Оцениваем световой поток: как важен свет

Световой поток - термин, косвенно характеризующий то, какое количество света излучается световым прибором, а также то, как именно прибор излучает и распределяет этот свет. Официальным термином для описания количества и распределения видимого света, излучаемого конкретным источником, является термин «фотометрические данные».

Как правило, производители светотехники заявляют основные фотометрические характеристики выпускаемой продукции в спецификациях или технических паспортах, где представляют таблицы и графики, описывающие мощность или яркость лампы или светового прибора, диаграммы распределения света в пространстве и данные об энерго-эффективности. Консультанты-светотехники и конструкторы используют эти данные для предварительной оценки возможностей светового оборудования и его пригодности для конкретной области применения. Часто производители светотехники представляют и более подробную информацию, необходимую для глубокого анализа, компьютерной визуализации, моделирования системы освещения здания и т. п.

Для оценки и сравнения традиционных световых приборов чаще всего используется понятие светового потока, измеряющегося в люменах. Люмен - это единица измерения всего воспринимаемого светового потока, испускаемого источником света. (Ниже мы приводим более подробное разъяснение того, что значит «весь воспринимаемый световой поток, испускаемый источником света».) В быту специалисты, занимающиеся освещением, покупатели и просто пользователи для оценки осветительного оборудования

Компьютерное графическое изображение, полученное с помощью ПО AG32 на основании необработанных фотометрических данных для светодиодных светильников ColorBlast Powercore, разработанных компанией Philips Color Kinetics. Изображение моделирует световые эффекты, полученные с помощью ColorBlast Powercore в стеклянном световом коробе.

часто прибегают к термину «яркость». Это не только ошибочно, но и может ввести в заблуждение, особенно в отношении светодиодных световых приборов.

По ряду причин световой поток не является единственным параметром, характеризующим возможности осветительного прибора. Оценка возможностей светодиодных осветительных приборов с помощью светового потока может дать ложное представление о возможностях светодиодных световых приборов и их пригодности для конкретных областей применения.

Для оценки возможностей светодиодных осветительных приборов и сравнения их с традиционными источниками света вместо понятия «световой поток» лучше использовать термин «полезный свет». Параметром для измерения полезного света является освещенность. Освещенность характеризует интенсивность света, падающего на поверхность. Если площадь поверхности измеряется в квадратных футах, то

Для освещения обеденного зала в ресторане «Флинстеринг» в Бреде, Голландия, используются потолочные светодиодные светильники eW Downlight Powercore, разработанные компанией Philips Color Kinetics, и отраженный свет. Рекомендуемый уровень освещенности в таких обеденных залах - 10 фут-кандел (100 лк).

единицей освещенности является фут-кандела. Если площадь измеряется в квадратных метрах, то единицей освещенности является люкс (лк).

Формально одна фут-кандела равна 10,7 лк. Однако для упрощения расчета принимается, что фут-кандела равна 10 лк. 30 фут-кандел соответствуют 321 лк, но для удобства принимаются равными 300 лк.

Полезный свет характеризует количество света от осветительного прибора, которое достигает освещаемого участка.

Это та часть светового потока осветительного прибора, которая эффективно направляется на рабочую поверхность без учета потерь света. В качестве рабочей поверхности может выступать любой участок объекта, который необходимо осветить: коридора, офисного помещения с компьютерами, кухонного стола или наружной стены пирамиды Майя в Гватемале. Потери света могут возникать по различным причинам: например, свет может частично загораживаться или рассеиваться корпусом светильника, излучаться в неправильном направлении, теряться в результате прохождения через светофильтры и линзы или из-за неправильной ориентации светового прибора, а также по другим причинам.

В справочной книге «The IESNA Lighting Handbook» объемом порядка 1000 страниц, выпущенной Светотехническим обществом Северной Америки (IES)II, подчеркивается важность использования характеристики полезного света, особенно для белого света и повседневных областей применения. Наряду с главами, посвященными описанию способов

создания нужного количества полезного света для отдельных областей применения, в книге содержится подробная информация об оптимальных уровнях освещенности для различных интерьеров, промышленных помещений, открытых площадок, спортивных сооружений, транспортных магистралей и аварийного освещения.

Так, для офисных помещений с планировкой открытого типа и большим количеством компьютеров, а также для стоек регистрации в аэропорту рекомендуемый уровень освещенности составляет 30 фут-кандел (300 лк). Уровень освещенности в грузовых лифтах должен составлять около 5 фут-кандел (50 лк), а для чтения в кресле в комнате - около 50 фут-кандел (500 лк). В лекционных залах, где используются наглядные пособия, уровень освещенности должен быть порядка 100 фут-кандел (1000 лк).¹²

Люмены: какие сложности возникают с ними

Традиционное использование понятия «световой поток» для оценки

и сравнения светодиодных световых приборов вызывает ряд проблем:

•    Так как полное и точное определение того, что такое люмен и другие фотометрические термины является достаточно сложным, многие понимают их неправильно. Без правильного понимания того, что означают эти термины, невозможно точно оценить свойства светодиодных источников света.

