Kleurweergave van lichtbronnen: Color Rendering Index (CRI) & Beyond (TM-30, CQS, GAI...)
Abstract: De kleurweergavekenmerken van een lichtbron omvatten kleurgetrouheid, kleurdiscriminatie en kleurvoorkeur. Het belang van de kleurweergave van een lichtbron komt tot uiting in elk aspect van het leven en werk.
De kleurkwaliteit van een lichtbron heeft te maken met het vermogen om de kleuren van objecten getrouw te reproduceren, kleuren die mensen prefereren effectief weer te geven en effectief te helpen bij kleurdiscriminatie. Wit licht dat door een kunstmatige lichtbron wordt geproduceerd, is een mengsel van verschillende of meerdere monochromatische kleuren uit het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum van ongeveer 400 nm (nanometer) tot 700 nm. De relatieve hoeveelheid straling bij elke golflengte van het zichtbare stralingsspectrum staat bekend als spectrale vermogensverdeling (SPD). De SPD van een lichtbron bepaalt de kleurkenmerken: het kleuruiterlijk van een lichtbron zelf en de weergave van de kleur. In de consumentenwereld worden twee metrieken gebruikt om de kleurkenmerken van een lichtbron te beschrijven: gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) en kleurweergave-index (CRI). Deze meetmethoden stellen lichtontwerpers en eindgebruikers in staat om de kleurimpact van verschillende lichtbronnen te controleren en te voorspellen.
CCT en CRI
Hoewel gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT) niet relevant is voor de huidige discussie, veroorzaakt deze maatstaf vaak verwarring met CRI bij algemene consumenten. CCT, gemeten in Kelvin (K), definieert het kleuruiterlijk van een lichtbron. Het gebruik van CCT maakt het gemakkelijk mogelijk de kleur van een lichtbron te visualiseren. Wit licht valt in drie algemene kleurtonen: warm, neutraal en koel. Wit licht met een nominale CCT van 2700 K lijkt warm. Neutraal wit (ongeveer 3500 K) heeft middentonen. Wit licht met een hoge CCT (4000 K of hoger) geeft een koele blauwachtige tint. De kleurtemperatuur van een lichtbron bepaalt het kleurenschema van een ruimte. De waarneming van warme of koele tinten in wit licht beïnvloedt de subjectieve beoordeling van een ruimte door mensen.
Het concept achter de kleurrenderingsindex (CRI) is om een relatieve meting te geven van hoe de kleurweergave van een lichtbron zich verhoudt tot die van een referentiestraler. Deze index geeft aan in hoeverre de kleuren van een verlicht object nauwkeurig worden weergegeven. Lichtbronnen met dezelfde CRI kunnen verschillende CCT's hebben, en andersom. Hoewel kleurweergave ook veel subjectieve perceptuele eigenschappen van een ruimte beïnvloedt, is het ontworpen om de kleurweergave van een lichtbron te kwantificeren. Daarom heeft de numerieke meting van kleurweergave een kwalitatieve indicatie. Bijvoorbeeld, hoe hoger de CRI, hoe beter de kleurweergave van een lichtbron. Een CRI van 100 geeft aan dat de lichtbron kleuren spectraal gelijk aan een referentiebron weergeeft. Aan de andere kant biedt de numerieke waarde (bijv. 2700 K, 3000 K, 3500 K, 4100 K of 5000 K) die door een kleurtemperatuurschaal aan een lichtbron wordt toegekend, slechts een kleurreferentie.
