CCT y CRI

¿Qué importancia tiene una buena representación de color?

La importancia de la reproducción del color de una fuente de luz se manifiesta en todos los aspectos de la vida y el trabajo. Antes de la aparición de las lámparas fluorescentes, el rendimiento de reproducción de color de una fuente de luz nunca había sido una preocupación. Las bombillas halógenas, las bombillas incandescentes y la luz de las velas tienen todas una distribución espectral de potencia que muestra cualidades considerablemente cercanas a la luz natural del día, que tiene una representación perfecta del color. Esto significa que el sistema visual humano se había sentido cómodo con entornos perfectamente renderizados tanto en interiores como en exteriores desde que nuestros antepasados simiescos comenzaron a evolucionar. La introducción de la iluminación fluorescente fue un desastre en cuanto a calidad de color. Desde entonces, los colores altamente saturados de todo lo que nos rodea bajo iluminación artificial están mal representados y el ojo humano tiene que soportar las distorsiones de color. Sin embargo, hay muchas aplicaciones en las que no se puede tolerar o permitir una mala reproducción del color.

Las tareas visualmente exigentes o las aplicaciones críticas en el color en casa, oficinas o estudios, ya sea leer, escribir, dibujar, pintar, fotografiar o maquillar, requieren una reproducción precisa del color para mejorar el rendimiento en las tareas, garantizar la coincidencia de color y/o prevenir la fatiga ocular.

En instalaciones industriales como fábricas textiles, plantas de procesamiento de alimentos, imprentas, talleres de pintura de coches y líneas de montaje microelectrónica, la iluminación de alta fidelidad de color permite a los trabajadores ver los colores con precisión para realizar tareas de precisión y controles de calidad, contribuyendo a un entorno laboral seguro y productivo.

La luz potenciada espectralmente es capaz de devolver colores más saturados, lo que da a un entorno una apariencia más atractiva. En entornos de hostelería como hoteles, restaurantes y bares, la viveza de los colores ayuda a crear espacios que encantan. Un ambiente muy saturado hace que los tonos de piel parezcan más saludables y naturales para que las personas luzcan lo mejor posible. Una luz favorecedora crea una atmósfera de placer y emoción para las interacciones cara a cara.

La iluminación de tiendas debe tener colores de calidad para resaltar la calidad premium de los productos y mejorar las vitrinas para lograr el máximo impacto. Se debe utilizar una luz de alta calidad con excelente renderizado cromático para acentuar frutas y verduras de colores vivos y resaltar el apetitoso enrojecimiento de la pulpa en los supermercados, crear una experiencia colorida fantástica con blancos naturales y colores vibrantes en las tiendas de moda, y realzar la apariencia natural de los acabados de coches en las tiendas de exhibición.

La reproducción del color es un factor crítico a tener en cuenta en la iluminación de museos, galerías y salas de exposiciones. La calidad de la luz tiene un impacto significativo en la implicación de los visitantes. La luz de acento con una representación de color superior ayuda a resaltar lo mejor de las obras expuestas. La luz blanca, abundante en longitudes de onda largas dentro del espectro de luz visible, puede utilizarse para aumentar la saturación de color de la obra o de las exposiciones.

La reproducción del color es de gran importancia en el trabajo sanitario. La identificación rápida y precisa de diferencias sutiles de color puede marcar la diferencia entre la vida y la muerte. Se requiere luz de alta calidad en los procedimientos quirúrgicos para crear información visual lo más fiable posible (como detalles sin adulterar y contraste entre tejidos adyacentes) sobre la zona que se opera. Un rojo saturado en el espectro luminoso permite una visualización óptima de matices sutiles de color rojo en una zona de la herida que está difundida con tejido rojo y teñida en sangre.