•    Использование светового потока для оценки воспринимаемой интенсивности источника света имеет ряд недостатков, которые усугубляются особенностями спектра излучения светодиодных источников света, особенно в области синего края спектра видимого света.

•    Производители традиционных световых приборов часто указывают полный световой поток лампы, а не всего светового прибора. Так как в светодиодной осветительной арматуре невозможно отделить лампу от светильника, то для правильного сравнения светодиодных световых приборов с традиционными нужно использовать понятие «световой поток» только для светового прибора в целом.

•    Светодиодные и традиционные световые приборы по-разному испытываются, вследствие чего и некоторые фотометрические данные для них указываются по-разному. Для правильного сравнения световых приборов необходимо учитывать эти различия.

•    Полный световой поток светильника не учитывает потери света.Так как светодиодные световые приборы являются направленными и излучают белый или цветной свет без использования светофильтров, а также без дополнительной фокусировки и экранирования, то и потери света у них гораздо ниже, чем у традиционного оборудования. Светодиод

ные световые приборы доставляют большую часть излучаемого светового потока до освещаемой поверхности. Следовательно, светодиодные световые приборы с меньшим значением светового потока могут доставить такое же или большее количество полезного света в нужное место, чем традиционные осветительные приборы с большим значением светового потока в люменах.

Более подробно эта тема рассматривается в последующих разделах.

Что такое люмен?

В повседневной практике мощность источника света часто ошибочно называют его «яркостью». Яркость является субъективным параметром и зависит от таких факторов, как расстояние между источником света и н а блюд ателем, угол зрения и условия среды вокруг источника света.

В противоположность яркости, измерения светового потока основываются на точных стандартах и условиях проведения испытаний и являются объективными.

Световые измерения можно проводить двумя способами: радиометрическим или фотометрическим. Радиометрический способ предполагает измерения для всех длин волн излучения источника света, в диапазоне длин волн как видимого, так и невидимого излучения. При фотометрическом способе измерения выполняются только для видимого света. Суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света на всех длинах волн, называется потоком излучения и измеряется в ваттах.

Суммарная электромагнитная энергия, излучаемая источником света в диапазоне длин волн видимого света, называется световым потоком и измеряется в люменах.

Так как видимость относится только к человеку, фотометрические данные учитывают чувствительность глаза человека, которая зависит от длины волны видимого света (цвета). Зависимость чувствительности глаза человека с нормальным зрением от длины волны представляет собой колоколообразную кривую. Эта кривая известна как спектральная эффективность светового потока и часто называется кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Согласно этой кривой, наивысшая чувствительность глаза достигается в зеленой спектральной области (длина волны 550 нм) и постепенно снижается как к красному, так и к синему краям спектра.

При расчете светового потока происходит взвешивание света для различных длин волн с помощью кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Два источника света, имеющие одинаковые значения лучистого потока, но излучающие различные спектры в пределах кривой чувствительности глаза, будут иметь разные значения светового потока. Представим, например, два источника света с потоком излучения I Вт каждый. Один источник излучает синий свет на длине волны 480 нм,

Функция спектральной эффективности светового потока взвешивает воспринимаемую интенсивность света с разными длинами волн на основании зависимости чувствительности глаза человека от длины волны света. Глаз человека имеет максимальную чувствительность для света с длиной волны 550 нм в зелено-желтой части видимого спектра и менее чувствителен на его красном и синем краях.

а второй - зеленый свет на длине волны 555 нм. Как показывает кривая относительной спектральной чувствительности глаза, синий свет будет выглядеть менее ярким, чем зеленый, несмотря на то что суммарная мощность каждого источника одинакова. Другими словами, зеленый свет дает больше люменов, чем синий, хотя оба источника света излучают одинаковое количество энергии.

Источники света прямого наблюдения, такие как трубки, панели и ленточные светильники, применяемые в крупномасштабных дисплеях, предназначены скорее для наблюдения, чем для освещения. Свет таких источников обычно измеряется в кан-делах на квадратный метр. Иногда эту единицу измерения называют «нит». В ни-max измеряется яркость, то есть количество света, излучаемого определенной поверхностью или отражаемого от определенной поверхности.

На практике кажущаяся интенсивность источника света зависит от индивидуального восприятия каждым человеком.

В 1924 г. Международная комиссия по освещению (МКО), признанный авторитет в области света, освещения, цвета и цветового пространства, стандартизировала чувствительность человеческого глаза к видимому свету, введя такое понятие как «стандартный наблюдатель». Стандартный наблюдатель обладает нормальной чувствительностью глаза к видимому свету при определенных условиях, установленных стандартом.