Terzijde: veel mensen kiezen de CCT van een lichtbron op basis van hun visuele voorkeuren. Dit is geen goede praktijk. Er zit zelfs een grote wetenschap achter de selectie van lichtbron-CCT's. In de loop van de menselijke evolutie heeft het circadiane systeem zich aangepast aan de cyclus van natuurlijk zonlicht, die dynamisch in intensiteit en kleur verandert van zonsopgang tot zonsondergang. Onze biologische meesterklok registreerde deze subtiele veranderingen en reageerde op het licht om ons heen. 's Avonds, minstens twee uur voor het slapengaan, mogen mensen niet worden blootgesteld aan fel en koel wit licht. Koel wit licht, met name de optische straling met meer dan 5000 K CCT's, bevat in zijn lichtspectrum een hoog percentage blauw dat de productie van melatonine onderdrukt. Melatonine is een hormoon dat door de pijnappelklier in het bloed wordt uitgescheiden. Het bevordert een betere kwaliteit van herstellende slaap. Langdurige blootstelling aan optische straling met een hoge CCT 's nachts kan dus leiden tot circadiane verstoringen, wat negatieve gezondheidseffecten kan veroorzaken. Circadiane verstoring is aangetoond geassocieerd te zijn met een verhoogd risico op kanker. Chronische onderdrukking van melatonineafgifte voorkomt dat het menselijk lichaam een vitaal beschermingsmechanisme ontwikkelt tegen de groei van kankercellen.
Hoe belangrijk is een goede kleurweergave?
Het belang van de kleurweergave van een lichtbron komt tot uiting in elk aspect van het leven en werk. Voor de opkomst van fluorescentielampen was de kleurweergave van een lichtbron nooit een zorg. Hageenlampen, gloeilampen en kaarslicht hebben allemaal een spectrale vermogensverdeling die eigenschappen vertoont die sterk lijken op natuurlijk daglicht, wat zorgt voor een perfecte kleurweergave. Dit betekent dat het menselijke visuele systeem zich al comfortabel voelde met perfect gerenderde omgevingen, zowel binnen als buiten, sinds onze apenachtige voorouders begonnen te evolueren. De introductie van fluorescentieverlichting was een ramp qua kleurkwaliteit. Sindsdien zijn de sterk verzadigde kleuren van alles om ons heen onder kunstlicht slecht weergegeven en moet het menselijk oog de kleurvervormingen verdragen. Er zijn echter veel toepassingen waarbij slechte kleurweergave niet kan worden getolereerd of toegestaan.
Visueel veeleisende taken of kleurkritische toepassingen thuis, op kantoor of in studio's, of het nu lezen, schrijven, tekenen, schilderen, fotograferen of make-up is, vereisen nauwkeurige kleurweergave om de taakprestaties te verbeteren, kleurafstemming te garanderen en/of oogvermoeidheid te voorkomen.
In industriële faciliteiten zoals textielfabrieken, voedselverwerkingsfabrieken, drukkerijen, auto-schilderateliers en micro-elektronica assemblagelijnen stelt hoge kleurgetrouwe verlichting werknemers in staat kleuren nauwkeurig te zien voor het uitvoeren van precisietaken en kwaliteitscontroles, terwijl het bijdraagt aan een veilige, productieve werkomgeving.
Spectraal versterkt licht kan meer verzadigde kleuren weergeven, wat een omgeving een aantrekkelijker uiterlijk geeft. In hospitality-omgevingen zoals hotels, restaurants en bars helpt de levendigheid van kleuren om ruimtes te creëren die plezierig zijn. Een sterk verzadigde sfeer zorgt ervoor dat huidtinten gezonder en natuurlijker lijken, zodat mensen er op hun best uitzien. Vleiend licht creëert een sfeer van plezier en opwinding voor face-to-face interacties.
Winkelverlichting moet mooie kleuren hebben om de premium kwaliteit van de producten te benadrukken en de winkeldisplays te versterken voor maximale impact. Hoogwaardig licht met uitstekende kleurweergave moet worden gebruikt om levendig gekleurde groenten en fruit te accentueren en de smakelijke roodheid van het vlees in supermarkten naar voren te brengen, om een fantastische kleurervaring te creëren met natuurlijke witten en levendige kleuren in modewinkels, en om het natuurlijke uiterlijk van autoafwerkingen in autoshowrooms te versterken.
Kleurweergave is een cruciale factor om rekening mee te houden bij verlichting in musea, galeries en tentoonstellingszalen. De lichtkwaliteit heeft een aanzienlijke invloed op de betrokkenheid van bezoekers. Accentlicht met een superieure kleurweergave helpt het beste uit de getoonde kunstwerken naar voren te brengen. Wit licht, dat overvloedig aanwezig is in lange golflengten in het spectrum van zichtbaar licht, kan worden gebruikt om de kleurverzadiging van het kunstwerk of de tentoonstellingen te vergroten.
