高い CRI が常に非効率的である理由

高い CRI が常に非効率的である理由

高 CRI LED 照明製品の業界リーダーとして、当社の課題の 1 つは、高 CRI LED が発光効率 (ルーメン/ワット) で 80 CRI (またはそれ以下) の対応物に遅れをとっている理由をお客様に説明することです。

私たちの他のブログ投稿を読んだことがあれば、私たちが色彩科学に夢中になっていることがわかるでしょう。 CRI と発光効率の関係は頻繁に注目されていますが、ほとんど理解されていないため、これは間違いなく専用の投稿に値する質問/トピックであると考えました.

CRI とルーメンを理解するには、スペクトルを見てください。

カラー サイエンスの多くの場合と同様に、光源のスペクトル パワー分布に戻る必要があります。

CRI は、光源のスペクトルを見て一連のテスト カラー サンプルから反射するスペクトルをシミュレートして比較することによって計算されます。

CRI は計算に昼光または黒体 SPD を使用するため、CRI が高いほど、光スペクトルが自然光 (CCT が高い) またはハロゲン/白熱灯 (CCT が低い) に似ていることも示されます。

自然光スペクトル (上)

ルーメンで測定される発光出力は、光源の明るさを表します。 ただし、明るさは純粋に人間の構成要素です。 私たちの目が最も敏感な波長と、それらの波長にどれだけの光エネルギーが存在するかによって決まります。 紫外線と赤外線を「不可視」(つまり明るさがない) と呼ぶのは、これらの波長にどれだけのエネルギーが存在していても、私たちの目は単にこれらの波長を知覚される明るさとして「拾わない」からです。

光度機能

明るさの現象がどのように機能するかをよりよく理解するために、20 世紀初頭の科学者は人間の視覚システムのモデルを開発しました。その背後にある基本的な原理は、波長と明るさの知覚との関係を表す光度関数です。

黄色の曲線は標準的な明所視機能を示しています (上)。

光度曲線は、ライムグリーンの波長範囲である 545 ~ 555 nm でピークに達し、それより高い波長と低い波長では急速に低下します。 重大なことに、光度の値は 650 nm を超えると非常に低く、これは赤色の波長を表します。

これが示すことは、赤色の波長は、濃い青色や紫色の波長と同様に、明るく見える効果が非常に低いということです。 または、逆に、緑と黄色の波長が最も明るく見える効果があります。 直観的に、これは、高視認性安全ベストと蛍光ペンが、相対的な明るさを実現するために黄色/緑色を最も一般的に使用する理由を説明できます.

最後に、光度関数を自然光のスペクトルと比較すると、高い CRI、特に赤の R9 が明るさと相反する理由が明らかになるはずです。 高いCRIを追求するには、より完全で広いスペクトルがほとんどの場合有益ですが、より高い発光効率を追求するには、緑黄色の波長範囲に焦点を合わせたより狭いスペクトルが最も効果的です.

エネルギー効率の追求において、色品質と CRI がほとんど常に優先されるのは、主にこのためです。 公平を期すために言うと、屋外照明などの一部のアプリケーションでは、演色性よりも効率性が強く求められる場合があります。 ただし、関連する物理学を理解し、理解することは、照明の設置について十分な情報に基づいた決定を下す上で非常に役立ちます。

放射線の発光効率 (LER)

この記事ではこれまで、効率と有効性という用語を大まかに入れ替えてきました。 どちらも電気エネルギー 1 ワットあたりに放出される最終的なルーメン数に影響を与えますが、技術的には、これらの用語は異なる意味を持ちます。

厳密に科学的な意味では、効率は、光として放出される総エネルギーと比較した、消費される (入力) 総電気エネルギーを表します。 これは比率であるため、入力と出力の両方がワットで表され、出力ワットは通常「放射ワット」として表されます。 要するに、放射出力エネルギーは、知覚される明るさへの影響に関係なく、電磁放射の形のエネルギーです。 50% 効率の LED は、100W の電気エネルギーを 50W の電磁放射と 50W の熱エネルギーに変換します。

さて、有効性に移ると、光度関数を議論に持ち込む. 発光効率は、特定の光出力が明るさの知覚を生み出すのにどれだけ効果的であるかを表します。 多くの緑と黄色の波長エネルギーを持つ低 CRI の光は、ルミナンス機能により、より高い発光効率を持ちますが、光スペクトルがより完全で均一に分布している高 CRI の光は、より低い発光効率を持ちます。 波長は、知覚される明るさを作り出す効果が低くなります。

LED 開発の R&D ラボの奥深くで、エンジニアは色の品質と有効性との間のこの妥協点を常に評価しています。 これを定量化するには、Luminous Efficacy of Radiation (略して LER) と呼ばれる便利な尺度が役立ちます。

本質的に、LER は LED の電気効率の側面を方程式から取り除き、放射出力と、知覚される明るさを作り出すその有効性に焦点を当てています。

LER は、スペクトル パワー分布に応じて 0.0 から 1.0 の値の範囲であり、次の式を使用してワットあたりのルーメンで実際の発光効率を推定するために使用できます。

LPW = Fe×LER×683

LPW: 発光効率、ルーメン/ワット

Fe: 放射効率 (通常、LED では 30 ~ 50%)

LER: 放射の光効率 (通常、LED では 0.2 ~ 0.5)

683: LER を LPW に変換する係数

したがって、例として、放射効率が 40% で LER が 0.40 の LED がある場合、約 110 ルーメン/ワットの発光効率値を生成すると見積もることができます。

補足として、LER が 100% で電気効率が 100% の LED (555 nm でのみ発光するもの) の最大発光効率は 683 lm/W であると推測できます。

テイクアウト? LED とそのシステムの固有の電気効率を高めることによって発光効率を高めることができるだけでなく、光のスペクトルから直接導き出すことができる LER を見ることによっても発光効率を高めることができます。

結論

これで、CRI が高くなり、スペクトルが広くなると、ほぼ必然的に発光効率が低下する理由を包括的に見ていきます。 これは基本的な物理学の問題であり、効率/有効性と色の品質をいつ、どこで妥協するかを決定するには、人間の判断が少し必要です。

 

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