Световой поток рассчитывается с использованием кривой относительной спектральной световой эффективности. Следовательно, два источника света, имеющие одинаковую мощность, но излучающие свет с разными длинами волн, будут иметь разные значения светового потока в люменах.

Кривая относительной спектральной чувствительности глаза, которая используется в измерениях светового потока и других фотометрических измерениях, является кривой чувствительности глаза именно стандартного, а не произвольного наблюдателя. Измерения светового потока и другие фотометрические измерения являются, таким образом, аппроксимациями и идеализациями, которые могут успешно применяться для оценки и сравнений различных источников света.

Недостатки кривой относительной спектральной чувствительности глаза

Хорошо известно, что кривая относительной спектральной чувствительности глаза недооценивает воспринимаемую интенсивность света с длинами волн, лежащими на синем краю спектра видимого света. В течение многих лет было предложено большое количество модификаций кривой относительной спектральной чувствительности глаза, хотя ни одна из них не получила всемирного признания. Например, коррекция Джадда-Воса подстраивает кривую чувствительности глаза для более точного представления нормальной чувствительности человеческого глаза, особенно для синего цвета.

Коррекция Джадда-Воса (см. следующую стр.) не вносит больших изменений в стандартную кривую относительной спектральной чувствительности глаза и имеет небольшой эффект при сравнении традиционных

Для повышения точности стандартной кривой относительной спектральной чувствительности глаза к свету с различными длинами волн были предложены ее различные корректировки, например, коррекция Джадда-Воса.

источников света друг с другом. Но коррекция может иметь большой эффект при измерении светового потока, излучаемого светодиодными источниками света и при сравнении их с традиционными источниками света.

Длины волн видимого света, исключенные из измеренного стандартным методом значения светового потока, могут привести к значительной недооценке воспринимаемой интенсивности некоторых светодиодов. Коррекция Джадда-Воса частично компенсирует этот эффект.

★ Насыщенные цвета кажутся глазу более «яркими», чем менее насыщенные, даже при одинаковом световом потоке. Причина этого эффекта пока не установлена, и он не учитывается кривой относительной спектральной чувствительности глаза.

Традиционные источники света обычно излучают свет в широком диапазоне длин волн видимого света. Спектр излучения ламп накаливания обычно перекрывает весь диапазон длин волн видимого света. Люминесцентные источники света имеют спектры излучения с пиками, характеризующиеся интенсивным излучением в узких диапазонах длин волн и меньшей интенсивностью в остальной части спектра. Это связано с наличием спектральных линий ртути, которая отсутствует в светодиодах.

Одноцветные светодиоды обычно излучают свет в одном узком диапазоне длин волн, что усугубляет недостатки кривой относительной спектральной чувствительности глаза. Например, вычисленное значение светового потока для синего светодиода с пиком на длине волны около 460 нм не учитывает значительную часть видимого света, испускаемого светодиодом.

Фактически недостатки кривой чувствительности глаза могут привести к получению заниженных значений воспринимаемого светового потока, излучаемого светодиодными источниками света, особенно для синих светодиодов. Воспринимаемая интенсивность светодиодных световых приборов может быть больше, а в некоторых случаях - намного больше той, которая для них указывается.

Относительное и абсолютное фотометрирование и КПД светового прибора

20-дюймовый светомерный шар Labsphere LMS-200.

Несмотря на все недостатки использования понятия «световой поток» для точной оценки воспринимаемой интенсивности некоторых светоди

одных источников света, оно широко применяется в светотехнической промышленности. При проведении сравнительного анализа средств освещения часто приходится сравнивать указываемый производителем световой поток светодиодных световых приборов с указанным световым потоком традиционной светотехники. Для выполнения правильных сравнений необходимо понять различия в методах получения и

представления фотометрических данных для традиционных и светодиодных световых приборов. Учитывая эти различия, можно избежать ошибок при интерпретировании и сравнении фотометрических данных для традиционного и светодиодного оборудования.

Для сравнения световых потоков традиционных и светодиодных осветительных приборов следует использовать количество люменов, испускаемое традиционным световым прибором с учетом его КПД.

Традиционные осветительные приборы испытываются методом относительного фотометрирования, при котором светильники и установленные в них лампы испытываются по отдельности.

Испытания ламп и испытания светильников настолько отличаются друг от друга, что фотометрирование ламп и фотометрирова-ние светильников являются разными инженерными специальностями с собственными стандартами и методиками. Полный световой поток и цветность (цвет) ламп, используемых в светильниках, обычно измеряются с использованием фотометрических шаров, а распределение силы света и коэффициент полезного действия (КПД) светильников -с помощью гониофотометров, которые также позволяют измерять световой поток.