Kleurweergave is van groot belang in het werk in de gezondheidszorg. Snelle en nauwkeurige identificatie van subtiele kleurverschillen kan het verschil betekenen tussen leven en dood. Hoogwaardig licht is vereist bij chirurgische ingrepen om zo betrouwbaar mogelijk visuele informatie te genereren (zoals onvervalste details en contrast tussen aangrenzende weefsels) van het gebied waarop wordt geopereerd. Een verzadigd rood in het lichtspectrum maakt een optimale visualisatie mogelijk van subtiele tinten rood in een wondgebied dat is voorzien van rood weefsel en getint is met bloed.
Kleurweergave-index (CRI)
De kleurrenderingsindex (CRI) is een relatieve maat voor hoe goed kleuren worden weergegeven door de optische straling van een witte lichtbron in vergelijking met een referentiestraler met een vergelijkbare gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT). Beheerd door de Internationale Commissie voor Verlichting (CIE of Commission internationale de l'eclairage), is de CRI de enige internationaal erkende standaard voor het meten van kleurweergavekwaliteit. Bij de berekening van CRI wordt het kleuruiterlijk van 14 reflecterende monsters uit het standaard Munsell-bereik gesimuleerd onder zowel een testbron als de referentiebron. Elke specifieke kleur krijgt een anRi-waarde als indicatie van de kleurweergave. Het bereik van deze waarde loopt van 0 tot 100, waarbij 100 geen kleurverschil tussen de testbron en de referentieradiator vertegenwoordigt. De belangrijkste maatstaf van het CIE-systeem is de algemene kleurweergave-index Ra, die wordt berekend door de Ri-scores voor de eerste acht reflecterende monsters te middelen. Als zodanig is de hoogste CRI Ra-waarde 100 wanneer de stralingsspectrale verdeling van acht testkleuren nauw overeenkomt met die van referentiemonsters bij dezelfde kleurtemperatuur. In de gangbare praktijk verwijst CRI naar de Ra-waarde wanneer men ziet dat alleen "CRI" wordt gepubliceerd in een productgegevensblad.
De behoefte aan kleurweergave varieert per belichtingstoepassing. Een CRI van 80 wordt vaak beschouwd als de minimaal acceptabele waarde voor interieur omgevings- en taakverlichting. Kwalitatief hoogwaardig kunstlicht probeert over het algemeen de kenmerken van natuurlijk daglicht na te bootsen. Als het enigszins mogelijk is, zou kunstlicht de superieure kleurweergave van gloeilampen moeten terugbrengen, die een CRI Ra van meer dan 95 heeft. Helaas lijkt dit onpraktisch omdat de verlichtingsindustrie graag de algemeen geaccepteerde middelmatige kleurweergavestandaard volgt die wordt vastgesteld door fluorescerende verlichting, met typische CRI Ra-waarden van ongeveer 70-80.
Beperkingen van de CRI-kleurweergavemetrics
De kleurwetenschap die de CIE CRI-berekening gebruikt, is al lang verouderd. CRI Ra wordt berekend met slechts acht van de 14 reflecterende monsters, die allemaal een lage tot middelhoge chromatische verzadiging hebben. Lampen met een hoge CRI kunnen kleuren met lage verzadiging goed weergeven, maar kunnen slecht presteren bij meer verzadigde kleuren. In het bijzonder hebben de R1-R8 testmonsters beperkte kromming in het rode deel van het zichtbare spectrum en bieden daarom mogelijk weinig spectrale reflectie voor de rode kleur. Typische 80 CRI-LEDs zijn oververzadigd in het blauwe en groene spectrum en hebben onvoldoende rode prestaties, wat kan leiden tot een slechte kleurweergave van objecten met rode pigmenten, zoals het hemoglobine in de menselijke huid. Zo wordt het testmonster 9 (een verzadigde rode kleur waarvan de index als R9 wordt aangeduid) vaak afzonderlijk vermeld als aanvulling op de CRI-algemene index Ra in kleurkritische verlichtingstoepassingen.
