Villanyszerelők Lapja

Világítástechnika

Modern fényforrásaink és a színvisszaadás

2014. augusztus 6. | Dr. Schanda János, egyetemi professzor, Pannon Egyetem |  6038 | |

Modern  fényforrásaink  és a színvisszaadás

Cikkünkben áttekintjük a színvisszaadás kérdését, rámutatva, hogy miért vált ez a kérdés kritikussá a LED-es fényforrások megjelenésével. Rámutatunk arra, hogy modern fényforrásokkal lehet színhű megvilágítást létrehozni, amely a színeket olyannak engedi látni, mint természetes körülmények között, és lehet preferált színmegjelenítést biztosítani, amelynek pozitív szerepe lehet az otthon és néhány szórakozóhely világításában, de határozottan kerülendő lenne az élelmiszeráruházakban, ahol ezzel becsapják a vásárlót, és kedvezőbb színekben mutatják az árut, mint amilyen annak valódi színe lenne. Végül röviden foglalkozunk a színvisszaadás kérdésével a múzeumvilágítással kapcsolatban.

Bevezetés

A 19. Század végéig a világítástechnika nem tudott törődni a mesterségesen keltett fény színével. A fényforrások szinte kizárólag az égés jelenségén alapultak, s a keltett fény színét az égő anyag összetétele és hőmérséklete határozta meg. Átmenetet jelentett a gáz-égők megjelenése, melyeknél az Auer harisnya különleges tulajdonsága (szelektív sugárzása, azaz nem csak a hőmérséklet határozta meg a keltett fény színét) következtében zöldes-fehér sugárzás keltését tette lehetővé. Párhuzamosan megjelentek a villamos ívlámpák, melyeknél két szénrúd között létrehozott villamos ív világított, majd az izzólámpák, melyeknél a sugárzás színét megint csak az izzószál hőmérséklete határozta meg. Az első, kisebb hőmérsékleten, kb. 2000 K1 hőmérsékleten működő izzólámpák színe sárgás volt, s ahogyan sikerült jobb, alaktartó wolfram spirált készíteni, úgy növelhették az izzószál hőmérsékletét. Napjainkban átlagos izzólámpák izzószál hőmérséklete 2800K – 3000 K körül van2. Ha ilyen izzólámpával megvilágított fehér papírt nézünk, úgy azt fehérnek látjuk, csak ha olyan szobában vagyunk, ahová a természetes fény3 is behatol, és a papírt egyszer az izzólámpa, majd a természetes világítás fényében nézzük, érzékeljük még, hogy az izzólámpa fény kissé sárgás. Ugyanakkor az izzólámpa a látható színképtartomány minden hullámhosszán sugároz, akárcsak a természetes nappali sugárzás, ezért a színes megvilágított felületeket közel azonos színekben érzékeljük, mint a természetes világításban. Ezért azt mondjuk, hogy az izzólámpa színvisszaadása jó.

A fényforrásfejlesztés során megjelent gázkisülő lámpák (fénycsövek, Hg-lámpák, majd Na- és fémhalogén lámpák) színképe nem folytonos, több éles csúcsot (színképvonalat és sávot) tartalmaz, melyek hullámhossz szerinti elfoglalt helyzete a felhasznált gázkisülő anyagtól , és fénycsövek esetén a fényporoktól, függ. Az 1. ábra a természetes nappali sugárzás, az izzólámpa és két nagynyomású gázkisülőlámpa (Na- és fémhalogén lámpa) tipikus színképét mutatja, a 2. ábrán három fénycső (két hagyományos és egy 3-sávos fénycső) színképét láthatjuk. Ha egy megvilágított színes felület fényvisszaverése egy színképvonal vagy sáv területén kis vagy nagy értékű, akkor két különböző fényforrással megvilágítva más színt fogunk észlelni, ha az egyik esetén a felület nem ver vissza fényt az adott helyen, a másik esetben pedig sokat. Erre mondjuk, hogy a két fényforrás színvisszaadása eltérő.

1 . ábra : A természetes nappali sugárzás, tipikus izzólámpa, nagynyomású fémhalogén- és Na-lámpa színképe.

 2 . ábra Három, különböző fényporral készült fénycső színképe.

