CCT و CRI

ما مدى أهمية التمثيل الجيد لللون؟

تتجلى أهمية تحويل لون مصدر الضوء إلى كل جانب من جوانب الحياة والعمل. قبل ظهور المصابيح الفلورية، لم يكن أداء إعادة إنتاج الألوان لمصدر الضوء مصدر قلق أبدا. مصابيح الهالوجين، والمصابيح المتوهجة، وضوء الشموع جميعها لها توزيع طاقة طيفي يظهر خصائص قريبة جدا من ضوء النهار الطبيعي، الذي يتميز بعرض لوني مثالي. وهذا يعني أن النظام البصري البشري كان مرتاحا لبيئات مصقولة بشكل مثالي في الداخل والخارج منذ أن بدأ أسلافنا الشبيهون بالقردة في التطور. كان إدخال الإضاءة الفلورية كارثة من حيث جودة الألوان. منذ ذلك الحين، الألوان المشبعة جدا لكل ما حولنا تحت الإضاءة الصناعية أصبحت ضعيفة التصنيع، ويجب على العين البشرية تحمل تشوهات الألوان. ومع ذلك، هناك العديد من التطبيقات التي لا يمكن فيها تحمل أو السماح بتمثيل الألوان السيئ.

تتطلب المهام البصرية الصعبة أو التطبيقات الحيوية للألوان في المنزل أو المكاتب أو الاستوديوهات، سواء كانت قراءة أو كتابة أو رسم أو رسم أو تصوير أو مكياج دقيقة، وذلك لتحسين أداء المهام، وضمان مطابقة الألوان، و/أو منع إرهاق العين.

في المنشآت الصناعية مثل مصانع النسيج، ومصانع معالجة الأغذية، ومنشآت الطباعة، وورش طلاء السيارات، وخطوط تجميع الإلكترونيات الدقيقة، تتيح الإضاءة عالية الجودة للعمال رؤية الألوان بدقة لأداء المهام الدقيقة وفحوصات الجودة، مع المساهمة في بيئة عمل آمنة ومنتجة.

الضوء المحسن طيفا قادر على إنتاج ألوان أكثر تشبعا مما يمنح البيئة مظهرا أكثر جاذبية. في أماكن الضيافة مثل الفنادق والمطاعم والحانات، تساعد حيوية الألوان في خلق مساحات تسعد. الأجواء المشبعة للغاية تجعل ألوان البشرة تبدو أكثر صحة وطبيعية حتى يبدو الناس في أفضل حالاتهم. الضوء الجذاب يخلق جوا من المتعة والإثارة للتفاعلات وجها لوجه.

يجب أن تحتوي إضاءة التجزئة على ألوان رائعة لتسليط الضوء على الجودة العالية للبضائع وتعزيز عروض التجزئة لتحقيق أقصى تأثير. يجب استخدام إضاءة عالية الجودة مع عرض ألوان ممتاز لإبراز الفواكه والخضروات الملونة الزاهية وإبراز احمرار اللحم الشهي في محلات البقالة، ولخلق تجربة ألوان رائعة مع ألوان بيضاء طبيعية وألوان زاهية في متاجر الأزياء، ولتعزيز المظهر الطبيعي لتشطيبات السيارات في معارض السيارات.

يعد الرسم اللوني عنصرا حاسما يجب أخذه في الاعتبار في إضاءة المتاحف والمعارض وقاعات المعارض. جودة الضوء لها تأثير كبير على تفاعل الزوار. الضوء المميز مع تصوير ألوان متميز يساعد في إبراز أفضل ما في الأعمال الفنية المعروضة. يمكن استخدام الضوء الأبيض الوفير في الأطوال الموجية الطويلة في طيف الضوء المرئي لتعزيز تشبع الألوان في الأعمال الفنية أو المعروضات.

يعد عرض الألوان ذا أهمية كبيرة في العمل الصحي. التعرف السريع والدقيق على الفروق الدقيقة في اللون يمكن أن يعني الفرق بين الحياة والموت. يتطلب الأمر إضاءة عالية الجودة في الإجراءات الجراحية لخلق أكبر قدر ممكن من المعلومات البصرية الموثوقة (مثل التفاصيل النقية والتباين بين الأنسجة المجاورة) للمنطقة التي تجرى عليها العملية. الأحمر المشبع في طيف الضوء يتيح التصور الأمثل لدرجات اللون الأحمر الخفيفة في منطقة الجرح المنتشرة بنسيج أحمر وملونة بالدم.