При относительном фотометрировании световой поток ламп, используемых в светильниках, используется в качестве эталона, при этом световой поток светильника измеряется относительно этого эталона. Определенная часть светового потока, излучаемого лампами светильника, загораживается или поглощается корпусом светильника, поэтому полный световой поток светильника всегда выражается в процентах от общего светового потока ламп. Эти проценты и составляют КПД светового прибора.

Так как светодиоды обычно неотделимы от световых приборов, в которых они используются в качестве источников света, относительное фотометрирование непригодно для измерения светового потока этих приборов. Для испытаний светодиодных световых приборов используется абсолютное фотометрирование. Утвержденные процедуры и условия испытаний для абсолютного фотометрирования указаны в документе «Электрические и фотометрические измерения твердотельных осветительных изделий» (Electrical and Photometric Measurements of Solid-State Lighting Products, публикация IES LM-79-08), выпущенном IESNA в начале 2008 г.

При абсолютном фотометрировании измеряется только световой поток светильника, а не установленных в нем ламп, так как измерение характеристик светодиодов отдельно от светильника является невозможным и бессмысленным. Следовательно, и понятие КПД светового прибора, представляющего собой отношение светового потока светильника к световому потоку его ламп, применительно к светодиодному оборудованию не имеет смысла. Другими словами, КПД светодиодных световых приборов, в которых светодиоды являются неотделимыми компонентами, всегда равен 100%.

Светотехнические консультанты и разработчики систем освещения иногда ошибочно сравнивают полный световой поток ламп традиционного светильника с полным световым потоком светодиодных световых приборов. Для правильного сравнения необходимо уменьшить измеренное количество люменов лампы, умножив его на КПД светильника. Это уменьшение светового потока обычно учитывается в таблицах зонального распределения светового потока.

Например, для монтируемых под навесными шкафами люминесцентных светильников серии Slique Т2 SQ, разработанных компанией Alkco, указывается 860 лм для двух ламп Т2, установленных в светильнике. Однако в таблице зонального распределения светового потока указывается его значение 575 лм, так как светильник излучает только 66,9% всего светового потока используемых в нем ламп (66,9% от 860 = 575) И. Это означает, что 33,1% света, произведенного лампами светильника, теряется внутри корпуса светильника. При выполнении сравнения монтируемого под навесным шкафом люминесцентного светильника Slique Т2 с монтируемым под шкафом светодиодным светильником, предназначенным для аналогичной области применения, следует сравнивать световой поток светодиодного светильника со световым потоком светильника Slique Т2, а не с указанным производителем световым потоком установленных в нем ламп.

Линзы, светофильтры, экраны и другие источники потерь

Количество света, создаваемого световым прибором на рабочей поверхности, зависит не только от светового потока самого прибора, но и от ряда других факторов. К ним относятся размещение прибора в пространстве, расстояние до освещаемой поверхности и потери света в результате фокусировки, фильтрации, экранирования и других вспомогательных приемов, используемых для направления или видоизменения излучения источника света.

Светодиодные источники света изначально являются направленными, и это минимизирует потери, связанные с фокусированием и экранированием света. Поскольку светодиоды испускают цветной свет, устраняются потери, связанные с использованием светофильтров для изменения цвета или распределения света, излучаемого традиционными источниками света.

Фильтры могут задерживать значительный процент светового потока, излучаемого светотехникой. Некоторые синие и красные светофильтры могут задерживать до 96% светового потока, излучаемого традиционными прожекторами 15. Светодиодные прожекторы, такие как ColorReach™ Powercore (см. фото), освещающие Королевскую военную академию в г. Бреда (Голландия), позволяют естественным образом получать интенсивный насыщенный цвет без использования светофильтров.

Пример общего освещения: потолочные светильники

Клиент обратился к вам за помощью в выборе светильников для освещения коридоров в новом офисе и хочет, чтобы вы изучили возможность установки светодиодных потолочных светильников как альтернативу КАЛ с точки зрения экономичности в потреблении электроэнергии и обслуживании, однако сомневается, что «яркость» светодиодных светильников будет достаточной.

Вы понимаете, что «яркость» является субъективной оценкой, а клиент фактически говорит о световом потоке, выраженном в люменах. При сравнении светового потока некоторых типичных светодиодных потолочных светильников и аналогичных светильников с лампами накаливания или люминесцентными лампами оказывается, что светодиодные светильники уступают традиционным. Вам известно, что следует скорректировать световой поток с учетом КПД светильника и других потерь, и главным параметром для применения светильника является не его «яркость», а количество «полезного света», доставляемого светильником на рабочую поверхность, расположенную от него на определенном расстоянии.

