CCT và CRI

Khả năng hiển thị màu sắc tốt quan trọng như thế nào?

Tầm quan trọng của việc thể hiện màu sắc của nguồn sáng được thể hiện trong mọi khía cạnh của cuộc sống và công việc. Trước khi xuất hiện đèn huỳnh quang, hiệu suất tái tạo màu sắc của nguồn sáng chưa bao giờ là mối quan tâm. Bóng đèn halogen, bóng đèn sợi đốt và đèn nến đều có sự phân bố công suất quang phổ thể hiện chất lượng gần với ánh sáng ban ngày tự nhiên, có khả năng hiển thị màu sắc hoàn hảo. Điều này có nghĩa là hệ thống thị giác của con người đã cảm thấy thoải mái với môi trường được hiển thị hoàn hảo ở cả trong nhà và ngoài trời kể từ khi tổ tiên giống vượn của chúng ta bắt đầu tiến hóa. Sự ra đời của đèn huỳnh quang là một thảm họa về chất lượng màu sắc. Kể từ đó, màu sắc bão hòa cao của mọi thứ xung quanh chúng ta dưới ánh sáng nhân tạo được hiển thị kém và mắt người phải chịu được sự biến dạng màu sắc. Tuy nhiên, có nhiều ứng dụng không thể chấp nhận hoặc cho phép hiển thị màu kém.

Các nhiệm vụ đòi hỏi trực quan hoặc các ứng dụng quan trọng về màu sắc tại nhà, văn phòng hoặc studio, có thể là đọc, viết, vẽ, vẽ tranh, chụp ảnh hoặc trang điểm, yêu cầu kết xuất màu chính xác để cải thiện hiệu suất công việc, đảm bảo kết hợp màu sắc và / hoặc ngăn ngừa mỏi mắt.

Trong các cơ sở công nghiệp như nhà máy dệt, nhà máy chế biến thực phẩm, cơ sở in ấn, xưởng sơn ô tô và dây chuyền lắp ráp vi điện tử, ánh sáng có độ trung thực màu cao cho phép người lao động nhìn thấy màu sắc chính xác để thực hiện các nhiệm vụ chính xác và kiểm tra chất lượng đồng thời góp phần tạo ra một môi trường làm việc an toàn, hiệu quả.

Ánh sáng tăng cường quang phổ có khả năng hiển thị màu sắc bão hòa hơn, mang lại cho môi trường một vẻ ngoài hấp dẫn hơn. Trong môi trường khách sạn như khách sạn, nhà hàng và quán bar, màu sắc rực rỡ giúp tạo ra không gian thú vị. Bầu không khí bão hòa cao làm cho tông màu da trông khỏe mạnh và tự nhiên hơn để mọi người trông đẹp nhất. Ánh sáng tâng bốc tạo ra bầu không khí vui vẻ và phấn khích cho các tương tác trực tiếp.

Ánh sáng bán lẻ phải có màu sắc tuyệt vời để làm nổi bật chất lượng cao của hàng hóa và nâng cao màn hình bán lẻ để có tác động tối đa. Ánh sáng chất lượng cao với khả năng hoàn màu tuyệt vời nên được sử dụng để làm nổi bật trái cây và rau quả có màu sắc sống động và làm nổi bật màu đỏ ngon miệng của thịt trong các cửa hàng tạp hóa, để tạo ra trải nghiệm màu sắc tuyệt vời với màu trắng tự nhiên và màu sắc rực rỡ trong các cửa hàng thời trang, đồng thời tăng cường vẻ ngoài tự nhiên của lớp hoàn thiện xe hơi trong các phòng trưng bày ô tô.

Kết xuất màu sắc là một yếu tố quan trọng cần tính đến trong ánh sáng bảo tàng, phòng trưng bày và phòng triển lãm. Chất lượng ánh sáng có tác động đáng kể đến mức độ tương tác của du khách. Ánh sáng tạo điểm nhấn với khả năng hiển thị màu sắc vượt trội giúp mang lại những gì tốt nhất trong các tác phẩm nghệ thuật được trưng bày. Ánh sáng trắng dồi dào ở bước sóng dài trong quang phổ ánh sáng nhìn thấy có thể được sử dụng để tăng độ bão hòa màu của tác phẩm nghệ thuật hoặc triển lãm.

