Białe białemu nierówne – dlaczego technologia LED przegrywa z oświetleniem żarowym

26 maj 2009 - pawel.salek

dodajdo.com

Dlaczego dwa z pozoru jednakowe źródła światła różnie oddają barwę?

Kolor materiału zawsze należy wybierać przy świetle dziennym. Powód postaram się wyjaśnić na kilku wykreasach.

Czym jest światło?

Widmo światła czerwonego

1. Widmo światła czerwonego

Światło jest falą elektromagnetyczną, w związku z czym można mu przypisać długość fali. Z długoscią fali jest powiązana barwa. Przedział widzialny dla oka ludzkiego zawiera się w zakresie od 380 nm do 780 nm. Wszystkie przedstawiane tu wykresy są wyłącznie przykładowe i nie mają związku z fizycznie uzyskiwanymi charakterystykami.

Światło można opisać charakterystyką przedstawiającą rozkład natężenia promieniowania w zależności od długości fali. Powstanie wówczas widmo promieniowania elektromagnetycznego, które dalej nazywane będzie widmem. Przykładowe widma światła barwy czerwonej oraz zielonej przedstawione zostało na wykresach 1 oraz 2.

Widmo światła zielonego

2. Widmo światła zielonego

Jak działa oko/kamera?

Najpierw przyjrzyjmy się przykładowej (hipotetycznej) charakterystyce detektora. Może nim być przetwornik kamery, aparatu lub oko ludzkie. Najważniejsze, co musimy o detektorze wiedzieć jest to, że składa się z trzech „elementów” odpowiadających w przybliżeniu barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej.

Hipotetyczna czułość detektora

3. Hipotetyczna czułość detektora

Ich zakresy czułości częściowo pokrywają się. Oznacza to, że światło o długości przykładowo 620 nm zostanie rozpoznane jako „częściowo niebieskie” oraz „częściowo zielone”. Przykładowa charakterystyka czułości przedstawiona została na wykresie 3.

Widmo światła białego emitowanego przez 3 źródła składowe

4. Widmo światła białego emitowanego przez 3 źródła składowe

Przyjmijmy, że światło zostanie rozpoznane jako białe, gdy wszystkie elementy detektora (odpowiadające za poszczególne barwy) wykryją promieniowanie o zbliżonym poziomie. Wystarczy zatem, aby obserwowane widmo miało postać pokazaną na wykresie 4. Na tym zjawisku opierają się popularne metody wyświetlania informacji: monitory CRT, LCD, PLD a nawet kolorowy druk.

Widmo światła białego

5. Widmo światła "idealnie" białego

Czym różni się światło białe od białego?

Ale czy to oznacza, że takie światło jest białe? Otóż – „białe białemu nierówne”. Na nasze potrzeby przyjmijmy, że idealnie białe światło składa się w jednakowym stopniu z wszystkich widzialnych barw. Graficznie można to zilustrować widmem, które jest „płaskie” w całym zakresie widzialnym (wykres 5). Źródłem takiego promieniowania „idealnie białego” może być np. słońce lub żarówka tradycyjna.

Współczynnik odbicia dla przedmiotu czerwonego

6. Współczynnik odbicia dla przedmiotu czerwonego


Co to znaczy, że przedmiot ma jakąś barwę?

Oznacza to, że najlepiej odbija promieniowanie leżące w zakresie długości fali, którym odpowiada dana barwa. Dla przykładu: przedmiot czerwony odbija promieniowanie o długości fali zbliżonej do 730nm. Dla każdego przedmiotu można zatem przedstawić wykres zależności współczynnika odbicia od długości fali. Dla przedmiotu czerwonego zależność ta przedstawiona została na wykresie 6, zaś dla przedmiotu żółtego – na wykresie 7.

Współczynnik odbicia dla przedmiotu żółtego

7. Współczynnik odbicia dla przedmiotu żółtego

Dlaczego białe różni się od białego?

Wiedząc już czym jest widmo, czułość i współczynnik odbicia – można przejść do odpowiedzi na pytanie : dlaczego technologia LED przegrywa z oświetleniem żarowym?

Dwa źródła światła oświetlają żółty przedmiot. Pierwsze źródło jest „idealne” (wykres 5), drugie zaś to trzy diody LED (wykres 4). Odbicie promieniowania od przedmiotu graficznie można interpretować jako „nakładanie” się wykresu widma padającego oraz współczynnika odbicia.