Согласно информации, указанной в Справочной книге Светотехнического общества Северной Америки (The IESNA Lighting Handbook), для коридоров, вестибюлей и других мест общего пользования в офисах оптимальным является уровень освещенности 5-10 фут-кандел (50-100 лк). Рабочей поверхностью для таких помещений является плоскость, расположенная на расстоянии 30 дюймов (0,75 м) над полом. Любой монтируемый на потолок светильник, способный обеспечить на этой плоскости освещенность 10 фут-кандел (100 лк), подходит для этой области применения.¹⁶

eW Downlight Powercore - это монтируемый на поверхность излучающий вниз светильник, разработанный компанией Philips Color Kinetics. Согласно заявленным характеристикам, световой поток светильника eW Downlight Powercore равен 405-527 люменов в зависимости от цветовой температуры и ширины пучка света. Сравнимый по характеристикам излучающий вниз светильник с КАЛ имеет полный световой поток 860 лм, создаваемый двумя 13-ваттными лампами Т4. По информации, опубликованной организацией National Lighting Product Information Program (Национальная Программа Информации о Светотехнической Продукции - NLPIP - независимым исследовательским центром, занимающимся вопросами освещения и предоставляющим специалистам в области освещения объективную информацию, полученную в процессе испытаний), КПД этих светильников с КАЛ равен 50,1 %.¹⁷ Это означает, что фактический световой поток, излучаемый светильниками с КАЛ, примерно соответствует световому потоку светильников eW Downlight Powercore.

Модель архитектурной студии, иллюстрирующая освещение чертежных столов, которые являются целевыми освещаемыми объектами. Для этой области применения требуется уровень освещенности на рабочей поверхности около 50 фут-кандел (500 лк).

В NLPIP была создана модель коридора для измерения уровней освещенности, обеспечиваемых с помощью излучающих вниз светильников с КАЛ и других сравнимых по характеристикам светильников. Результаты испытаний показали, что монтируемые на потолке высотой 9 футов (3 м) светильники с КАЛ обеспечивают на рабочей поверхности среднюю освещенность, равную I I фут-кандел (I 10 лк). Согласно заявленным данным, светильники eW Downlight Powercore могут обеспечивать среднюю освещенность, равную 15 фут-кандел (150 лк) на расстоянии 9 футов, при использовании узкого пучка света. Таким образом, светильники eW Downlight Powercore дают больше света в этой области применения, чем светильники с КАЛ. Другими преимуществами светодиодных излучающих вниз светильников являются полезный срок службы, в 10-20 раз превышающий срок службы светильников с КАЛ, и 40%-ное сокращение потребления электроэнергии (15 Вт вместо 26 Вт).

Пример отраженного освещения: светильники направленного света

Светодиодные светильники со встроенной оптикой и устройствами фокусировки могут направлять свет на целевые освещаемые объекты более эффективно,чем люминесцентные лампы и лампы накаливания, которые излучают свет во всех направлениях. Значительное количество света, излучаемого люминесцентной лампой или лампой накаливания, теряется в светильнике или загораживается его деталями, обратно поглощается лампой или излучается в ненужном направлении. У некоторых типов световых приборов (таких как потолочные излучающие вниз светильники, встраиваемые светильники отраженного света и светильники для установки под навесными шкафами) от 40 до 50% светового потока, излучаемого лампой, теряется до того, как свет выходит за пределы светильника.

Светодиодные светильники для световых карнизов с встроенными фокусирующими устройствами излучают все 100% своего светового потока (177 люменов) в пределах угла расхождения пучка, равного 110°. Люминесцентный светильник для светового карниза излучает 85%> из создаваемых его лампами 700 люменов, что соответствует 182 люменам в телесном угле I /0° - т.е. примерно такому же значению, как и у светодиодного прибора.

Для светодиодных светильников, излучающих свет в определенном направлении, не требуется отражателей и рассеивателей света, которые могут задерживать свет, и они могут более эффективно доставлять свет на целевую освещаемую область. Например, eW Cove Powercore, линейный светодиодный светильник, разработанный компанией Philips Color Kinetics, излучает свет в пределах телесного угла, равного I 10°. При значении светового потока 177 лм на фут эта светотехника излучает гораздо меньше света, чем популярная лампа F32T8, которая излучает 700 люменов на фут. Однако анализ показывает, что eW Cove Powercore обеспечивает сравнимый уровень освещенности целевой освещаемой области.

С учетом всех потерь, около 85% люменов лампы F32T8 выходит из осветительной арматуры, что снижает световой поток до 595 люменов на фут. Однако эти 595 люменов излучаются во всех направлениях, то есть в телесном угле 360°. В любом телесном угле I 10° содержится 30% светового потока, или 182 люмена, - почти столько же, сколько и у eW Cove Powercore. Так как светильник eW Cove Powercore включает в себя встроенную линзу и его корпус может поворачиваться в пределах 180°, это упрощает разработчикам и монтажникам осветительной арматуры нацеливание света в нужном направлении без использования внешних линз и рассеивателей, использование которых может привести к снижению светового потока осветительного прибора.

