जटिल नृत्य: रंग प्रतिपादन सूचकांक और सहसंबद्ध रंग तापमान के बीच संबंध को विच्छेदित करना
मतिहीनता
कृत्रिम प्रकाश स्रोतों के चयन को प्रभावित करने के लिए दो महत्वपूर्ण फोटोमेट्रिक पैरामीटर्स सहसंबद्ध रंग तापमान (सीसीटी) और रंग प्रतिपादन सूचकांक (आर एन या सीआरआई) का तेजी से उपयोग किया जा रहा है। हालाँकि उन पर आम तौर पर स्वतंत्र रूप से चर्चा की जाती है, लेकिन उनके बीच एक जटिल और अक्सर देखा जाने वाला संबंध है: कम सीसीटी पर, उच्च सीआरआई हासिल करना बहुत कठिन है। इस निबंध में इस रिश्ते की तकनीकी और भौतिक नींव की जांच की गई है। यह वर्णन करता है कि फॉस्फोर परिवर्तित एलईडी तकनीक की सीमाएं, ब्लैकबॉडी विकिरण के मूल सिद्धांत और सीआरआई गणना पद्धति की विशेष आवश्यकताएं गर्म, उच्च निष्ठा प्रकाश बनाने के लिए एक महत्वपूर्ण इंजीनियरिंग बाधा का निर्माण करने के लिए एक साथ आती हैं।
सिंहावलोकन
रोशनीप्रकाश डिजाइन और प्रौद्योगिकी के क्षेत्र में इसकी मात्रा (लुमेन) के बजाय इसकी गुणवत्ता के आधार पर कठोरता से मूल्यांकन किया जा रहा है। इस गुणात्मक मूल्यांकन में सबसे आगे दो मेट्रिक्स हैं: रंग प्रतिपादन सूचकांक (सीआरआई) और सहसंबद्ध रंग तापमान (सीसीटी)। ऑप्टिकल गर्मी या प्रकाश की ठंडक के माप के रूप में, सीसीटी को केल्विन (K) में व्यक्त किया जाता है, जहां कम मान (जैसे 2700K) "गर्म सफेद" दिखाई देते हैं और उच्च मान (जैसे 5000K) "ठंडा सफेद" दिखाई देते हैं। इसके विपरीत, कलर रेंडरिंग इंडेक्स (सीआरआई) यह निर्धारित करता है कि आदर्श या प्राकृतिक संदर्भ स्रोत की तुलना में एक प्रकाश स्रोत किसी वस्तु के वास्तविक रंग को कितनी अच्छी तरह चित्रित कर सकता है। सही रंग निष्ठा को 100 के सीआरआई द्वारा दर्शाया जाता है।
बहुत कम -सीसीटी प्रकाश स्रोतों का उत्पादनउच्च सीआरआई(आमतौर पर 95 से ऊपर) प्रकाश व्यवस्था के व्यवसाय में एक आम, हालांकि दुर्गम नहीं, चुनौती है। यह आलेख इस घटना के कारणों की पड़ताल करता है कि हमारे रंग धारणा मेट्रिक्स की रूपरेखा, फॉस्फोर की रसायन विज्ञान और प्रकाश की भौतिकी कैसे परस्पर क्रिया करती है।
1. मौलिक भौतिकी: सीसीटी और ब्लैकबॉडी रेडिएटर
ब्लैकबॉडी रेडिएटर का सैद्धांतिक मॉडल सीसीटी के विचार से अटूट रूप से जुड़ा हुआ है। गर्म होने पर एक ब्लैकबॉडी चमकती है, जिससे प्रकाश का एक निरंतर स्पेक्ट्रम निकलता है जो पूर्वानुमानित तरीके से तापमान के साथ बदलता रहता है। उत्सर्जन अधिकतर कम तापमान (लगभग 2000K-3000K) पर दृश्यमान स्पेक्ट्रम के लंबे तरंग दैर्ध्य, लाल और नारंगी भागों में केंद्रित होता है, जिसमें नीले और बैंगनी क्षेत्रों में बहुत कम ऊर्जा होती है। तापमान बढ़ने पर ठंडी, सफ़ेद रोशनी पैदा होती है क्योंकि उत्सर्जन स्पेक्ट्रम का शिखर नीले और बैंगनी क्षेत्रों को भरते हुए छोटी तरंग दैर्ध्य की ओर बढ़ता है।
