Metody zlepšování podání barev – 2. část

První část této minisérie (viz Světlo 1/2020, str. 16–17) demonstrovala zvýšení všeobecného indexu podání barev bílé světelné diody přidáním jedné nebo dvou barevných LED. Tato část zkoumá zlepšení Ra světelných zdrojů pomocí filtru, který vhodnou spektrální oblast naopak zeslabí. Experiment opět používá metodu posouvání Gaussovy křivky přes celé viditelné spektrum, zde však její průběh tvoří filtr typu pásmová zádrž a jeho charakteristikou se násobí spektrální složení výkonu zkoumaného světelného zdroje.

Filtrace LED 840

K prvnímu experimentu byla zvolena běžně používaná světelná dioda o parametrech podle tab. 1 a obr. 1. Počáteční parametry filtru byly stanoveny empiricky: FWHM 24 nm a zeslabení na dně zářezu o 40 %. Pro všechna posunutí filtru λc od 400 do 760 nm po 1 nm byly u součinu vypočteny parametry R_a, R_f (precizní index podání barev podle CIE 224:2017), TCP, ekvivalent kolorimetrické odchylky SCDM označený N (Δ_u’,_v’/0,001 1, viz předchozí část) a relativní světelný tok φ.

Obr. 1. Spektrální charakteristiky původního (čárkovaně) a filtrovaného světla

V prvním kroku byla kritériem pouze maximalizace R_a, které bylo dosaženo při λ_c = 571 nm. Zde je však příliš vysoká kolorimetrická odchylka N = 7,1. Ve druhém kroku proto optimalizace hledala maximum R_a při zachování N ≈ 3, čehož bylo dosaženo pro λ_c = 582 nm. Podrobné výsledky jsou uvedeny v tab. 1 a na obr. 1. Nejvhodnější místo k filtraci se zde nachází blízko vrcholu „luminoforové“ části spektra světelné diody.

Tab. 1. Parametry světla bez korekce a s korekcí

 Za cenu poklesu světelného toku o 9 % došlo ke zvýšení R_a o 12 bodů. Reálná ztráta ve filtru by se patrně blížila 20 %, což je obvyklé snížení světelného toku u LED o R_a > 90 oproti srovnatelnému modelu o R_a > 80. Postup lze použít iterativně a dosáhnout tak dalšího zlepšení parametrů podle zvolené kriteriální funkce. Spektrum lze rovněž rozdělit na intervaly a hledat vhodnou kombinaci několika pásmových zádrží.

Výhodou popsaného filtru je možnost doplňkového zlepšení podání barev u existujících nebo již provozovaných svítidel se světelnými zdroji v základním R_a. Výzvou naopak může být jeho proveditelnost, stabilita během životnosti světelného zdroje a omezení spojená s nutností přibližně kolmého průchodu světla.

Příkladem úspěšné realizace je filtr Verbatim Vx, který má podobu nafialovělého krycího skla do reflektoru pro všeobecné osvětlování. U LED s R_a > 80 a TCP 3 000 až 4 000 K zvyšuje filtr R_a o 10 bodů a výrobce dále udává pokles světelného toku o 20 až 25 %, změnu T_CP přibližně o 10 % a dobu života 50 tisíc hodin [1]. V ilustraci na obr. 2 se index R_a zvýšil z 85 na 94.

Obr. 2. Přibližné spektrální charakteristiky k filtru Verbatim Vx, změřeno se souhlasem vystavovatele

Dichroický filtr High End Systems TM-30/CRI je naopak určen ke zlepšení podání barev u profesionálních scénických LED světlometů. Výrobce udává zlepšení R_a ze 75 na 90 a R_f podle IES TM-30 ze 71 na hodnotu 80. V ilustraci na obr. 3 se index R_a zvýšil ze 75 na 88.

Obr. 3. Přibližné spektrální charakteristiky k filtru High End Systems TM-30/CRI, rekonstruováno podle [2]

Sirná výbojka

Dalším příkladem využití filtru zlepšujícího podání barev je sirná výbojka (angl. sulfur lamp). Výboj probíhá v parách síry (S₂) a je buzen mikrovlnami (bezelektrodově). Její vynález se datuje do roku 1990, kdy byl měrný výkon 100 lm/W (později o 30 % více) a možnost realizace malých kilowattových jednotek přitažlivou alternativou k vysokotlakým výbojkám. Příkladem použití sirných výbojek bývalo osvětlení v National Air and Space Museu ve Washingtonu. Jednotky se sirnými výbojkami mají omezené použití jako simulátory slunečního světla (Plasma International) nebo scénické světlomety (Hive Lighting). Spektrum výboje v parách síry má podobu široké zvonové křivky s vrcholem v oblasti modré barvy, viz obr. 4, R_a je těsně pod hranicí 80, avšak světlo trpí velmi značnou kolorimetrickou odchylkou od referenčního zdroje (N = 27). Její korekce a malé zlepšení podání barev tomuto neobvyklému světelnému zdroji otevřely široké aplikační možnosti.

K identifikaci vhodných spektrálních oblastí pro zlepšení R_a lze použít algoritmy popsané v této a předchozí části minisérie. Varianta pro doplnění identifikovala nejvhodnější oblast kolem 625 nm, což přesně odpovídá vylepšení sirné výbojky přísadou bromidu vápenatého (CaBr₂), popsané v [3]. Kolorimetrická odchylka je však stále velmi vysoká (N = 21). Varianta pro filtraci poskytuje charakteristiku odpovídající používanému purpurovému filtru (angl. magenta) a navíc kompenzuje kolorimetrickou odchylku (N = 2). Ztráta světelného toku způsobená charakteristikou filtru je 20 %. Všechny tři průběhy jsou znázorněny na obr. 4.

Obr. 4. Spektrální charakteristika nekorigované sirné výbojky, rekonstruováno podle [3], korekce purpurovým filtrem (zeleně) a korekce přidaným červeným světlem (červeně)

Závěrem

Popsané algoritmy vyhledávají ve spektru světelného zdroje nejvhodnější místa pro doplnění nebo pro filtraci. Ačkoliv má aplikace těchto poznatků řadu praktických omezení – u filtrů jejich realizovatelnost, životnost či směrové vlastnosti, u doplnění barevného světla dokonalost smísení složek nebo dlouhodobou stabilitu a v obou případech určitou ztrátu světelného toku, nabízí řešení v případech, kdy je třeba korigovat existující svítidla nebo není k dispozici náhrada světelného zdroje s vysokým indexem podání barev. Při optimalizaci spektra je třeba pečlivě sledovat průběh kolorimetrické odchylky od referenčního zdroje, protože index podání barev je na ni málo citlivý. Do kriteriální funkce dále patří posun teploty chromatičnosti a energetická ztráta ve filtru. Uvedené postupy dávají kvantitativní rámec intuitivnímu pohledu na to, která část ve spektru světelného zdroje z pohledu podání barev „chybí“ a která v něm naopak „přebývá“.

Příští část minisérie bude věnována avizovaným experimentům s lasery a se světelnými diodami různých barev.

Literatura:
[1] LED Lighting Product Catalogue. Verbatim Ltd, Mitsubishi Kagaku Media, July 2016.
[2] LIN, J. High End Systems Unveils TM-30/CRI Correction Filter for LED Automotive Lights [online]. 2016 [cit. 2020-05-13]. Dostupné z: https://tinyurl.com/y7hadgs5 
[3] LENG, Y a D. A. MACLENNAN. Sulfur lamp with CaBr2 additive for enhanced plant growth: KSC-11970. NASA Tech Briefs. 2000, 24(1), 20.