Качество света

Понятие «качество света» применяется как к цветному, так и к белому свету. Такие характеристики, как постоянство, насыщенность и точность цвета, относятся как окрашенному, так и к белому свету, но при этом для белого света, используемого для общего освещения, применяются и другие параметры. Двумя основными характеристиками качества белого света являются коррелированная цветовая температура (Тцв) и индекс цветопередачи. Коррелированная цветовая температура показывает, каким является белый свет - теплым (красноватым), нейтральным или холодным (голубоватым).

Индекс цветопередачи показывает, насколько хорошо источник света передает цвета освещаемых предметов. В настоящее время белые светодиоды имеют наиболее стабильные цветовые температуры, которые могут лежать в более широком диапазоне, чем у других источники света.

По своей способности точно передавать цвета белые светодиоды приближаются к традиционным источникам света,а зачастую и превосходят их.

Индекс цветопередачи и белые светодиоды

Восемь стандартных цветовых образцов, используемых при традиционном способе определения индекса цветопередачи.

Индекс цветопередачи отражает способность источника света правильно передавать цвета различных объектов в сравнении с идеальным источником света. Этот параметр является количественным показателем качества воспроизведения цветовых оттенков по шкале от 0 до 100. По определению, индекс цветопередачи солнечного света или освещения лампами накаливания равен 100. Максимальное подобие воспроизводимых цветов по отношению к эталонному источнику света также соответствует значению индекса, равному 100.

МКО разработала тест, позволяющий измерить, как цвета восьми стандартных цветовых образцов, обозначенных RI-R8, меняются при освещении источником света по отношению к освещению эталонным источником света. Цвета восьми образцов имеют относительно низкую насыщенность и равномерно распределены по всему диапазону тонов. Некоторые производители осветительных приборов также используют образец R9, имеющий насыщенный красный цвет. Индекс цветопередачи, обозначаемый Ra, определяется по результатам измерений для всех образцов цвета.

Обеспечивают ли светодиоды приемлемый индекс цветопередачи?

Минимально приемлемое значение индекса цветопередачи источника света зависит от области его применения:

•    Значение индекса цветопередачи в диапазоне 90-100 требуется в торговых и производственных помещениях, в которых точная цветопередача является критично важной - например, в магазинах по продаже тканей и произведений искусства или в художественных студиях.

•    Для большинства офисных, торговых, образовательных, медицинских и других рабочих и жилых помещений индекс цветопередачи должен быть не ниже 70-90.

•    В производственных, охранных и складских помещениях, где точная цветопередача не имеет большого значения, могут использоваться источники света с минимальным индексом цветопередачи, равным 50.

Выпускаемые в настоящее время осветительные приборы с белыми люминофорными светодиодами имеют индекс цветопередачи 80 или

больше, что сравнимо с этим параметром у компактных люминесцентных ламп, кварцевых металлогалогенных ламп и некоторых холодно-белых люминесцентных ламп. Осветительные приборы на таких светодиодах имеют индекс цветопередачи, достаточный для большинства областей применения.

«Индекс цветопередачи» - не главный критерий при оценке белых светодиодов

Индекс цветопередачи в течение многих лет используется для сравнения ламп накаливания, люминесцентных и разрядных ламп высокого давления, тем не менее МКО пришла к выводу, что этот параметр не может исчеhпывающим образом оценивать качество цветопередачи белых светодиодов.

Выводы МКО основаны на фундаментальных исследованиях и экспериментах, показывающих, что наблюдатели оценивают качество освещения светодиодами значительно выше, чем можно ожидать, исходя из их расчетных значений индекса цветопередачи. Некоторые белые люминофорные светодиоды и белые полноцветные светодиоды RGB имеют значение индекса цветопередачи не выше 20. Однако, такой свет кажется людям более привлекательным.

Это несоответствие объясняется тем, что в стандартных методах измерения индекса цветопередачи используются источники света, которые имитируют излучение абсолютно черного тела - твердого тела, излучающего при нагревании свет определенного цвета, например, нити накала лампы накаливания - или дневной свет. Люминофорное покрытие многих люминесцентных ламп усовершенствовалось в течение многих лет, чтобы обеспечить высокое значение индекса цветопередачи, но это оказало незначительное влияние на видимое качество цветопередачи люминесцентных источников света.

Исследователи из Национального института стандартов и технологии (NIST) разрабатывают шкалу качества цвета (CQS), которая позволит лучше, чем индекс цветопередачи, измерять способность цветопередачи всех источников белого света, включая белые светодиоды. Согласно информации NIST, CQS оценивает различные аспекты качества цвета, включая цветопередачу, цветоразличение и предпочтения наблюдателя. В дополнение к нескольким другим рекомендациям, CQS заменяет 8

образцов цвета, которые используются в расчете индекса цветопередачи, 15 образцами цвета, более полно представляющими привычные цвета объектов и учитывающие спектральные характеристики светодиодов.