Naast het fundamentele gebrek in de berekening van chromatische aanpassing en kleurverschil, kan rekenkundige middeling van de Ri van acht testkleuren zeer slechte weergave van één of meer kleurmonsters maskeren. Een enkele Ra-waarde zegt niets specifieks over de spectrale inhoud van de bron of haar tekortkomingen. Bovendien evalueert CRI alleen kleurgetrouheid, en andere kleurkwaliteitskenmerken zoals chromatische discriminatie en voorkeuren van waarnemers worden genegeerd. Chromatische discriminatie verwijst naar het vermogen om gelijke kleuren of subtiele verschillen in tinten te onderscheiden. Deze dimensie van kleurkwaliteit kan afwijken van absolute trouw. Voorkeuren van waarnemers hebben betrekking op het vermogen van een lichtbron om objecten met een aangename kleuruitstraling weer te geven. Voor het menselijk oog wordt een hoge kleurvoorkeursindex vaak geassocieerd met een groot aandeel verzadigde kleuren in het lichtspectrum.
Kleurweergave-metrics blijven worden ontwikkeld om deze tekortkomingen aan te pakken. Supplementen en alternatieven voor de gebrekkige CRI zijn onder andere TM-30-18 (IES Method for Evaluating Light Source Color Rendition), kleurkwaliteitsschaal (CQS), gamut area index (GAI), color gamut index (CGI), full spectrum kleurindex (FSCI), color rendering map (CRM), color discrimination index (CDI), color preference index (CPI), color harmony index (CHI), color rendering capacity (CRC), feel of contrast index (FCI), flattery index (FI), memory color rendering index (MCRI), enzovoort. De belangrijkste indices die worden overwogen, worden hieronder beschreven.
IES TM-30-18
Het Technical Memorandum TM-30-18 biedt een objectieve en statistische benadering om zowel de algehele gemiddelde eigenschappen (kleurgetrouheid, gamutgebied) als tint-specifieke eigenschappen (getrouwheid, chromaverschuiving, tintverschuiving) te kwantificeren. TM-30 is een evaluatiekader dat bestaat uit drie hoofdcomponenten: een systeem voor het definiëren van de referentieverlichting, specificatie van de kleurmonsters en de implementatie van een model van menselijk zicht. De methode maakt gebruik van 99 kleurevaluatiemonsters (CES) om het verschil in kleurweergave tussen de testbron en referentieverlichting te kwantificeren. Het is belangrijk op te merken dat dit kader niet is ontworpen om menselijke waarnemingen, zoals kleurvoorkeur, direct te karakteriseren of om één enkele waarde te bieden die de gecombineerde kleurweergave van een lichtbron vastlegt.
In deze methode worden twee indices geleverd om respectievelijk kleurgetrouheid en gamutoppervlakte vast te leggen. De trouwheidsindex (Rf), die analoog is aan de enkele waarde Ra die door CRI wordt geleverd, geeft de gemiddelde kleurgetrouwheid aan die wordt berekend door het verschil te bepalen tussen de CAM02-UCS-coördinaten van elke CES onder de testbron en referentieverlichting, en vervolgens het rekenkundige gemiddelde van deze kleurverschillen te bepalen. De schaal voor Rf loopt van 0 tot 100, waarbij een waarde van 100 impliceert dat de bron alle 99 kleuren op een identiek wijze aan de referentie rendert. De gamutindex (Rg) beschrijft de toename of afname van de chroma voor de gegeven lichtbron. Een Rg-waarde van 100 vertegenwoordigt een identiek verzadigingsniveau vergeleken met dat van de referentie. IES TM-30-18 biedt ook een visuele weergave van tint en verschuivingen rond de tintcirkel via een visueel hulpmiddel genaamd color vector graphic (CVG).