مؤشر عرض الألوان (CRI) هو قياس نسبي لمدى جودة عرض الألوان بواسطة الإشعاع البصري لمصدر ضوء أبيض مقارنة بالمشعاع المرجعي الذي يتمتع بدرجة حرارة لون مترابطة مماثلة (CCT). تدار اللجنة الدولية للإضاءة (CIE أو Commission internationale de l'l'eclairage)، وهو المعيار الدولي الوحيد المعترف به دوليا لقياس جودة عرض الألوان. في حساب CRI، يتم محاكاة مظهر لون 14 عينة عاكسة من نطاق مونسيل القياسي تحت كل من مصدر اختبار ومصدر مرجعي. يعطى كل لون معين قيمة anRi كمؤشر على عرض الألوان. تتراوح هذه القيمة من 0 إلى 100، حيث لا يمثل 100 أي فرق في اللون بين مصدر الاختبار والمشعاع المرجعي. المقياس الرئيسي لنظام CIE هو مؤشر عرض الألوان العام Ra، والذي يحسب بحساب متوسط درجات Ri لأول ثمانية عينات عاكسة. وبالتالي، فإن أعلى قيمة CRI Ra هي 100 عندما يتطابق توزيع طيف الإشعاع لثمانية ألوان اختبار مع توزيع العينات المرجعية عند نفس درجة حرارة اللون. في الممارسات الشائعة، يشير CRI إلى قيمة Ra كلما تم نشر "CRI" فقط في ورقة بيانات المنتج.

الحاجة إلى التصيير بالألوان تختلف حسب تطبيق الإضاءة. يعتبر CRI 80 غالبا الحد الأدنى المقبولة للإضاءة الداخلية المحيطة والمهام. عادة ما تحاول الإضاءة الصناعية عالية الجودة تقليد خصائص ضوء النهار الطبيعي. إذا أمكن، يجب أن تعيد الإضاءة الصناعية جودة العرض اللوني المتفوق للإضاءة المتوهجة التي لها CRI Ra أكبر من 95. للأسف، يبدو أن هذا غير عملي لأن صناعة الإضاءة سعيدة باتباع معيار عرض الألوان المتوسط المقبول على نطاق واسع والذي وضعته الإضاءة الفلورية التي تتكون من قيم CRI Ra النموذجية التي تتراوح بين 70-80.

علم الألوان الذي يستخدمه حساب CIE CRI أصبح قديما منذ زمن طويل. يتم حساب CRI Ra باستخدام ثمانية فقط من أصل 14 عينة عاكسة، جميعها ذات تشبع لوني منخفض إلى متوسط. المصابيح ذات CRI العالي قد تعرض ألوان التشبع المنخفض بشكل جيد، لكنها قد تؤدي أداء ضعيفا على الألوان الأكثر تشبعا. على وجه الخصوص، عينات اختبار R1-R8 لديها انحناء محدود في الجزء الأحمر من الطيف المرئي، وبالتالي قد لا توفر انعكاسا طيفيا كبيرا للون الأحمر. عادة ما تكون مصابيح CRI النموذجية 80 مشبعة في الطيف الأزرق والأخضر وتؤدي أداء أحمر ضعيف، مما قد يؤدي إلى تمثيل ألوان ضعيف للأجسام التي تحتوي على أصباغ حمراء، مثل الهيموغلوبين في جلد الإنسان. لذا، غالبا ما يتم إدراج عينة الاختبار 9 (لون أحمر مشبع يعرف بمؤشر R9) بشكل فردي كمكمل لمؤشر CRI العام Ra في تطبيقات الإضاءة الحرجة لللون.