Powstawanie barwy przedmiotu w świetle "idealnie białym"

8. Powstawanie barwy przedmiotu w świetle "idealnie białym"

Rezultatem będzie część wspólna dwóch charakterystyk (rysunek 8). W przypadku oświetlenia żółtego przedmiotu „idealnym światłem białym” odbicie promieniowania od powierzchni nie zmienia kształtu widma. Inaczej sytuacja wygląda, gdy oświetlenie będzie składało się z trzech kolorowych diod (widmo z wykresu 4). Odbicie, które graficznie przedstawione jest jako nakładanie (mnożenie, część wspólna) wykresów – zmienia kształt widma – i to nie tylko jego wysokość, lecz zmienić może się również położenie maksimum widma odbitego. (rysunek 9).

Powstawanie barwy przedmiotu w świetle "nieidealnie białym"

9. Powstawanie barwy przedmiotu w świetle "nieidealnie białym"

Jak widać na powyższym rysunku – światło o nieciągłym widmie powoduje zmianę postrzeganej barwy. Przedmiot o barwie żółtej będzie wydawał się zielony.

Podsumowanie

Na każdym z przedstawionych etapów dokonane zostały znaczne uproszczenia. Prezentowane charakterystyki są wyłącznie przykładowe, niemniej pozwalają na uzasadnienie przyczyny zmiany barwy obserwowanego przedmiotu.

Obecna technologia LED nie polega na wytwarzaniu osobno trzech składowych, lecz na konwersji promieniowania, podobnie jak w popularnych świetlówkach. Emitowane widmo może być ciągłe, jednak jego wyraźnie niemonotoniczny kształt również ma wpływ na odwzorowanie barw. Parametrem określającym jakość wytwarzanego widma jest współczynnik oddania barw. Dla każdego źródła termicznego jego wartość jest maksymalna, gdyż świecą one zawsze widmem ciągłym. Z tego powodu oświetlenie żarowe zawsze wierniej odda barwę.

Kategoria know how | Komentarze (6) »

KOmentarze (6)

  1. filemon:

    Wywód, choć poparty jakimiś tam argumentami, nie przekonywuje mnie wcale. A to z prostego powodu, zakładasz, że światło emitowane po przez tradycyjną żarówkę, jest idealnie białe i stanowi wzorzec twojego toku myślenia. Ktoś inny może ci wmówić, że właśnie światło LED jest dla niego wzorcem i też będzie miał rację, bo powie że światło zwykłej żarówki jest w zasadzie żółte.

  2. pawel.salek:

    Nie poruszyłem nigdzie kwestii temperatury barwowej porównywanych źródeł. Jest to zagadnienie zupełnie niezależne od jakości oddawania barw. Zjawisko, które tu zostało omówione – dotyczy nawet LED ciepłych, a zatem identycznie postrzeganych przez ludzkie oko jak żarówki tradycyjne.

  3. optyk:

    a czy ktoś tutaj nie pomylił długośći fali i odpowiadających im barw ?

  4. pawel.salek:

    Tworząc ten artykuł skupiałem się na wyjaśnieniu mechanizmu, przez który barwa ulega „zniekształceniu”. Faktycznie nie zastanawiałem się nad przyporządkowaniem przytaczanych barw do rzeczywistych długości fali. Niemniej jednak zaznaczyłem, że wszystkie wykresy są przykładowe. Nie są one źródłem informacji na temat przyporządkowania barwy.

  5. Panzer~Elite:

    Drogi Pawle !!
    Z tego co ja sam pamietam z teorii swiatla,to jednak dokonales zasadniczej pomylki w tych przykladowych wykresach, odwracajac przyporzadkowanie dlugosci fali swietlnej do barw. Granica dlugosci fali swietlnej w podczerwieni to okolo 320 nm, a ultrafioletu to okolo 780 nm. Nie mowimy o temperaturach barwowych emitowanego swiatla (*F) wcale, tylko o dlugosci fali swietlnej dla poszczegolnych grup kolorow. Jesli jestem w bledzie – to wytlumacz mi to prosze inaczej !!

  6. pawel.salek:

    Odwrotnie:
    Podczerwień to zakres fal o długości większej niż 780nm, zaś ultrafiolet – poniżej 380nm.
    Same liczby są rzeczą sporną – słyszałem już opinię, że „380 się nie da zobaczyć”, jednak dla omawianego zagadnienia nie ma to znaczenia.