Kleurkwaliteitsschaal (CQS)
Ontwikkeld door het National Institute of Standards and Technology (NIST), is de Color Quality Scale (CQS) ontworpen om veel van de tekortkomingen van de CRI aan te pakken. Dit kwaliteitsbeoordelingssysteem voor kleurweergave houdt rekening met drie aspecten van kleurverschijning, waaronder kleurgetrouheid, chromatische discriminatie en de voorkeuren van waarnemers. In plaats van slechts acht low-chroma kleursamples te gebruiken die niet het volledige spectrum van tinten beslaan, gebruikt CQS een set van 15 Munsell-samples die een hogere chroma hebben dan die in de CRI worden gebruikt en gelijkmatig over de hele tintcirkel zijn verdeeld. CQS biedt ook een verbeterde correctie voor chromatische aanpassing en een meer homogene kleurruimte. De kleurvoorkeurscomponent wordt aangepakt door kleurverschillen die de chroma matig verhogen te verminderen.
Gamut Area Index (GAI)
De gamutoppervlakte-index (GAI) is een standaard gamut-index die de nadruk legt op tonen en vitaliteit van kleuren. De GAI is complementair aan CRI en legt de nadruk op kleurgetrouheid. De acht testkleurmonsters en de kleurruimte voor het berekenen van CRI Ra worden ook in deze methode gebruikt. GAI wordt bepaald door het gebied dat wordt omsloten binnen een veelhoek gedefinieerd door de chromaticiteiten in de kleurruimte van CIE 1976 u'v' te vergelijken met het kleurruimtegebied geproduceerd door de imaginaire of theoretische gelijke-energie spectrum (EES) bron, waarbij de stralingskracht gelijk is bij alle golflengten. Hoe groter de GAI, hoe levendiger de lichtbron de objectkleuren weergeeft. De EES wordt beoordeeld op 100, maar de GAI kan boven de 100 uitkomen wanneer het vermogen van de testlichtbron om kleur te verzadigen beter is dan dat van een bron met gelijke energie.
Televisieverlichtingsconsistentie-index (TLCI)
Alle hierboven genoemde kleurweergavemetrics zijn ontwikkeld voor het menselijk oog. In de huidige verbonden wereld vertrouwen we echter steeds meer op video- en filmcamera's om de wereld te beleven. De scène die door een lichtbron wordt weergegeven kan op televisie een ander visueel effect hebben, omdat de responscurves van de filmemulsie- of videosensoren aanzienlijk verschillen van die van het menselijk oog. Daarom is een alternatief voor de CRI nodig geweest om de chromaticiteitskwaliteit van een lichtbron te evalueren wanneer deze in de televisieomgeving wordt gebruikt. De Television Lighting Consistency Index (TLCI), ontwikkeld door de European Broadcasting Union (EBU), probeert veel van de problemen aan te pakken die samenhangen met het gebruik van LED-verlichting in film- en televisieproductie. TLCI gebruikt een methodologie vergelijkbaar met die van CRI en CQS, waarbij het gebruikmaakt van een standaard set kleurtestmonsters uit de X-Rite ColorChecker-tabel en een referentielichtbron (een mix van licht geproduceerd door een zwarte bodyradiator en daglicht tussen 3400 K en 5000 K). De spectrale vermogensverdeling van een testbron wordt gemeten met een spectroradiometer en de berekeningen worden uitgevoerd door een software-analyseprogramma.
De kleurwetenschap van LED-verlichting
De komst van LED-technologie maakt de oude kleurenwetenschap van kunstmatige lichtbronnen overbodig. Ondanks een smalle spectrale lijnbreedte en het produceren van monochromatisch licht zoals rood, blauw of groen, kunnen LED's worden verpakt om wit licht te produceren in elke spectrale vermogensverdeling en zo de gewenste chromaticiteit en kleurweergave te leveren. Er zijn in wezen twee manieren om wit licht te produceren met LED's. Wit licht kan worden gecreëerd door additieve kleurmenging door de drie primaire kleurdiodes rood (R), groen (G) en blauw (B) te combineren. Deze methode is echter onpraktisch omdat 1) het piekspectrum spectraal niet bevat in cyaan, geel en oranje, wat leidt tot een onvoldoende kleurweergave; 2) slechte lichtkracht door de inefficiënties van groene en rode directe emissie; en 3) hoge kosten door zowel het gebruik van meerkleurige diodes als de noodzaak van adequate besturing van deze diodes.