بالإضافة إلى العيب الأساسي في حساب التكيف اللوني وفرق الألوان، يمكن للمتوسط الحسابي لقيمة Ri لثمانية ألوان اختبار أن يخفي عرضا ضعيفا جدا لعينة أو أكثر من اللون. قيمة Ra واحدة لا تخبر شيئا محددا عن المحتوى الطيفي للمصدر أو نواقصه. علاوة على ذلك، يقيم CRI فقط دقة الألوان، ويتم تجاهل خصائص جودة الألوان الأخرى مثل التمييز اللوني وتفضيلات المراقب. التمييز اللوني يشير إلى القدرة على التمييز بين الألوان المتشابهة أو الفروق الطفيفة في الألوان. هذا البعد من جودة الألوان يمكن أن ينحرف عن الدقة المطلقة. تتعلق تفضيلات المراقب بقدرة مصدر الضوء على عرض الأجسام ذات المظهر اللوني الجميل. بالنسبة للعين البشرية، غالبا ما يرتبط مؤشر تفضيل اللون العالي بنسبة عالية من الألوان المشبعة في طيف الضوء.

تستمر مقاييس التصيير اللوني في تطوير لمعالجة هذه النواقص. تشمل المكملات والبدائل ل CRI المعيوب TM-30-18 (طريقة IES لتقييم عرض ألوان مصدر الضوء)، مقياس جودة الألوان (CQS)، مؤشر مساحة النطاق (GAI)، مؤشر نطاق الألوان (CGI)، مؤشر الألوان الكامل الطيف (FSCI)، خريطة عرض الألوان (CRM)، مؤشر التمييز اللوني (CDI)، مؤشر تفضيل اللون (CPI)، مؤشر تناغم الألوان (CHI)، سعة عرض الألوان (CRC)، مؤشر الإحساس بالتباين (FCI)، مؤشر الإطراء (FI)، مؤشر عرض ألوان الذاكرة (MCRI)، وغيرها. المؤشرات الأكثر أهمية قيد النظر موضحة أدناه.

توفر المذكرة الفنية TM-30-18 نهجا موضوعيا وإحصائيا لقياس كل من الخصائص المتوسطة الكلية (دقة الألوان، مساحة الناسور) والخصائص الخاصة باللون (الدقة، إزاحة اللون، تغير اللون). TM-30 هو إطار تقييم يتكون من ثلاثة مكونات رئيسية: نظام لتعريف الضوء المرجعي، وتحديد عينات الألوان، وتنفيذ نموذج للرؤية البشرية. تستخدم الطريقة 99 عينة تقييم ألوان (CES) لقياس الفرق في عرض الألوان بين مصدر الاختبار والضوء المرجعي. من المهم ملاحظة أن هذا الإطار لم يصمم لتوصيف الإدراكات البشرية بشكل مباشر، مثل تفضيل اللون، أو لتقديم قيمة واحدة تلتقط خصائص تمثيل الألوان المجمعة لمصدر الضوء.

يتم توفير مؤشرين في هذه الطريقة لالتقاط دقة الألوان ومساحة الگامات على التوالي. مؤشر الدقة (Rf)، الذي يشبه القيمة المفردة Ra التي يوفرها CRI، يشير إلى متوسط دقة الألوان المحسوبة عن طريق تحديد الفرق بين إحداثيات CAM02-UCS لكل CES تحت مصدر الاختبار ومضيء المرجع، ثم تحديد المتوسط الحسابي لهذه الفروق اللونية. مقياس Rf يتراوح من 0 إلى 100، حيث أن قيمة 100 تعني أن المصدر يعرض جميع الألوان ال99 بطريقة مطابقة للمرجع. مؤشر الطیف (Rg) يصف الزيادة أو الانخفاض في اللون لمصدر الضوء المعطى. قيمة Rg 100 تمثل مستوى تشبع مماثل مقارنة بقيمة المرجع. يوفر IES TM-30-18 أيضا تمثيلا بصريا لللون والتغيرات حول دائرة اللون من خلال أداة بصرية تسمى الرسم البياني المتجه للألوان (CVG).

تم تطوير مقياس جودة الألوان (CQS) من قبل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا (NIST)، وصمم لمعالجة العديد من أوجه القصور في CRI. يأخذ هذا النظام لتقييم جودة عرض الألوان في الاعتبار ثلاثة جوانب لمظهر الألوان تشمل دقة الألوان، التمييز اللوني، وتفضيلات المراقب. بدلا من استخدام ثمانية عينات ألوان منخفضة اللون فقط لا تغطي كامل نطاق الألوان، يستخدم CQS مجموعة من 15 عينة من Munsell تحتوي على كروما أعلى من تلك المستخدمة في CRI وموزعة بالتساوي على طول دائرة الألوان بأكملها. يوفر CQS أيضا تصحيحا محسنا للتكيف اللوني وفضاء ألوان أكثر تجانسا. يتم معالجة مكون تفضيل اللون من خلال تقليل التركيز على اختلافات الألوان التي تزيد بشكل معتدل من اللون.