A színvisszaadási index

Az MSz 9620 szerint színvisszaadás a „sugárzás spektrális eloszlásának a hatása a tárgyak színes megjelenésére. A tárgyak egy referencia-eloszláshoz tartozó színes megjelenésével való tudatos vagy tudatalatti összehasonlítása”.
A gázkisülő fényforrások megjelenésével szükségessé vált, hogy a színvisszaadás mértékét számszerűsítsék. A Nemzetközi Világítástechnikai Társaság (CIE: Commission Internationale d’Eclairage) több lépésben tökéletesítette a színvisszaadási indexet4, melynek meghatározása: A színvisszaadási index „mérőszám annak jellemzésére, hogy egy vizsgált sugárzáseloszlással megvilágított tárgy színe hogyan egyezik meg ugyanazon tárgynak referencia sugárzáseloszlással történő megvilágításakor kapott színével, figyelembe véve a kromatikus adaptációt”.

Referencia sugárzáseloszlásként 5000 K alatt az ún. azonos színhőmérsékletű Plank-sugárzót vagy fekete testet (azaz olyan sugárzó, mely minden beeső sugárzást elnyel) tekintették, mivel ennek színképe a fizika törvényei szerint számolható - 5000 K fölött a természetes nappali sugárzáseloszlásból indulnak ki. A kromatikus adaptáció nem más, mint a bevezetésben említett jelenség, hogy a fehér papírt fehérnek látjuk a nem túlzottan színes fényekkel történő megvilágítás esetén: látórendszerünk hozzászokik a megvilágító színképhez, és automatikusan a fehéret fehérnek korrigálja, úgy továbbítja az információt agyunknak.

Természetesen ahhoz, hogy a színvisszaadási indexet számítani tudjuk, szükség volt tárgyak reflexiós színképének rögzítésére is. A 3. ábra a CIE színmintáit tünteti fel: az első nyolc minta kevéssé telített (tompább színű), a 9-12 minta telített, a 13. minta a kaukázusi ember bőrének színét, a 14. minta pedig a természetben nagy számban található zöld növények átlagos színét utánozza.

3. ábra A CIE színvisszaadási indexének meghatározásához használt színminták hozzávetőleges színei.

Szokásossá vált az első 8 index átlagát „általános színvisszaadási indexnek” nevezni, és Ra-val jelölni. A különböző világítástechnikai előírásokban, szabványokban ezen Ra érték alapján rögzítették, hogy milyen színvisszaadású fényforrás mely munkafajtához használható.

Az 1974-ben elfogadott színvisszaadási index számítás jól működött a hagyományos fénycsövek esetén, de már az ún. 3-sávos fénycsövek megjelenésekor megfigyelték, hogy különböző fénycső típusokat nem az emberi megfigyelés sorrendjébe rendezi az index. Míg hagyományos fénycsövek esetén az Ra=80-at jó színvisszaadásúnak minősítették, pl. egyes Ra 80-as meleg fehér kompakt fénycsövek (ezek 3-sávos fényporral készültek) színvisszaadását nem fogadta el a nagyközönség. A 4. ábrában azonos színminta gyűjteményt látunk, két eltérő színvisszaadású fényforrással megvilágítva. Jól látható néhány szín torzulása.

4. ábra. Színmintagyűjtemény fényképe, melyet két különböző színvisszaadású fényforrással világítottunk meg, néhány szín esetén jól látható az eltérő színvisszaadás.

A színvisszaadási index továbbfejlesztése

Tovább bonyolódott a helyzet a LED-ek (fényt emittáló diódák, Light Emitting Diodes) megjelenésével.  A 4. ábrán egy kék, egy zöld és egy vörös színű fényt emittáló LED színképét és egy kéken világító LED, valamint a kék sugárzás egy részét sárgás-narancs színre váltó fénypor segítségével fehér fényt kibocsátó egység színképét mutatja. Fehér fényt kaphatunk a kék, zöld és vörös színű fényt emittáló diódák sugárzásának összekeveréséből. Ez nagyon jó hatásfokú lehetne, csak hátránya, hogy a különböző színben világító LED-ek felépítése, anyaga eltérő, és ezért rövid idő után a fehér szín megváltozna. A mai gyakorlat a kéken emittáló LED és sugárzásának egy részével gerjesztett fénypor sugárzásának keverése a fehér szín elérése céljából.

5. ábra: Három színes (kék, zöld és vörös) valamint egy fehér fényt emittáló LED (kék LED és sárgás-narancs színű sugárzást emittáló fénypor) színképe.