Kết xuất màu sắc có tầm quan trọng đáng kể trong công việc chăm sóc sức khỏe. Xác định nhanh chóng và chính xác sự khác biệt tinh tế về màu sắc có thể có nghĩa là sự khác biệt giữa sự sống và cái chết. Ánh sáng chất lượng cao là cần thiết trong các quy trình phẫu thuật để tạo ra thông tin thị giác đáng tin cậy nhất có thể (chẳng hạn như chi tiết không pha trộn và độ tương phản giữa các mô liền kề) của khu vực được phẫu thuật. Màu đỏ bão hòa trong quang phổ ánh sáng cho phép hình dung tối ưu các sắc thái tinh tế của màu đỏ ở vùng vết thương được khuếch tán bằng mô đỏ và nhuộm màu trong máu.

Chỉ số hoàn màu (CRI) là phép đo tương đối về mức độ hiển thị màu sắc bởi bức xạ quang học của nguồn sáng trắng so với bộ tản nhiệt tham chiếu có nhiệt độ màu tương quan (CCT) tương đương. Được quản lý bởi Ủy ban Quốc tế về Chiếu sáng (CIE hoặc Ủy ban quốc tế de l'eclairage), CRI là tiêu chuẩn duy nhất được quốc tế chấp nhận để đo chất lượng hoàn màu. Trong tính toán CRI, sự xuất hiện màu sắc của 14 mẫu phản xạ từ phạm vi Munsell tiêu chuẩn được mô phỏng dưới cả nguồn thử nghiệm và nguồn tham chiếu. Mỗi màu cụ thể được cung cấp giá trị anRi như một dấu hiệu về khả năng hoàn màu của nó. Phạm vi của giá trị này là từ 0-100, với 100 đại diện cho sự khác biệt về màu sắc giữa nguồn thử nghiệm và bộ tản nhiệt tham chiếu. Chỉ số chính của hệ thống CIE là chỉ số hoàn màu chung Ra, được tính bằng cách tính trung bình điểm Ri cho tám mẫu phản xạ đầu tiên. Như vậy, giá trị CRI Ra cao nhất là 100 khi phân bố quang phổ bức xạ của tám màu thử nghiệm gần giống với sự phân bố của các mẫu tham chiếu ở cùng nhiệt độ màu. Trong thông lệ phổ biến, CRI đề cập đến giá trị Ra bất cứ khi nào người ta chỉ thấy "CRI" được công bố trong bảng dữ liệu sản phẩm.

Nhu cầu hoàn màu khác nhau tùy theo ứng dụng chiếu sáng. CRI là 80 thường được coi là giá trị tối thiểu có thể chấp nhận được đối với ánh sáng xung quanh nội thất và ánh sáng nhiệm vụ. Ánh sáng nhân tạo chất lượng thường cố gắng tái tạo các đặc điểm của ánh sáng ban ngày tự nhiên. Nếu có thể, ánh sáng nhân tạo sẽ mang lại khả năng hiển thị màu sắc vượt trội của ánh sáng sợi đốt, có CRI Ra lớn hơn 95. Thật không may, điều này dường như không thực tế vì ngành công nghiệp chiếu sáng rất vui khi tuân theo tiêu chuẩn hoàn màu tầm thường được chấp nhận rộng rãi được thiết lập bởi ánh sáng huỳnh quang có giá trị CRI Ra điển hình khoảng 70-80.

Khoa học màu sắc mà tính toán CIE CRI sử dụng đã lỗi thời từ lâu. CRI Ra được tính toán chỉ bằng cách sử dụng tám trong số 14 mẫu phản chiếu, tất cả đều có độ bão hòa màu từ thấp đến trung bình. Đèn có CRI cao có thể hiển thị tốt màu sắc có độ bão hòa thấp, nhưng có thể hoạt động kém trên các màu bão hòa hơn. Đặc biệt, các mẫu thử nghiệm R1-R8 có độ cong hạn chế trong phần màu đỏ của quang phổ nhìn thấy và do đó có thể không cung cấp nhiều phản xạ quang phổ cho màu đỏ. Đèn LED 80 CRI điển hình quá bão hòa trong quang phổ xanh lam và xanh lá cây và có hiệu suất màu đỏ không đủ, điều này có thể dẫn đến khả năng hiển thị màu kém của các vật thể có chứa sắc tố đỏ, chẳng hạn như hemoglobin trong da người. Do đó, mẫu thử nghiệm 9 (màu đỏ bão hòa có chỉ số được xác định là R9) thường được liệt kê riêng lẻ như một phần bổ sung cho chỉ số chung CRI Ra trong các ứng dụng chiếu sáng quan trọng về màu sắc.