El índice de reproducción del color (CRI) es una medida relativa de lo bien que se representan los colores mediante la radiación óptica de una fuente de luz blanca en comparación con un radiador de referencia con una temperatura de color correlacionada (CCT) comparable. Administrado por la Comisión Internacional de Iluminación (CIE o Commission internationale de l'eclairage), el CRI es el único estándar internacionalmente aceptado para medir la calidad de la reproducción del color. En el cálculo del CRI, la apariencia de color de 14 muestras reflectantes del rango estándar de Munsell se simula tanto bajo una fuente de prueba como con la fuente de referencia. A cada color particular se le asigna un valor anRi como indicación de su representación del color. El rango de este valor va de 0 a 100, con 100 que no representa diferencia de color entre la fuente de prueba y el radiador de referencia. La métrica principal del sistema CIE es el índice general de reproducción del color Ra, que se calcula promediando las puntuaciones Ri de las primeras ocho muestras reflectantes. Por tanto, el valor más alto de CRI Ra es 100 cuando la distribución espectral de radiación de ocho colores de prueba coincide estrechamente con la de muestras de referencia a la misma temperatura de color. En las prácticas habituales, CRI se refiere al valor Ra siempre que se ve que solo se publica "CRI" en una hoja técnica del producto.

La necesidad de renderizado de color varía según la aplicación de la iluminación. Un CRI de 80 suele considerarse el valor mínimo aceptable para iluminación ambiental interior y de trabajo. La iluminación artificial de calidad generalmente intenta replicar las características de la luz natural natural. Si es posible, la iluminación artificial debería recuperar la representación superior del color de la iluminación incandescente, que tiene un CRI Ra superior a 95. Desafortunadamente, esto parece poco práctico porque la industria de la iluminación está encantada de seguir el estándar mediocre de reproducción del color ampliamente aceptado establecido por la iluminación fluorescente, que tiene valores típicos CRI Ra de aproximadamente 70-80.

La ciencia del color que utiliza el cálculo CRI de CIE está desactualizada desde hace tiempo. CRI Ra se calcula usando solo ocho de las 14 muestras reflectantes, todas de saturación cromática baja a media. Las lámparas con un CRI alto pueden renderizar bien colores de baja saturación, pero pueden rendir mal en colores más saturados. En particular, las muestras de prueba R1-R8 tienen una curvatura limitada en la parte roja del espectro visible y, por tanto, pueden no proporcionar mucha reflectancia espectral para el color rojo. Los LEDs CRI típicos de 80 están sobresaturados en los espectros azul y verde y tienen un rendimiento rojo insuficiente, lo que puede provocar una mala reproducción del color de objetos que contienen pigmentos rojos, como la hemoglobina en la piel humana. Así, la muestra de prueba 9 (un color rojo saturado cuyo índice se identifica como R9) suele figurarse individualmente como complemento al índice general CRI Ra en aplicaciones de iluminación crítica por color.

Además del fallo fundamental en el cálculo de la adaptación cromática y la diferencia de color, el promedio aritmético del Ri de ocho colores de prueba puede enmascarar una representación muy pobre de una o más muestras de color. Un solo valor de Ra no dice nada específico sobre el contenido espectral de la fuente ni sus deficiencias. Además, la CRI solo evalúa la fidelidad del color, y otras características de calidad de color como la discriminación cromática y las preferencias del observador se ignoran. La discriminación cromática se refiere a la capacidad de distinguir entre colores similares o diferencias sutiles en los tonos. Esta dimensión de calidad del color puede desviarse de la fidelidad absoluta. Las preferencias del observador se refieren a la capacidad de una fuente de luz para representar objetos con una apariencia de color agradable. Para el ojo humano, un índice de preferencia de color alto suele asociarse con una gran porción de colores saturados en el espectro de luz.

Se siguen desarrollando métricas de reproducción del color para abordar estas deficiencias. Los suplementos y alternativas para el CRI defectuoso incluyen TM-30-18 (Método IES para Evaluar la Reproducción del Color de la Fuente de Luz), la escala de calidad de color (CQS), el índice de área de gama (GAI), el índice de gama de color (CGI), el índice de color de espectro completo (FSCI), el mapa de reproducción del color (CRM), el índice de discriminación de color (CDI), el índice de preferencia de color (CPI), el índice de armonía de color (CHI), la capacidad de renderizado del color (CRC), la sensación del índice de contraste (FCI), índice de halago (FI), índice de renderizado de color de memoria (MCRI), etc. Los índices más significativos en cuestión se describen a continuación.

El Memorando Técnico TM-30-18 proporciona un enfoque objetivo y estadístico para cuantificar tanto las propiedades promedio globales (fidelidad del color, área del gamut) como las propiedades específicas de los tonos (fidelidad, cambio de croma, desplazamiento de tono). TM-30 es un marco de evaluación que consta de tres componentes principales: un sistema para definir el iluminante de referencia, la especificación de las muestras de color y la implementación de un modelo de visión humana. El método utiliza 99 muestras de evaluación de color (CES) para cuantificar la diferencia en la reproducción de color entre la fuente de prueba y el iluminante de referencia. Es importante señalar que este marco no está diseñado para caracterizar directamente las percepciones humanas, como la preferencia de color, ni para proporcionar un valor único que capture las cualidades combinadas de reproducción del color de una fuente de luz.

