Индекс цветопередачи в освещении
Сегодня многие знают, что при покупке светодиодных ламп необходимо ориентироваться не только на эквивалентную мощность, световой поток и температуру света, но и на индекс цветопередачи. Первое время потребители ещё путали и смешивали два последних понятия, полагая, что цветопередача будет зависеть только лишь от цветовой температуры освещения, но сегодня уже общеизвестно, что это разные вещи. Мы решили детальнее разобраться в том, что такое индекс цветопередачи, зачем он нужен и как может оцениваться.
У рассматриваемого понятия существует сразу несколько официальных вариантов названия. Первое из них – индекс передачи цвета – прямая калька английского «color rendering index», которую у нас сейчас принято сокращать до аббревиатуры CRI. Второе – универсальный коэффициент цветопередачи Ra – исторически первое техническое обозначение понятия. На упаковках многих светодиодных ламп можно встретить указание любого из понятий или даже оба, с указанием на их равноценность.
Что не так с цветом?
Предполагается, что впервые серьёзно заинтересовались вопросами цветопередачи только в начале второй половины ХХ-го века. На протяжении многих столетий не существовало альтернативы деревянным лучинам или обычным восковым свечкам, а их жёлтый свет был примерно одинаков в большинстве случаев по всему земному шару. Газовые горелки, которые пришли на смену источникам открытого огня, в целом имели ту же цветовую температуру, а принцип светоиспускания изменился разве что с точки зрения прохождения через стеклянную колбу фонаря. Шли годы и уже с началом повсеместной электрификации оттенок свечения и цветопередача немного изменились. Тем не менее, разница между нагретой вольфрамовой нитью лампочки накаливания и свечой была довольно мизерна, и об индексе передачи цвета никто особенно не задумывался. Первая революция в этом смысле произошла с появлением газоразрядных люминесцентных ламп, получивших широкое распространение. Их свет отличался от привычного, а предметы в подобном освещении начинали выглядеть иначе. Хотя побороть нежелательные эффекты инженерам в максимальной степени удалось всего за несколько лет, до сих пор люминесцентное освещение жёстко ассоциируется с неким противоестественным свечением. Учёные могут сказать точнее: такие модели, если сравнивать их с лампами накаливания, располагают меньшим запасом энергии в красной области цветового спектра, из-за чего этот тон у люминесцентных моделей «проседает» в сравнении с остальными. Таким образом, параметром, который определяет не только цветность, но и цветопередачу является именно спектральность излучения.
Нетрудно понять, что в целом рассматриваемая величина является не абсолютной, а относительной, и имеет искусственно выбранный человеком эталон – солнечный свет в погожий день. Он соответствует 100 единицам и, объективно говоря, сопряжён с яркостью, которая человеческим глазом часто воспринимается как избыточная. Идеальный для нас диапазон – от 80 до 95 единиц. У традиционных вольфрамовых лампочек CRI как раз равен 87-95, то есть именно такая световая картина наиболее привычна каждому из нас.
Теоретическую основу эталонного освещения составляет то, как именно человек воспринимает объекты. Сегодня мы привыкли, что при включении люстры в комнате, предметы в ней приобретают несколько другие оттенки – и даже не задумываемся о том, что этого может не происходить. К примеру, свет солнца вне зависимости от того, находится светило в зените, на закате, восходе или за небольшим облачком, в целом обеспечивает одинаковую передачу цветов. Это позволяет глазам различать не только лишь уровень освещённости, но и самые малозаметные оттенки, а внешний вид вещей в таком случае мы неосознанно считаем наиболее естественным.
В качестве понятного технического термина словосочетание «индекс цветопередачи» начало использоваться в конце 1960-х – начале 1970-х годов, когда широкое распространение получили люминесцентные лампы. Тогда CRI попробовали использовать для сравнения светоизлучения сразу нескольких источников света с непрерывным спектром, имевшим индексы, близкие к максимальному. Сегодня же известно, что для достоверного сравнения таких коэффициентов источники всё же должны иметь одинаковую температуру цвета. Хотя два этих параметра не связаны напрямую, они идут в жёсткой сцепке друг с другом, поскольку объективно неправильно пытаться сравнить, предположим, красный и синий свет с точки зрения цветопередачи, игнорируя то, какой вообще оттенок в помещении задаёт искусственное освещение.
Методика современного определения CRI при производстве лампочек и светодиодных светильников довольно любопытна. Изделие вместе с неким объектом, например, кубом, равномерно окрашенным в один матовый цвет, помещают в специальную камеру и подключают к сети питания. После этого снимаются показания о том, какой оттенок по спектральной шкале имеет куб. Далее объект заменяют на аналогичный, но уже другого цвета, и эксперимент повторяется. Зачастую измерения происходят в рамках стандарта DIN 6169, который содержит в себе 14 тестовых цветов, но на практике большинство производителей проверяет 50% + 1 шт, то есть только 8 оттенков. Пересчёт ряда полученных в результате таких экспериментов величин осуществляется в соответствии с официальной методикой Международной комиссии по освещению – CIE (International Commission on Illumination). В её каталогах содержатся сведения о пограничных численных значениях отклонений всех цветов от своих эталонов. Если общее, а в данной ситуации – грубо говоря, среднеарифметическое по всем оттенкам отклонение невелико, значит, индекс цветопередачи высок, если нет – низок.
В зависимости от тонкостей подхода самого производителя к проверке цветопередачи продукции, на изделиях может быть более интересная маркировка. К примеру, если итоги по всем восьми цветам не усредняются, то цветопередача по каждому оттенку может выноситься в паспорт изделия. Так, некоторые лампочки для специфических целей могут иметь CRI свыше 92 единиц для всех оттенков, кроме красного, где CRI не превышает 80 единиц, и т.п. Для источников света, которые демонстрируют наилучшие результаты, имеется собственная, особо точная шкала. Потому при подходе лампы к 100 единицам, доверительный интервал может сужаться, и максимальное значение лампочке присваивается только в том случае, если она действительно светит точно так же, как солнце, без видимых даже для средней оптики искажений в цвете объектов.