Ngoài lỗ hổng cơ bản trong tính toán thích ứng màu sắc và sự khác biệt về màu sắc, tính trung bình số học của Ri của tám màu thử nghiệm có thể che giấu khả năng hiển thị rất kém của một hoặc nhiều mẫu màu. Một giá trị Ra duy nhất không cho biết cụ thể về hàm lượng quang phổ của nguồn hoặc những thiếu sót của nó. Hơn nữa, CRI chỉ đánh giá độ trung thực của màu sắc và các đặc điểm chất lượng màu khác như phân biệt màu sắc và sở thích của người quan sát bị bỏ qua. Phân biệt màu đề cập đến khả năng phân biệt giữa các màu tương tự hoặc sự khác biệt tinh tế về màu sắc. Kích thước chất lượng màu sắc này có thể sai lệch so với độ trung thực tuyệt đối. Sở thích của người quan sát liên quan đến khả năng của nguồn sáng để hiển thị các đối tượng có màu sắc đẹp mắt. Đối với mắt người, chỉ số ưa thích màu sắc cao thường liên quan đến một phần cao của màu bão hòa trong quang phổ ánh sáng.

Các chỉ số hoàn màu tiếp tục được phát triển để giải quyết những thiếu sót này. Các bổ sung và thay thế cho CRI có sai sót bao gồm TM-30-18 (Phương pháp IES để đánh giá khả năng hiển thị màu nguồn sáng), thang chất lượng màu (CQS), chỉ số vùng gam màu (GAI), chỉ số gam màu (CGI), chỉ số màu toàn phổ (FSCI), bản đồ hoàn màu (CRM), chỉ số phân biệt màu (CDI), chỉ số ưu tiên màu (CPI), chỉ số hài hòa màu (CHI), khả năng hoàn màu (CRC), chỉ số cảm giác tương phản (FCI), chỉ số tâng bốc (FI), chỉ số hoàn màu bộ nhớ (MCRI), v.v. Các chỉ số quan trọng nhất đang được xem xét được mô tả dưới đây.

Bản ghi nhớ kỹ thuật TM-30-18 cung cấp một cách tiếp cận khách quan và thống kê để định lượng cả các đặc tính trung bình tổng thể (độ trung thực của màu sắc, diện tích gam màu) và các thuộc tính cụ thể của màu sắc (độ trung thực, sự thay đổi sắc độ, sự thay đổi màu sắc). TM-30 là một khung đánh giá bao gồm ba thành phần chính: một hệ thống để xác định ánh sáng tham chiếu, đặc điểm kỹ thuật của các mẫu màu và thực hiện mô hình thị giác của con người. Phương pháp này sử dụng 99 mẫu đánh giá màu (CES) để định lượng sự khác biệt về khả năng hiển thị màu sắc giữa nguồn thử nghiệm và đèn chiếu sáng tham chiếu. Điều quan trọng cần lưu ý là khung này không được thiết kế để mô tả trực tiếp nhận thức của con người, chẳng hạn như sở thích màu sắc hoặc để cung cấp một giá trị duy nhất nắm bắt chất lượng hiển thị màu kết hợp của nguồn sáng.

Hai chỉ số được cung cấp trong phương pháp này để ghi lại độ trung thực của màu sắc và diện tích gam màu, tương ứng. Chỉ số độ trung thực (Rf), tương tự như giá trị đơn Ra do CRI cung cấp, cho biết độ trung thực màu trung bình được tính bằng cách xác định sự khác biệt giữa tọa độ CAM02-UCS của mỗi CES dưới nguồn thử nghiệm và đèn chiếu sáng tham chiếu, sau đó xác định giá trị trung bình cộng của các khác biệt màu này. Tỷ lệ cho Rf là từ 0 đến 100, trong đó giá trị 100 ngụ ý rằng nguồn hiển thị tất cả 99 màu theo cách giống với tham chiếu. Chỉ số gam màu (Rg) mô tả sự tăng hoặc giảm sắc độ đối với nguồn sáng nhất định. Giá trị Rg là 100 đại diện cho mức độ bão hòa giống hệt nhau so với giá trị của tham chiếu. IES TM-30-18 cũng cung cấp một biểu diễn trực quan về màu sắc và sự dịch chuyển xung quanh vòng tròn màu sắc thông qua một công cụ trực quan được gọi là đồ họa vectơ màu (CVG).