مؤشر مساحة الطیف (GAI) هو مؤشر نطاق قياسي يركز على درجات الألوان وحيويتها. GAI مكمل ل CRI الذي يركز على دقة الألوان. تستخدم أيضا عينات الألوان الثمانية للاختبار ومساحة الألوان لحساب CRI Ra في هذه الطريقة. يتم تحديد GAI بمقارنة المساحة المحيطة بمضلع معرف باللونات في فضاء الألوان u'v من CIE 1976 مع مساحة الألوان الناتجة عن مصدر الطيف المتساوي للطاقة (EES) التخيلي أو النظري حيث تكون القدرة الإشعاعية متساوية في جميع الأطوال الموجية. كلما كان GAI أكبر، زادت حيوية مصدر الضوء في عرض ألوان الأجسام. يتم تقييم EES ب 100، لكن مؤشر GAI يمكن أن يتجاوز 100 عندما تتفوق قدرة مصدر الضوء الاختبار على تشبع الألوان على قدرة مصدر طاقة متساوية.

تم تطوير جميع مقاييس عرض الألوان المذكورة أعلاه للعين البشرية. ومع ذلك، في عالم اليوم المتصل، نعتمد بشكل متزايد على كاميرات الفيديو والفيلم لتجربة العالم. يمكن أن يكون للمشهد الذي يعرض بواسطة مصدر ضوء تأثير بصري مختلف على التلفزيون لأن منحنيات استجابة مستحلب الفيلم أو مستشعرات الفيديو تختلف بشكل كبير عن تلك الخاصة بالعين البشرية. لذا، كان هناك حاجة إلى بديل لمؤشر CRI لتقييم جودة الألوان لمصدر الضوء عند استخدامه داخل بيئة التلفزيون. مؤشر اتساق إضاءة التلفزيون (TLCI)، الذي طورته الاتحاد الأوروبي للبث (EBU)، يسعى إلى معالجة العديد من القضايا المرتبطة باستخدام إضاءة LED في إنتاج الأفلام والتلفزيون. يستخدم TLCI منهجية مشابهة لتلك الخاصة ب CRI وCQS حيث يستخدم مجموعة قياسية من عينات اختبار الألوان من مخطط X-Rite ColorChecker ومصدر ضوء مرجعي (مزيج من الضوء الناتج عن راديتر الجسم الأسود وضوء النهار بين 3400 كلفن و5000 كلفن). يتم قياس توزيع الطاقة الطيفية لمصدر اختبار بواسطة مقياس طيفي ويتم إجراء الحسابات بواسطة برنامج تحليل برمجي.

ظهور تقنية LED جعل علم الألوان القديم لمصادر الضوء الاصطناعي قديما وغير ضروري. على الرغم من أن عرض الخط الطيفي ضيق وينتج ضوءا أحادي اللون مثل الأحمر أو الأزرق أو الأخضر، يمكن تغليف مصابيح LED لإنتاج ضوء أبيض في أي توزيع طيفي للطاقة وبالتالي تحقيق اللون والعرض اللوني المطلوب. هناك في الأساس طريقتان لإنتاج الضوء الأبيض باستخدام مصابيح LED. يمكن إنتاج الضوء الأبيض من خلال مزج الألوان الإضافي عن طريق دمج ثلاثة صمامات ألوان أساسية: الأحمر (R)، الأخضر (G) والأزرق (B). ومع ذلك، فإن هذه الطريقة غير عملية لأن 1) الطيف المسنب يفتقر إلى المحتوى الطيفي في السماوي والأصفر والبرتقالي، مما يؤدي إلى تمثيل ألوان غير كاف؛ 2) ضعف فعالية الضوء بسبب عدم كفاءة الانبعاث المباشر الأخضر والأحمر؛ و3) التكلفة العالية الناتجة عن استخدام الصمامات متعددة الألوان والحاجة إلى تحكم كاف في هذه الصمامات.