En este método se proporcionan dos índices para capturar la fidelidad del color y el área del gamut, respectivamente. El índice de fidelidad (Rf), que es análogo al valor único Ra proporcionado por CRI, indica la fidelidad de color media calculada determinando la diferencia entre las coordenadas CAM02-UCS de cada CES bajo la fuente de prueba y el iluminante de referencia, y luego determinando la media aritmética de estas diferencias de color. La escala para Rf va de 0 a 100, donde un valor de 100 implica que la fuente representa los 99 colores de manera idéntica a la referencia. El índice de gama (Rg) describe el aumento o disminución de la cromina para la fuente de luz dada. Un valor Rg de 100 representa un nivel de saturación idéntico al de la referencia. El IES TM-30-18 también ofrece una representación visual del matiz y los desplazamientos alrededor del círculo de matiz mediante una herramienta visual llamada gráfico vectorial en color (CVG).

Desarrollada por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), la Escala de Calidad del Color (CQS) está diseñada para abordar muchas de las carencias del CRI. Este sistema de evaluación de calidad de la reproducción del color tiene en cuenta tres aspectos de la apariencia del color, incluyendo la fidelidad del color, la discriminación cromática y las preferencias del observador. En lugar de usar solo ocho muestras de color de bajo croma que no abarcan todo el rango de tonos, CQS utiliza un conjunto de 15 muestras Munsell que tienen mayor cromina que las usadas en el CRI y están espaciadas uniformemente a lo largo de todo el círculo de tonos. La CQS también proporciona una corrección de adaptación cromática mejorada y un espacio de color más homogéneo. El componente de preferencia de color se aborda restando importancia a las diferencias de color que aumentan moderadamente la cromación.

El índice de área de gama (GAI) es un índice estándar de gama que pone énfasis en los tonos y la vitalidad de los colores. El GAI es complementario al CRI, que enfatiza la fidelidad del color. Las ocho muestras de color de prueba y el espacio de color para calcular CRI Ra también se utilizan en este método. El GAI se determina comparando el área encerrada dentro de un polígono definido por las cromaticidades en el espacio de color u'v' de CIE 1976 con el área del espacio de color producida por la fuente imaginaria o teórica del espectro de energía igual (EES), en la que la potencia radiante es igual en todas las longitudes de onda. Cuanto mayor es el GAI, más vividez es la fuente de luz para renderizar los colores de los objetos. El EES se puntua como 100, pero el GAI puede superar 100 cuando la capacidad de la fuente de luz de prueba para saturar el color supera a la de una fuente de energía igual.

Todas las métricas de reproducción del color mencionadas anteriormente han sido desarrolladas para el ojo humano. Sin embargo, en el mundo conectado de hoy, cada vez dependemos más de cámaras de vídeo y de película para experimentar el mundo. La escena representada por una fuente de luz puede tener un efecto visual diferente en la televisión porque las curvas de respuesta de la emulsión de película o los sensores de vídeo varían significativamente de las del ojo humano. Por ello, se ha necesitado una alternativa al CRI para evaluar la calidad de la cromaticidad de una fuente de luz cuando se utiliza en el entorno televisivo. El Índice de Consistencia de Iluminación Televisiva (TLCI), desarrollado por la Unión Europea de Radiodifusión (EBU), busca abordar muchos de los problemas asociados con el uso de iluminación LED en la producción cinematográfica y televisiva. TLCI utiliza una metodología similar a la de CRI y CQS, ya que emplea un conjunto estándar de muestras de prueba de color del gráfico X-Rite ColorChecker y una fuente de luz de referencia (una mezcla de luz producida por el radiador de cuerpo negro y luz diurna entre 3400 K y 5000 K). La distribución espectral de potencia de una fuente de prueba se mide mediante un espectrorradiómetro y los cálculos los realiza un programa de análisis por software.

