Sztuczne oświetlenie coraz bardziej zbliżone do słonecznego dzięki technologiom LED

Kiedy patrzymy na przedmioty, postrzegamy ich barwy w zależności od padającego na nie światła. Jesteśmy przyzwyczajeni do oglądania przedmiotów w świetle słonecznym i w różnych rodzajach oświetlenia sztucznego, ale w branży oświetleniowej przyjęło się, że słońce oddaje „idealne” źródło światła. Emituje ono światło w wielu odcieniach, od fioletu do zieleni i od źółci do czerwieni, co stwarza wrażenie światła „białego”. Niemal wszyscy producenci oraz ośrodki badawcze działające w branży oświetleniowej dążą do uzyskania efektów jak najbardziej zbliżonych do naturalnego światła słonecznego.

Jeśli chodzi o postrzeganie kolorów, około czterdziestu lat temu opracowano miarę znaną jako współczynnik oddawania barw (Colour Rendering Index, CRI - w Polsce Ra), która pozwala ocenić jakość światła emitowanego przez takie źródła, jak żarówka. Współczynnik Ra równy 100 oznacza, że źródło światła oddaje kolory tak wiernie, że jest to porównywalne z oglądaniem przedmiotów w świetle słonecznym. Na przykład wolframowe lampy halogenowe osiągają współczynnik Ra równy 100, ale kosztem bardzo niskiej efektywności, ponieważ większość trafiającej do nich energii jest zamieniana na ciepło, a nie na światło. 

Amerykański Narodowy Instytut Standardów i Technologii (NIST) opracował względnie nową skalę jakości kolorów (Color Quality Scale, CQS), która jest dokładniejszą miarą jakości światła niż Ra. CQS ocenia, jak w białym świetle wygląda 15 standardowych kolorów pastelowych, zamiast 8 barw definiujących Ra. Użycie skali CQS ma eliminować niedokładności systemu Ra, który szczególnie słabo przewiduje, jak będą wyglądać barwy nasycone, na które ludzkie oko jest najbardziej wrażliwe. Jednakże współczynnik Ra wciąż pozostaje zdecydowanie najczęściej używaną miarą jakości światła.

Czy dobre światło może być energooszczędne?

W miarę, jak świat stara się ograniczyć zużycie energii i emisje CO2, rośnie popyt na źródła światła
o niskim poborze mocy. Przepisy coraz częściej nakazują instalowanie energooszczędnego oświetlenia w nowych budynkach. W obliczu szybko rosnących rachunków za prąd organizacje i konsumenci również poszukują oświetlenia komercyjnego i domowego o wyższej sprawności energetycznej.

W ostatnich latach popularność zyskały świetlówki kompaktowe, które osiągają dość wysoki współczynnik Ra. Mają one jednak kilka wad, z których najważniejsze to długi czas nagrzewania (wydłużający się w miarę starzenia się lamp) oraz użycie rtęci w ich konstrukcji. Rtęć to trujący metal ciężki, który przysparza problemów z utylizacją zużytych lamp.

Problemy te doprowadziły do szybkiego opracowania i wdrożenia półprzewodnikowych systemów oświetlenia, w tym lamp LED. Włączają i wyłączają się szybko, zużywają nawet pięć razy mniej energii niż konwencjonalne żarówki oraz oferują bardzo długi czas użytkowania - do 50 000 godzin. Korzyści
te z nawiązką kompensują ich względnie wysoką cenę.

Diody LED to układy półprzewodnikowe, które emitują światło, czasem bardzo efektywnie, kiedy przepływa przez nie prąd. Współczesne lampy LED do zastosowań uniwersalnych symulują światło białe, które zawiera pełne widmo barw postrzeganych przez ludzkie oko. Tworzenie światła zbliżonego do białego możliwe jest na dwa sposoby. Pierwszym jest połączenie w jednej oprawce czerwonych, zielonych i niebieskich diod LED w celu uzyskania światła białego, co jest skomplikowane i względnie drogie w produkcji. Drugim, bardziej popularnym sposobem, jest stworzenie układu LED emitującego światło niebieskie i pokrycie go żółtym środkiem chemicznym, nazywanym fosforem (rys. 1). Przesuwa on widmo emisji i pozwala uzyskać nominalnie białe światło (dla czytelników o zacięciu technicznym: światło niebieskie ma długość fali od 450 do 500 nm).

Lampy LED produkowane w ten sposób osiągają współczynnik Ra zbliżony do 80, a zatem wystarczają do wielu zastosowań, ale nie wytwarzają światła w zielonej i czerwonej części widma. Na przykład czerwone jabłko w takim świetle może wydawać się przygaszone, niemal brązowe. Równie niekorzystnie prezentują się w nim odcienie skóry.

Mały krok w długości fali, wielki krok w CRI

Niebawem na rynku pojawią się lampy LED ze współczynnikiem Ra równym 98. Są one oparte na układach fioletowych, które wytwarzają światło o długości fali krótszej o około 10 procent, niż układy niebieskie (światło fioletowe ma długość fali od 400 do 450 nm). Opracowując układy na podłożu z azotku galu, które emitują światło z tej części widma, a następnie pokrywając je czerwonymi, zielonymi i niebieskimi fosforami (rys. 2), firma Mitsubishi Chemical Corporation (MCC) odkryła unikatowy sposób wytwarzania światła, które bardzo przypomina światło słoneczne. Technologia ta nosi nazwę VxRGB.

W rzeczywistości z perspektywy ludzkiego oka światło nowych lamp jest praktycznie nieodróżnialne od słonecznego. Widmo światła wytwarzanego dzięki tej technice jest bardzo szerokie (rys. 3), a poziomy poszczególnych barw są do siebie zbliżone.

Dostrajanie światła białego

Inną cechą światła białego jest temperatura barwowa wyrażona w stopniach Kelwina („K”). Odnosi się ona do koloru samego źródła światła, a nie jego zdolności do oddawania barw. Lampy LED i inne lampy energooszczędne zwykle opisuje się jako „ciepłe” 

lub „zimne”. Ciepła biel to światło żółtawe lub czerwonawe o temperaturze barwowej od 2700
do 3000 K. Światło zimne, o temperaturze ponad 5000 K, wydaje się niebieskawe.

W niektórych sytuacjach pożądane jest „dostrojenie” temperatury światła białego oraz możliwość zmiany zabarwienia i nasycenia oświetlanych przedmiotów. Sklepy detaliczne, muzea, biura, hotele i ośrodki opieki zdrowotnej, w tym sale operacyjne, mogą skorzystać na elastyczności, jaką oferuje strojone oświetlenie. Również w domu mogłoby się przydać chłodne światło w dzień, a cieplejsze światło na wieczór w celu stworzenia bardziej relaksującej atmosfery.

Przyszłe systemy oświetleniowe Verbatim oparte na technologii VxRGB firmy MCC zaoferują tę elastyczność poprzez zastosowane dodatkowych elektronicznych obwodów sterujących. Co najważniejsze, wysoki współczynnik Ra będzie zachowany w pełnym zakresie temperatury barwowej, podobnie jak natężenie emitowanego światła (mierzona w lumenach). Ponadto lampy będzie można ściemniać bez obniżania współczynnika Ra. W zastosowaniach profesjonalnych lampy te zaoferują projektantom oświetlenia nowy poziom elastyczności, pozwalając im stworzyć „światło słoneczne wewnątrz budynku”, a nawet naśladować je w sposób odzwierciedlający wędrówkę słońca po niebie.