Bármelyik megoldást választjuk - 3 különböző színű LED5 sugárzásának keverését, vagy a p-LED-nek is nevezett fényporos kék LED6–et -, a színképben szakaszok maradnak, melyekben alig emittálódik sugárzás, más tartományokban viszont erős sugárzás található. Az ilyen színkép gyökeresen eltér az 1. ábra izzólámpa vagy természetes nappali fény színképétől, tehát várható, hogy a megvilágított tárgyak színe eltérő lesz a referencia sugárzóval történt megvilágítás esetén észlelt színtől. Ezt a színeltérést valóban észlelték, de ugyanakkor egyes esetekben, valós, több színt tartalmazó színes környezetek esetén, kedvezőbbnek ítélték meg, mint ahogy azt a színvisszaadási indexe megjósolta.

Új kutatás: színhűség és színpreferencia

A CIE felismerve, hogy a modern fényforrások bevezetésének egyik akadálya a színvisszaadás index és az észlelt színvisszaadás közötti eltérés – és mivel az elmúlt 40 év alatt a színinger számításban is lényeges előrelépést tapasztalhattunk – két évvel ezelőtt elhatározta, hogy két új műszaki bizottságot szervez, melyek feladatául a színhűség és a színpreferencia számszerű meghatározását tűzte ki.

Színhűségi index

A színhűségi index feladata az lesz, hogy felváltsa a jelenlegi színvisszaadási indexet. Minden olyan helyen alkalmazandó, ahol fontos, hogy a színeket torzítatlanul érzékeljük. Ilyen az orvosi gyakorlat, ahol pl. a cianózis gyors, egyértelmű felismerése életet menthet, de a színes textil vásárlásnál is fontos, mivel napjainkban már csak a nagyon kevés helyen van lehetősége a vásárlónak, hogy a kiválasztott árut kivigye az üzlet elé, s ellenőrizze, hogy valóban olyan színű ruhát stb. kap, mint amilyet szeretne.

A színhűségi index kidolgozásánál a színmetrika legújabb eredményeit használja fel a tudomány, hogy lehetőleg azt számszerűsítsük, amit az emberi agy is feldolgoz. E mellett fontos szempont, hogy az elképzelhető színek sokaságának tulajdonságait olyan kis számú mintával közelítsük, melyek az egyenetlen színképekből (színképvonalak, sávok) adódó bizonytalanságokat kiküszöbölik. A 6. ábrán a csoportunk által ajánlott színminták reflexiós színképe látható. Ezek használatával egyenletesen veszünk mintát a színképből, s bárhol is van a fényforrás színképében vonal vagy sáv, annak hatása jelentkezni fog a színhűségi indexben.

6. ábra. Színminta sorozat reflexiós színképei, melyek egyenletesen vesznek mintát a színképből.

Színpreferencia index

Előfordulhat, hogy az otthonunkban a természetes nappali fénytől eltérő világítást szeretnénk megvalósítani: van, aki a kicsit sárgásabb fényt, egyes mélyvörös vagy mélykék színű tárgyaknak a látótérben való kiemelését kedveli. Vannak olyan esetek is, amikor a munkánk során előnyös, ha kis színárnyalatok közötti különbséget tudunk könnyebben észlelni. Ilyen feladatokhoz, vagy valamilyen szórakozó hely világításához az adott kiemelést biztosító, preferált színvisszaadású fényforrást lenne célszerű választani. Külön műszaki bizottság dolgozik a CIE-ben az ehhez szükséges alapismeretek összegyűjtésében.

Kísérletek megmutatták, hogy az élénkebb zöld színű zöldségeket szebbnek látjuk, vagy a felvágott is gusztusosabb, ha élénkebb színű. Sajnos ezt a nagy fényforrásgyárak kihasználva olyan színpreferencia-optimalizált fényforrásokat dolgoztak ki, melyek egy-egy élelmiszer áruházi pulton kedvező színben mutatják be az árut. Ilyenre mutat példát a 7. ábra.

7. ábra. Egy neves fényforrásgyár katalógusából való fénykép, mely zöldségeket és gyümölcsöket mutat kedvező színben.

Hasonló, az árut a valóságnál kedvezőbb színekben bemutató fényforrások kaphatók húsipari készítmények, pékáruk, tejtermékek bemutatására is. Csak remélni lehet, hogy a kereskedelmi felügyeletek felfigyelnek erre a jelenségre, és kötelezik a nagy árusító láncokat, hogy csak maximális színhűségű fényforrásokat használjanak üzleteikben.