La llegada de la tecnología LED ha hecho obsoleta la antigua ciencia del color de las fuentes de luz artificial. A pesar de tener un ancho de línea espectral estrecho y producir luz monocromática como roja, azul o verde, los LEDs pueden empaquetarse para producir luz blanca en cualquier distribución espectral de potencia y, por tanto, obtener la cromaticidad y la representación de color deseadas. Básicamente hay dos formas de producir luz blanca con LEDs. La luz blanca puede generarse mediante mezcla aditiva de color combinando los tres diodos de color primario: rojo (R), verde (G) y azul (B). Sin embargo, este método es impracticable porque 1) el espectro con picos carece de contenido espectral en cian, amarillo y naranja, lo que conduce a una representación de color inadecuada; 2) pobre eficacia luminosa debido a las ineficiencias de la emisión directa verde y roja; y 3) alto coste tanto por el uso de diodos de varios colores como por la necesidad de un control adecuado de estos diodos.

El segundo método, y también universalmente adoptado, es la conversión de longitud de onda, que utiliza una combinación de LEDs InGan monocromáticos de gran banda prohibida y materiales de fósforo que convierten la luz. Los LEDs producidos con este método se denominan LEDs convertidos por fósforo (PC-LEDs) y se dividen en dos categorías: LEDs de bomba azul y LEDs de bomba violeta. Los LEDs de bomba azul consisten en un chip LED azul recubierto con un polímero orgánico que contiene un fósforo amarillo. El fósforo convierte parte de la luz azul de mayor energía y longitud de onda corta en luz de menor energía y longitud de onda más larga, que se mezcla con la luz azul restante para producir la luz blanca deseada. Los LEDs de bomba violeta combinan un LED violeta y tres fósforos (azul, verde y rojo). Las emisiones de fósforo azul, verde y rojo permiten que el encapsulado LED distribuya la energía espectral a lo largo de todo el espectro visible, lo que da lugar a una excelente representación del color.

La capacidad sin precedentes para controlar cómo la luz representa los colores es una de las fortalezas de la iluminación LED. Desafortunadamente, esto no se traduce en una buena calidad de color en la iluminación artificial, que ahora funciona de forma omnipresente con tecnología LED. La razón inherente es que la industria de la iluminación no desea sacrificar el margen de beneficio por una mejor calidad de color de la luz. Esta razón también explica por qué los fabricantes de iluminación nunca intentan informar a los consumidores de que una alta iluminación CCT podría alterar el ritmo circadiano y afectar negativamente a la salud humana. Además, las autoridades reguladoras valoran demasiado la eficiencia de los productos de iluminación y apenas hacen esfuerzos por mejorar la calidad de la luz de los productos LED.

La reticencia de la industria a introducir una alta reproducción del color en la iluminación LED se puede atribuir al equilibrio entre la eficacia luminosa y la calidad del color. Los LEDs de bomba azul, que tienen la mayor eficacia y el menor coste de fabricación entre los LEDs fabricados con diferentes metodologías, han ganado una cuota dominante en el mercado general de iluminación. Para permitir que el encapsulado LED produzca todas las emisiones necesarias para lograr la mayor gama y saturación de colores más alta, se debe utilizar una mezcla de fósforo de mayor coste. Un LED con buena representación de color abunda en longitudes de onda largas, lo que significa que una gran parte de la luz azul sufre el desplazamiento de Stokes al transformarse de longitudes de onda más cortas a largas. Este cambio de Stokes inevitablemente provoca una enorme pérdida de energía y, por tanto, compromete sustancialmente la eficiencia del envase. El sistema visual humano no responde por igual a todas las longitudes de onda. La conversión más alta por la sensibilidad ocular sobre la distribución espectral de la luz es de unos 555 nm. La distancia del pico de energía de los LEDs CRI altos respecto a la longitud de onda de 555 nm agrava la pérdida de eficacia luminosa.

La solución para mejorar la representación del color sin causar pérdida de eficiencia en los LEDs de bomba azul es utilizar convertidores descendentes de longitud de onda roja de ancho de línea más estrecho. En este caso, la pérdida de Stokes que ocurre durante la conversión hacia abajo de longitud de onda puede reducirse significativamente. Los convertidores descendentes desarrollados para este propósito incluyen fósforos rojos de ancho de banda estrecho y puntos cuánticos.

Guangdong Mason Technologies, una empresa líder en envases LED, ofrece una amplia gama de productos de fuente de luz LED para sus clientes.