الطريقة الثانية والمعتمدة عالميا هي تحويل الطول الموجي التي تستخدم مزيجا من مصابيح InGan أحادية اللون ذات فجوة واسعة النطاق ومواد فوسفورية محولة للضوء. تسمى مصابيح LED المنتجة بهذه الطريقة مصابيح LED المحولة بالفوسفور (PC-LEDs) وتنقسم إلى فئتين: مصابيح LED ذات المضخة الزرقاء ومصابيح LED بمضخة البنفسجية. تتكون مصابيح LED ذات المضخة الزرقاء من شريحة LED زرقاء مغطاة ببوليمر عضوي يحتوي على فوسفور أصفر. يحول الفوسفور جزءا من الضوء الأزرق ذو الطاقة الأعلى والقصير إلى ضوء أقل طاقة وطول موجي أطول، يختلط مع الضوء الأزرق المتبقي لإنتاج الضوء الأبيض المطلوب. تجمع مصابيح LED ذات المضخة البنفسجية بين LED بنفسجي وثلاثة فوفورات (أزرق، أخضر وأحمر). تسمح انبعاثات الفوسفور الأزرق والأخضر والأحمر لحزمة LED بتوزيع الطاقة الطيفية عبر كامل الطيف المرئي، مما يؤدي إلى تمثيل ألوان ممتاز.

القدرة غير المسبوقة على التحكم في كيفية عرض الضوء للألوان هي واحدة من نقاط قوة إضاءة LED. للأسف، هذا لا يترجم إلى جودة ألوان جيدة في الإضاءة الصناعية التي أصبحت الآن تعمل بشكل شائع بتقنية LED. السبب الجوهري هو أن صناعة الإضاءة لا ترغب في التضحية بهامش الربح من أجل جودة ألوان أعلى للضوء. وهذا السبب يفسر أيضا لماذا لا يحاول مصنعو الإضاءة إبلاغ المستهلكين بأن الإضاءة العالية CCT قد تعطل الإيقاع اليومي وتؤثر سلبا على صحة الإنسان. أيضا، السلطات التنظيمية تركز بشكل كبير على جانب كفاءة منتجات الإضاءة ولا تبذل جهدا كبيرا لتحسين جودة إضاءة منتجات LED.

يمكن عزو تردد الصناعة في إدخال العرض اللوني العالي إلى إضاءة LED إلى المقايضة بين فعالية الإضاءة وجودة الألوان. مصابيح LED ذات المضخة الزرقاء، التي تتمتع بأعلى فعالية وأقل تكلفة تصنيع بين مصابيح LED المصنعة باستخدام منهجيات مختلفة، استحوذت على حصة مهيمنة في سوق الإضاءة العام. لتمكين حزمة LED من إنتاج جميع الانبعاثات المطلوبة لإنتاج أوسع نطاق وأعلى تشبع للألوان، يجب استخدام خليط فوسفوري بتكلفة أعلى. LED ذو عرض لوني جيد يحتوي على وفرة في الأطوال الموجية الطويلة، مما يعني أن جزءا كبيرا من الضوء الأزرق يخضع لتحول ستوكس من أطوال موجية أقصر إلى أطول. هذا التحول في ستوكس يؤدي حتما إلى فقدان هائل للطاقة، وبالتالي يؤثر بشكل كبير على كفاءة الحزمة. النظام البصري البشري لا يستجيب بالتساوي لجميع الأطوال الموجية. أعلى تحويل لحساسية العين على التوزيع الطيفي للضوء هو حوالي 555 نانومتر. المسافة بين ذروة الطاقة لمصابيح LED ذات CRI عالي الطول الموجي 555 نانومتر تزيد من فقدان الفعالية المضيئة.

الحل لتحسين عرض الألوان دون التسبب في فقدان الكفاءة في مصابيح LED ذات المضخات الزرقاء هو استخدام محولات أضيق بطول موجة أحمر بعرض خط أضيق. في هذه الحالة، يمكن تقليل فقدان ستوكس الذي يحدث أثناء تحويل الطول الموجي إلى الأسفل بشكل كبير. تشمل المحولات النزولية المطورة لهذا الغرض الفسفورات الحمراء ذات النطاق الترددي الضيق والنقاط الكمومية.

شركة قوانغدونغ ميسون تكنولوجيز، وهي شركة رائدة في حزم LED، تقدم مجموعة واسعة من منتجات مصادر ضوء LED للعملاء.