Múzeumvilágítás

A színhűség és színpreferencia tulajdonságok kihasználásának izgalmas területe a múzeumvilágítás. Múzeumi állagmegőrzési szempontokból a LED-ek nagyon előnyös fényforrások: nincs káros ultraibolya és infravörös sugárzásuk, hosszú élettartamúak, fényük jól irányítható. Felmerül azonban a kérdés, hogy milyen színképű LED-eket használjanak a múzeumban. A továbbiakban a képtárak kérdéseire fókuszálunk, mert ott a legfontosabb a színek élethű visszaadása. Alapvetően a múzeum feladatát illetően három szempontot lehet megkülönböztetni:

  • Vannak múzeumok, amelyekben oktatási, továbbképzési célból mutatják be a képeket. Ott nyilvánvalóan olyan világításra van szükség, amely a képeket olyan színekben mutatja, mint a hogy azt a festő megálmodta, azaz maximális színhűségre van szükség. Mivel azonban a múzeumban általában melegebb fehér színárnyalatú fényforrásokat használnak, mint a természetes nappali fény, a színlátás még egy jelenségét kell figyelembe venni, az ún. megfeleltetett (corresponding) színeket. Ez azt jelenti, hogy ha egyszer egy színmintát természetes megvilágításban láttunk, s jól megjegyeztük a színét, majd meleg-fehér, jó színvisszaadású fényforrás alatt számos, az előző színmintától csak kissé eltérő, és vele megegyező színmintát mutatunk a megfigyelőnek, akkor nem az azonos színmintát fogja választani, mint az előbb látottnak megfelelőt, hanem bizonyos szabályok szerint attól eltérőt. Ezért a múzeumvilágítást ezen esetben úgy kell torzítani, hogy az eredeti színminta a megfeleltetett színészleletet hozza létre. Laboratóriumunk ezen a területen intenzív kutatást folytat.
  • Sok múzeumnak az a feladata, hogy a különböző korszak műkincseit élvezetes környezetben mutassa. Ne fárassza el a látogatót, a világítással is kellemes összhatást érjen el. Ilyenkor a világításban elmehetünk a színpreferencia irányába.
  • Végül van egy további lehetőség: egyes pigmentek az idők során kifakulnak, színüket változtatják, s a kép letisztításával ez a károsodás már nem fordítható vissza. Ilyenkor lehetőség van arra (persze csak korlátozottan), hogy a megvilágítás színét kissé módosítva „visszaadjuk” a képnek az eredeti színvilágát. Ezzel a lehetőséggel nagyon óvatosan kell bánni, mert kérdés, hogy a legkedvezőbb fényforrás szín esetén nem károsodik-e a festmény. Ezt a módszert csak a legfelkészültebb laboratóriumoknak ajánlhatjuk, de láttunk példát arra, hogy egy színevesztett kép megint élvezhető színvilágot mutatott.

Összefoglalás

A LED-ek megjelenése a színvisszaadás kérdésének új dimenziót adott. Mára egyértelműen kettévált a színhűség és a színpreferencia kérdése. Figyelve a nemzetközi kutatást remélhetjük, hogy a színhűség területén egy-két éven belül új ajánlás fog megszületni, amely segíthet a legalkalmasabb fényforrások kiválasztásában. A színpreferencia kérdése sokkal összetettebb, ott még számos részletkérdést kell kidolgozni, és valószínű, hogy az ajánlások is egy-egy szűk terület számára lesznek csak megfogalmazhatóak.

Jegyzet

1Kelvin, az abszolút hőmérséklet egysége, 0 K-nél a molekulák már nem végeznek hőmozgást, ez az elérhető legalacsonyabb hőmérséklet, és a K-ben mért hőmérséklet a °C-ban mért érték plusz 273 °C

2Nagyon pontos fogalmazásban meg kellene különböztetnünk az izzószál valódi hőmérsékletét a sugárzási törvényekből számolt értéktől, de ettől a kis különbségtől ezen bevezetésben eltekintünk

3A magyar szabvány a nappali körülmények között a Naptól és a légkörben szórt sugárzást természetes fénynek hívják. A nemzetközi irodalomban ennek megfelelője a „nappali sugárzás (vagy fény) (Daylight radiation, Tageslicht). A cikkben, hogy megkülönböztessük az olyan természetes fényektől, mint a villám vagy holdfény, a természetes nappali sugárzás szóösszetételt fogjuk

4CIE 13.2: Colour rendering, 1974.

5Az angol és német gyakorlatnak megfelelően R(red:vörös), G(green:zöld), B(blue:kék)

6p: az angolban a fénypor phosphor nevének kezdőbetűjéből - vigyázat semmi köze nincs ennek a phosphornak a foszfor nevű elemhez!

LEDVilágítástechnika