Được phát triển bởi Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia (NIST), Thang chất lượng màu (CQS) được thiết kế để giải quyết nhiều thiếu sót của CRI. Hệ thống đánh giá chất lượng hoàn màu này xem xét ba khía cạnh của sự xuất hiện màu sắc bao gồm độ trung thực của màu sắc, phân biệt màu sắc và sở thích của người quan sát. Thay vì chỉ sử dụng tám mẫu màu sắc thấp không trải dài đầy đủ các màu sắc, CQS sử dụng một bộ 15 mẫu Munsell có sắc độ cao hơn so với mẫu được sử dụng trong CRI và cách đều nhau dọc theo toàn bộ vòng tròn màu sắc. CQS cũng cung cấp hiệu chỉnh thích ứng màu sắc được cải thiện và không gian màu đồng nhất hơn. Thành phần ưu tiên màu sắc được giải quyết bằng cách giảm bớt sự khác biệt về màu sắc làm tăng sắc độ vừa phải.

Chỉ số diện tích gam màu (GAI) là chỉ số gam màu tiêu chuẩn nhấn mạnh vào tông màu và sức sống của màu sắc. GAI bổ sung cho CRI nhấn mạnh độ trung thực của màu sắc. Tám mẫu màu thử nghiệm và không gian màu để tính toán CRI Ra cũng được sử dụng trong phương pháp này. GAI được xác định bằng cách so sánh diện tích bao quanh trong một đa giác được xác định bởi các sắc độ trong không gian màu CIE 1976 u'v' với diện tích không gian màu được tạo ra bởi nguồn phổ năng lượng bằng nhau (EES) tưởng tượng hoặc lý thuyết trong đó công suất bức xạ bằng nhau ở tất cả các bước sóng. GAI càng lớn, nguồn sáng hiển thị màu sắc của đối tượng càng sống động. EES được chấm điểm là 100, nhưng GAI có thể vượt quá 100 khi khả năng bão hòa màu sắc của nguồn sáng thử nghiệm vượt trội hơn so với nguồn năng lượng tương đương.

Tất cả các chỉ số hoàn màu nêu trên đã được phát triển cho mắt người. Tuy nhiên, trong thế giới kết nối ngày nay, chúng ta ngày càng dựa vào máy quay video và phim để trải nghiệm thế giới. Cảnh được hiển thị bởi nguồn sáng có thể có hiệu ứng hình ảnh khác nhau trên truyền hình vì đường cong phản hồi của nhũ tương phim hoặc cảm biến video khác biệt đáng kể so với mắt người. Do đó, cần có một giải pháp thay thế cho CRI để đánh giá chất lượng màu sắc của nguồn sáng khi được sử dụng trong môi trường truyền hình. Chỉ số nhất quán về ánh sáng truyền hình (TLCI), do Liên minh Phát thanh Truyền hình Châu Âu (EBU) phát triển, tìm cách giải quyết nhiều vấn đề liên quan đến việc sử dụng đèn LED trong sản xuất phim và truyền hình. TLCI sử dụng một phương pháp tương tự như CRI và CQS ở chỗ nó sử dụng một bộ mẫu thử nghiệm màu tiêu chuẩn từ biểu đồ X-Rite ColorChecker và nguồn sáng tham chiếu (hỗn hợp ánh sáng được tạo ra bởi bộ tản nhiệt thân đen và ánh sáng ban ngày từ 3400 K đến 5000 K). Sự phân bố công suất quang phổ của nguồn thử nghiệm được đo bằng máy đo quang phổ và các phép tính được thực hiện bởi chương trình phân tích phần mềm.

Sự ra đời của công nghệ LED khiến khoa học màu sắc cũ của nguồn sáng nhân tạo trở nên lỗi thời. Mặc dù có độ rộng vạch quang phổ hẹp và tạo ra ánh sáng đơn sắc như đỏ, xanh lam hoặc xanh lá cây, đèn LED có thể được đóng gói để tạo ra ánh sáng trắng trong bất kỳ phân phối công suất quang phổ nào và do đó mang lại màu sắc và hiển thị màu sắc mong muốn. Về cơ bản, có hai cách để tạo ra ánh sáng trắng bằng đèn LED. Ánh sáng trắng có thể được tạo ra thông qua trộn màu phụ gia bằng cách kết hợp ba điốt màu cơ bản là đỏ (R), xanh lá cây (G) và xanh lam (B). Tuy nhiên, phương pháp này là không thực tế vì 1) quang phổ gai thiếu hàm lượng quang phổ ở màu lục lam, vàng và cam, dẫn đến hiển thị màu không đủ; 2) hiệu quả phát sáng kém do sự kém hiệu quả của phát xạ trực tiếp màu xanh lá cây và màu đỏ; và 3) chi phí cao từ cả việc sử dụng điốt nhiều màu và nhu cầu kiểm soát đầy đủ các điốt này.