CQS находится на стадии разработки и еще не одобрена различными светотехническими лабораториями, которые продолжают использовать стандартное определение индекса цветопередачи, несмотря на его известные недостатки. До принятия CQS или аналогичной альтернативной методики разработчики и дизайнеры должны лично, желательно на месте предполагаемой установки, проверять светодиодные источники с низким индексом цветопередачи, чтобы оценить их реальную цветопередачу.

Светодиоды и постоянство цвета

Постоянство цвета является показателем качества света как цветных, так и белых светодиодов. Для белого света применяется коррелированная цветовая температура (Т ), значение которой показывает, каким воспринимается белый цвет: теплым (красноватым), нейтральным или холодным (голубоватым). Стандартное определение Т_цв допускает отклонения цветности, которые легко могут различаться наблюдателями даже при одинаковой Т . Поэтому обеспечить постоянство цвета является важнейшей задачей производителей светодиодов, которые разрабатывают методы строгого контроля над цветовыми характеристиками света.

Понятие коррелированной цветовой температуры

Говоря техническим языком, слово «температура» в понятии коррелированной цветовой температуры характеризует излучение абсолютно черного тела - твердого тела, обладающего определенными свойствами и находящегося в раскаленном состоянии. Она измеряется в градусах Кельвина (К), в которых обычно измеряется абсолютная температура. При повышении температуры черного тела цвет испускаемого им светового излучения изменяется следующим образом: красный - оранжевый - желтый - белый - голубой. Это напоминает кусок железа, который нагревается в кузнечном горне. Последовательность изменения цвета соответствует кривой в цветовом пространстве (см. диаграмму цветового пространства МКО 1931 ниже).

Лампа накаливания излучает свет с цветовой температурой приблизительно 2700 К, которая находится в теплой или красноватой области цветового пространства. Так как в лампе накаливания используется нить, которая накаляется при излучении света, температура нити является также цветовой температурой светового излучения.

Кривая излучения абсолютно черного тела в цветовом пространстве МКО 1931 определяет диапазон цветовых температур, от теплого (красноватого) до холодного (голубоватого) света.

Спектральный анализ видимого света позволяет определить цветовую температуру источников света, отличных от ламп накаливания, таких как люминесцентные лампы и светодиоды. Фактическая температура светодиода, излучающего свет с цветовой температурой 2700 К, обычно равна приблизительно 80 °С, хотя светодиод излучает свет того же цвета, что и нить, нагретая до температуры 2700 К.

Из представленной выше диаграммы следует, что все источники света, измеренные значения цветности которых лежат на одной линии, проведенной перпендикулярно кривой излучения абсолютно черного тела, имеют одинаковую цветовую температуру. Однако при этом цветовые тона света, излучаемого источниками света с одинаковыми значениями Т_цв, могут значительно отличаться друг от друга. По этой и по другим причинам производители светодиодов используют метод управления цветовыми вариациями (и другими характеристиками), известный как сортировка по бинам.

Залог стабильной цветности: сортировка светодиодов по бинам

При изготовлении светодиоды отличаются по цвету, световому потоку и прямому напряжению. Так как эти различия значительны, параметры светодиодов измеряются, и светодиоды поставляются на рынок, отсортированными по подклассам, или бинам. Такая сортировка позволяет отобрать светодиоды, отвечающие указанным техническим условиям, например, выбрать светодиоды для светофоров, цвет которых отвечает европейскому стандарту.

Одной из основных задач производителей светотехники является такое деление светодиодов на бины, которое сводит к минимуму различие цветов между отдельными осветительными приборами или между партиями такой продукции.

Чтобы понять, как определяется бин, снова обратимся к диаграмме цветового пространства МКО 1931 и увеличим масштаб для кривой излучения черного тела. Изменения цветовой температуры располагаются на кривой излучения абсолютно черного тела, но изменения цвета светодиода располагаются также выше и ниже кривой излучения черного тела. Светодиоды, у которых цветовые координаты лежат выше кривой излучения абсолютно черного тела, имеют зеленоватый оттенок, а те, у которых ниже, - розоватый. На практике это означает, что указание цветовой температуры не обеспечивает одинаковый цвет. Например, две представленные ниже диаграммы иллюстрируют два гипотетических бина светодиодов, цветовая температура каждого из которых равна 5300 К, с отклонением +/- 300 К. Бин I имеет некоторое отклонение цвета, так как его область лежит выше и ниже кривой излучения абсолютно черного тела. Отклонение в цвете у бина 2 в четыре раза больше, хотя он также соответствует указанной производителем цветовой температуре.