De tweede en ook universeel aangenomen methode is golflengteconversie, die gebruikmaakt van een combinatie van monochromatische InGan LEDs met grote bandkloof en lichtomzettende fosformaterialen. LED's die met deze methode worden geproduceerd, worden fosfor-omgezette LED's (PC-LED's) genoemd en worden onderverdeeld in twee categorieën: blauwpomp-LEDs en violet-pomp LED's. Blauwe pomp-LEDs bestaan uit een blauwe LED-chip die is gecoat met een organisch polymeer dat een gele fosfor bevat. Het fosfor zet een deel van het hogere energie, kortgolvige blauwe licht om in licht met lagere energie, langere golflengte, dat zich mengt met het resterende blauwe licht om het gewenste witte licht te produceren. Violet-pomp LEDs combineren een violette LED en drie fosforen (blauw, groen en rood). De blauwe, groene en rode fosforemissies stellen het LED-pakket in staat spectrale energie over het gehele zichtbare spectrum te verdelen, wat resulteert in een uitstekende kleurweergave.
Onethische praktijken in de verlichtingsindustrie
De ongekende mogelijkheid om te bepalen hoe licht kleuren rendert is een van de sterke punten van LED-verlichting. Helaas vertaalt dit zich niet in een goede kleurkwaliteit in kunstlicht, dat nu alomtegenwoordig wordt aangedreven door LED-technologie. De inherente reden is dat de verlichtingsindustrie de winstmarge niet wil opofferen voor een hogere kleurkwaliteit van licht. Deze reden verklaart ook waarom verlichtingsfabrikanten nooit proberen consumenten te informeren dat hoge CCT-verlichting het circadiane ritme kan verstoren en de menselijke gezondheid negatief kan beïnvloeden. Ook hechten de regelgevende instanties te veel waarde aan de efficiëntie van verlichtingsproducten en doen ze nauwelijks moeite om de lichtkwaliteit van LED-producten te verbeteren.
De afweging tussen kleurweergave en lichtgevende effectiviteit
De terughoudendheid van de industrie om hoge kleurweergave in LED-verlichting te introduceren, is toe te schrijven aan de afweging tussen lichtkracht en kleurkwaliteit. Blauwe pomp-LED's, die de hoogste efficiëntie en de laagste productiekosten hebben onder LED's die met verschillende methoden zijn vervaardigd, hebben een dominant aandeel veroverd op de markt voor algemene verlichting. Om het LED-pakket in staat te stellen alle emissies te produceren die nodig zijn om het breedste bereik en de hoogste kleurverzadiging te leveren, moet een fosformengsel met hogere kosten worden gebruikt. Een LED met een goede kleurweergave heeft een overvloed aan lange golflengten, wat betekent dat een groot deel van het blauwe licht de Stokes-verschuiving ondergaat door te transformeren van kortere naar langere golflengten. Deze Stokes-shift leidt onvermijdelijk tot een enorm energieverlies en vermindert daarmee de efficiëntie van het pakket aanzienlijk. Het menselijke visuele systeem reageert niet gelijk op alle golflengten. De hoogste omzetting door de ooggevoeligheid over de spectrale lichtverdeling is ongeveer 555 nm. De afstand van de energiepiek van high CRI LED's ten opzichte van de 555 nm golflengte vergroot het verlies in lichtefficiëntie.
De oplossing om de kleurweergave te verbeteren zonder efficiëntieverlies te veroorzaken bij blauwe pomp-LED's, is het gebruik van smallere lijnbreedte rode golflengte down-converters. In dit geval kan het Stokes-verlies dat optreedt tijdens golflengte-downconversie aanzienlijk worden verminderd. Down-converters die hiervoor zijn ontwikkeld, omvatten smalle bandbreedte rode fosforen en quantum dots.
Guangdong Metselaar Technologieën, een toonaangevend LED-pakketbedrijf, biedt een breed scala aan LED-lichtbronproducten aan klanten.