Phương pháp thứ hai và cũng được áp dụng rộng rãi là chuyển đổi bước sóng sử dụng sự kết hợp của đèn LED InGan đơn sắc, khoảng cách dải lớn và vật liệu phốt pho chuyển đổi ánh sáng. Đèn LED được sản xuất bằng phương pháp này được gọi là đèn LED chuyển đổi phốt pho (PC-LED) và được chia thành hai loại: đèn LED bơm màu xanh lam và đèn LED bơm màu tím. Đèn LED bơm màu xanh lam bao gồm một chip LED màu xanh lam được phủ một lớp polyme hữu cơ có chứa phốt pho màu vàng. Phốt pho chuyển đổi xuống một phần ánh sáng xanh năng lượng cao hơn, bước sóng ngắn thành năng lượng thấp hơn, ánh sáng bước sóng dài hơn trộn với ánh sáng xanh còn lại để tạo ra ánh sáng trắng mong muốn. Đèn LED bơm màu tím kết hợp đèn LED màu tím và ba phốt pho (xanh lam, xanh lá cây và đỏ). Phát xạ phốt pho màu xanh lam, xanh lá cây và đỏ cho phép gói LED phân phối năng lượng quang phổ trên toàn bộ quang phổ nhìn thấy, dẫn đến khả năng hiển thị màu sắc tuyệt vời.

Khả năng kiểm soát cách ánh sáng hiển thị màu sắc chưa từng có là một trong những điểm mạnh của đèn LED. Thật không may, điều này không chuyển thành chất lượng màu tốt trong ánh sáng nhân tạo hiện được cung cấp bởi công nghệ LED. Lý do vốn có là ngành chiếu sáng không muốn hy sinh tỷ suất lợi nhuận để có chất lượng ánh sáng màu cao hơn. Lý do này cũng giải thích tại sao các nhà sản xuất chiếu sáng không bao giờ cố gắng thông báo cho người tiêu dùng rằng ánh sáng CCT cao có thể làm gián đoạn nhịp sinh học và ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe con người. Ngoài ra, các cơ quan quản lý cân nhắc quá nhiều về mặt hiệu quả của các sản phẩm chiếu sáng và hầu như không nỗ lực cải thiện chất lượng ánh sáng của các sản phẩm LED.

Sự miễn cưỡng của ngành công nghiệp trong việc đưa khả năng hiển thị màu sắc cao vào đèn LED có thể là do sự đánh đổi giữa hiệu quả phát sáng và chất lượng màu sắc. Đèn LED bơm xanh, có hiệu suất cao nhất và chi phí sản xuất thấp nhất trong số các đèn LED được chế tạo bằng các phương pháp khác nhau, đã chiếm thị phần thống trị trên thị trường chiếu sáng nói chung. Để cho phép gói LED tạo ra tất cả các khí thải cần thiết để hiển thị phạm vi rộng nhất và độ bão hòa màu cao nhất, phải sử dụng hỗn hợp phốt pho có chi phí cao hơn. Một đèn LED có khả năng hiển thị màu sắc tốt có nhiều bước sóng dài, có nghĩa là một phần lớn ánh sáng xanh trải qua sự dịch chuyển Stokes được chuyển đổi từ bước sóng ngắn hơn sang dài hơn. Sự thay đổi Stokes này chắc chắn dẫn đến tổn thất năng lượng lớn và do đó ảnh hưởng đáng kể đến hiệu quả của gói hàng. Hệ thống thị giác của con người không phản ứng như nhau với tất cả các bước sóng. Sự chuyển đổi cao nhất của độ nhạy của mắt so với sự phân bố quang phổ của ánh sáng là khoảng 555 nm. Khoảng cách của đỉnh năng lượng của đèn LED CRI cao so với bước sóng 555 nm làm tăng sự mất hiệu quả phát sáng.

Giải pháp để cải thiện khả năng hiển thị màu sắc mà không gây giảm hiệu quả trong đèn LED bơm màu xanh lam là sử dụng bộ chuyển đổi xuống bước sóng màu đỏ có độ rộng dòng hẹp hơn. Trong trường hợp này, tổn thất Stokes xảy ra trong quá trình chuyển đổi xuống bước sóng có thể giảm đáng kể. Bộ chuyển đổi xuống được phát triển cho mục đích này bao gồm phốt pho đỏ băng thông hẹp và chấm lượng tử.

Công nghệ Mason Quảng Đông, một công ty đóng gói LED hàng đầu, cung cấp nhiều loại sản phẩm nguồn sáng LED cho khách hàng.