Порог, при котором разница цвета становится заметной, определяется эллипсом Мак-Адама. Эллипс Мак-Адама вычерчивается на диаграмме цветового пространства так, что цвет в центре эллипса отличается на определенную величину от цвета в любой точке на границе эллипса. Шкала эллипса Мак-Адама определяется стандартным порогом цвето-различения (SDCM). Разница цвета, соответствующая I единице SDCM,

Примечание: для ясности эллипсы Мак-Адама, показанные на этой и других диаграммах, увеличены в 10 раз по сравнению с действительным размером.

не видна, от 2 до 4 единиц - едва видна, 5 и больше единиц - отчетливо видна. Размер и ориентация эллипсов Мак-Адама зависят от положения в цветовом пространстве (см. диаграмму выше), даже если каждый эллипс определяет одинаковое отклонение цвета в центре эллипса от цвета на границе эллипса.

Стандарт цветности С78.377А, разработанный Американским национальным институтом стандартов (ANSI), определяет 8 номинальных значений Тцв, диапазоны цветов которых ограничиваются рамками, окружающими эллипсы Мак-Адама с 7 ступенями.²⁰ Светодиоды, цвет которых соответствует указанному номинальному значению Тцв и цветовому диапазону, соответствуют стандарту.

Стандарт ANSI С78.377А для Тцв

Разница цвета в пределах областей, которые соответствуют стандартам

Тцв и цветности, легко заметна. Поэтому на практике производители светодиодов разделяют каждую область на несколько бинов. Например, компания OSRAM предлагает несколько бинов светодиодов с одной цветовой температурой. Каждый бин находится в пределах области, соответствующей стандарту ANSI для этой цветности. На диаграмме ниже приведен пример разбиения на бины для светодиодов OSRAM Golden DRAGON с цветовой температурой 2700 К.²¹

Хотя все 16 бинов, предлагаемых компанией OSRAM, соответствуют стандарту ANSI С78.377А для номинальной Тцв 2700 К, они отличаются по Тцв и цветовому тону.

Стандарт ANSI С78.377А является одним из шагов на пути к обеспечению постоянства цвета, однако некоторые производители светодиодных источников света используют стандарты, превосходящие ANSI С78.377А. Например, компания Philips Color Kinetics разработала математическую модель для сортировки под названием Optibin®, которая гарантирует одинаковый цвет излучения для отдельных осветительных приборов и партий осветительных приборов.

Допуски Тцв и цветового тона для светодиодных осветительных приборов в модели Optibin находятся в 4-единичном эллипсе Мак-Адама, а не в 7-единичном эллипсе, определенном в стандарте ANSI. Для того чтобы отличия цвета были практически незаметны, модель Optibin предписывает использовать светодиоды из бинов, которые расположены как можно ближе к кривой излучения абсолютно черного тела в пределах 4-единич-ного эллипса. Запатентованный алгоритм интеллектуально комбинирует светодиоды из разных бинов для каждой партии осветительных приборов, гарантируя одинаковый цвет излучения для осветительных приборов, закупаемых и поставляемых в разное время.

Выбор правильного белого цвета

Светодиоды могут изготавливаться в широком диапазоне цветовых температур, которые аппроксимируют цветовые температуры различных несветодиодных источников света, дневного и солнечного света. Чтобы выбрать правильную цветовую температуру для конкретной области применения, необходимо учесть множество факторов.

Определенные цветовые температуры, соответствующие свету от теплого до холодного, ассоциируются с определенными источниками света и обстановкой. Цветовая температура также влияет на эмоциональное воздействие пространства и может сильно изменять внешний вид предметов, выставленных в магазинах, галереях и музеях. Правильный выбор цветовой температуры позволяет подобрать источник света, соответствующий обстановке, может положительно повлиять на поведение покупателя и повысить производительность труда на рабочем месте.

Светодиодные светильники белого света с фиксированной цветовой температурой могут легко заменить большинство традиционных источников света. В настраиваемых светодиодных светильниках белого света цветовая температура может регулироваться прямо во время работы при помощи контроллеров освещения.

Настраиваемый белый свет идеален для освещения сменных витрин в магазинах, для изменения обстановки в общественных местах (например, различных схем утреннего, вечернего и ночного освещения), а также для применения в театрах и студиях, когда требуется изменять уровни и оттенки белого света.

Эффект, атмосфера и область применения в зависимости от цветовой температуры

Полный диапазон цветовых температур

Подобно люминесцентным источникам, светодиоды могут обеспечить весь диапазон цветовых температур света: теплый, нейтральный,холодный, дневной. Хотя в одной осветительной установке обычно не рекомендуется использовать различные типы источников света, при модернизации освещения светодиоды могут заменять люминесцентные и галогенные лампы, а также лампы накаливания и металлогалогенные лампы.

Настраиваемые светильники белого света, такие как, например, из серии IntelliWhite®, разработанные компанией Philips Color Kinetics, позволяют получить разную цветовую температуру в одном осветительном приборе.