При этом учёные используют несколько эталонов для работы со светом разной цветовой температуры. Светодиодные лампы с тёплым свечением проверяют совсем не так, как с модели с холодным оттенком. В диапазоне цветовых температур от 2200 до 5500 К зачастую используется особый прибор, так называемый «излучатель чёрного тела», который в технике также применяют для поверки пирометров и тепловизоров. При этом более высокие цветовые температуры принято сравнивать с обычным дневным светом при определённых условиях. В контексте последнего стоит отметить, что небо в северном полушарии нашей планеты достаточно далеко от официального эталона, однако его всё же принимают за 100 единиц. Напрашивается вопрос: почему так, почему учёные нарушают свои же правила стандартизации? На самом деле, этот ход – крайне удачная поправка на обстоятельства. Люди в каждом регионе Земли привыкли к собственному «нормальному» освещению. Если сейчас каждому из нас показать небо в центральной или южной Африке, мы скажем, что у него «какой-то неправильный цвет», потому вполне разумно, если эталоны будут региональным понятием. В том же контексте справедливо отметить ещё одну интересную вещь, с которой мы сроднились: традиционные лампы накаливания не очень хорошо передают сине-голубые оттенки, а небо настолько видоизменяет красные тона, что они очень далеки от тех, которые считает красными наука.
С точки зрения пользовательского комфорта источник освещения с CRI свыше 90 единиц – это полностью удовлетворяющий наши потребности свет. Его можно использовать даже для работ и видов деятельности, которые непосредственно связаны с точностью нанесения, восприятия или оценки оттенков – живопись, кино- и фотосъёмка, визаж, вышивка, ювелирное дело, реставрация и пр. Большинство ламп, которые сегодня доступны рядовым покупателям, имеют индекс цветопередачи 80 единиц, и лишь у небольшого числа он приближается к отметке в 90. Но и этого нам полностью достаточно для решения бытовых задач, поскольку стопроцентная цветопередача обычно не критична. Если ещё 5 лет назад на рынке были и модели, у которых CRI находился в диапазоне 70-80 единиц, то сегодня их, пожалуй, уже и не сыщешь – покупателям доступны изделия хорошего качества вне зависимости от производителя и разницы в цене.
Светильники с разными типами ламп имеют собственный усреднённый коэффициент передачи цвета. К примеру, обычные лампочки накаливания обеспечивают CRI в районе 87-95 единиц, но при этом объективно тяготеют к жёлтой части спектра, потому необходимая точность цветопередачи в большей мере достигается за счёт удачного рассеивания лучей в воздухе. Если же располагать объект близко к источнику, то фактический индекс снизится до 80-82 единиц. Галогеновые лампы в зависимости от поколения выпуска и срока, прошедшего от начала их эксплуатации, могут демонстрировать значения от 75 до 99 Ra. Более старые модели, равно как и износившиеся, теряют свою чистоту свечения и редко показывают хороший результат. Но самые новые, произведённые по прогрессивным технологиям, порой сравнимы с солнечным светом. Металлогалогенные газоразрядные модели высокого давления тоже способны достигать 85-94 единиц, но их свечение всё равно не очень приятно нашему глазу. Обычные люминесцентные лампочки, а также так называемые «энергосберегающие» (КЛЛ) в основном колеблются в диапазоне 80-90 единиц, но не превышают его, а порой, в особо дешёвых моделях, могут опускаться и ниже уровня в 70 единиц. Светодиодные лампы стабильно удерживают минимальный порог на уровне свыше 80-82 единиц, а многие модели даже приближаются к 90, хотя на упаковке это не декларируется. LED-лампы Philips, а также модели от OSRAM традиционно демонстрируют самый высокий уровень цветопередачи и стартуют от 87-90 единиц. При этом срок деградации диодов здесь самый долгий, то есть по комплексу параметров такие изделия можно считать образцом современного освещения для быта. В то же время наихудшие результаты можно увидеть у газоразрядных натриевых и ртутных моделей – их CRI редко поднимается выше 40 единиц, а потому применять их сегодня в любой сфере не имеет смысла.
Отличительная особенность светодиодных моделей в сравнении с другими состоит в том, как именно они испускают свет. У чистых RGB-диодов исходный индекс цветопередачи оценивается примерно в 20-25 единиц, но при групповом излучении получаемый результат доходит до 80-83 Ra почти без перекосов в оттенках и с близким к идеальному показателем для отдельных цветов. Если же говорить о белом свечении, полученном при смешении трёх цветов RGB, то оказывается, что он даже имеет более высокий показатель CRI, чем у общепринятых эталонов – ламп накаливания и галогеновых моделей. В итоге выходит так, что и для человеческого глаза свет от полупроводников комфортнее, чем от иных источников.
Звучит парадоксально, но на основе описанного выше опыта та самая Международная комиссия по освещению заключила, что разработанный ею коэффициент передачи цветов неприменим для оценки качества свечения набора светодиодных элементов, если в него входят диоды белого цвета. Одно только это позволяет взглянуть на ситуацию шире. Сегодня CRI – это весьма известный и авторитетный показатель, но даже он вынужден видоизменяться под влиянием новейших технологий. В то же время, и сама по себе цветопередача – понятие, применимое не только к источнику света, но и к обстоятельствам, в которых он работает. Вероятно, уже в ближайшие годы индексы CRI и Ra будут пересмотрены либо же дополнятся новым, более комплексным показателем.
