для зрителя. Octopart имеет фильтр для CRI, и если вы нажмете здесь, я предварительно отфильтровал все светодиоды, о которых знает Octopart, чтобы показать только светодиоды с CRI от 90 до 100. Теперь у вас есть отличный список светодиодов, с которым вы можете начать сортировку по цене и фильтрацию по световому потоку или световой интенсивности.

При выборе компонентов для проекта много раз качество сигнала значительно важнее, чем его количество. Мы рассматриваем соотношение сигнал/шум во многих устройствах, которые мы используем, и оптимизируем для наилучших компонентов, которые мы можем вписать в бюджет. Когда речь идет об освещении, датчиком, для которого мы оптимизируем, является человеческий (или роботизированный!) глаз. CRI - это лишь один из многих факторов при выборе отличного светодиода для вашего проекта, но я считаю, что это может быть одним из самых важных, поскольку это может оказать такое большое влияние на чувства и эмоции зрителя при просмотре освещенного объекта.

Если вы нашли эту статью полезной, подпишитесь на нашу рассылку, чтобы оставаться в курсе наших последних статей!