ब्लैकबॉडी रेडिएटर का तापमान जिसकी रंग धारणा प्रकाश स्रोत से सबसे अधिक मिलती जुलती है उसे सीसीटी के रूप में जाना जाता है। महत्वपूर्ण बात यह है कि सीसीटी और स्पेक्ट्रम एक गरमागरम लाइटबल्ब के लिए समान होते हैं, जो अनिवार्य रूप से लगभग एक आदर्श ब्लैकबॉडी है। यह बताता है कि क्यों गरमागरम बल्ब एक चिकनी, निरंतर स्पेक्ट्रम उत्पन्न करते हैंकम सीसीटीलगभग 2700K का और 100 का CRI। आधुनिक ठोस अवस्था वाली प्रकाश व्यवस्था एक समस्या प्रस्तुत करती है क्योंकि यह प्रकाश उत्पन्न करने के लिए थर्मल विकिरण का उपयोग नहीं करती है, विशेष रूप से फॉस्फोर {{3} परिवर्तित सफेद रोशनी {{4} उत्सर्जक डायोड (पीसी-एलईडी)।
2. फॉस्फर चुनौती और एक समकालीन सफेद एलईडी की संरचना
पीसी -एलईडी वर्तमान में सबसे लोकप्रिय सामान्य प्रकाश तकनीक है। एक नीली सेमीकंडक्टर चिप (आमतौर पर इंडियम गैलियम नाइट्राइड या InGaN पर आधारित) पीले रंग के उत्सर्जन वाले फॉस्फोर से ढकी होती है, जो अक्सर सेरियम - डोप्ड यट्रियम एल्यूमिनियम गार्नेट (YAG:Ce) होती है, एक पारंपरिक सफेद एलईडी का मूल घटक है। फॉस्फोर चिप की नीली रोशनी से उत्तेजित होता है और आंशिक रूप से इस ऊर्जा को पीली रोशनी में बदल देता है। श्वेत प्रकाश को व्यापक पीले उत्सर्जन और अवशिष्ट नीले प्रकाश के परिणामस्वरूप माना जाता है।
नीली और पीली रोशनी का अनुपात इस सफेद रोशनी की सीसीटी निर्धारित करता है। कम सीसीटी (गर्म सफेद) के लिए पीले/लाल उत्सर्जन को बढ़ाने और नीले पंप प्रकाश को महत्वपूर्ण रूप से दबाने की आवश्यकता होती है। आमतौर पर, ऐसा किया जाता है: फॉस्फोर की एक बड़ी परत लगाकर अधिक नीली रोशनी को अवशोषित करना, अधिक फॉस्फोर जोड़ना जो लाल प्रकाश उत्सर्जित करते हैं (जैसे कि फ्लोराइड या नाइट्राइड पर आधारित फॉस्फोर)।
यह पहली महत्वपूर्ण बाधा है. यद्यपि मूल YAG:Ce फॉस्फोर से उत्सर्जन व्यापक है, लेकिन स्पेक्ट्रम के गहरे लाल क्षेत्र में इसकी कमी है। इस लाल कमी को पूरा करने और सीसीटी को कम करने के लिए इंजीनियरों को एक लाल फॉस्फोर जोड़ना होगा। फिर भी, कई प्रभावी लाल फॉस्फोरस का उत्सर्जन बैंड संकीर्ण है। यह प्रभावी रूप से सीसीटी को कम करता है, लेकिन यह लाल तरंग दैर्ध्य के स्थिर, समान वितरण के बजाय लाल रोशनी के अचानक विस्फोट को शुरू करके ऐसा करता है। इसके परिणामस्वरूप असंतुलित और "ढेलेदार" वर्णक्रमीय विद्युत वितरण (एसपीडी) होता है।
3. सीआरआई गणना: एक चिकने स्पेक्ट्रम का महत्व
इस वर्णक्रमीय चिकनाई का अंतिम मध्यस्थ सीआरआई परीक्षण है। रोशनी पर अंतर्राष्ट्रीय आयोग (सीआईई) ने सीआईई 13.3-1995 में इस पद्धति को परिभाषित किया। इसमें समान सीसीटी के संदर्भ स्रोत की तुलना में परीक्षण स्रोत की रोशनी के तहत आठ मानक पेस्टल रंग के परीक्षण नमूनों (आर 1-आर 8) की उपस्थिति में परिवर्तन का निर्धारण करना शामिल है।
एक दोषरहित ब्लैकबॉडी रेडिएटर 5000K से नीचे के परीक्षण स्रोत के लिए संदर्भ के रूप में कार्य करता है। मूल विचार सीधा है, लेकिन गणना जटिल है: जब परीक्षण स्रोत का एसपीडी ब्लैकबॉडी के चिकने, निरंतर प्लैंकियन वक्र के करीब पहुंचता है तो सीआरआई बढ़ जाती है और रंग परिवर्तन कम हो जाता है।
बड़े अंतराल वाला एक एसपीडी कम - सीसीटी एलईडी द्वारा निर्मित होता है, जो नीले पंप और संभवतः संकीर्ण उत्सर्जन वाले फॉस्फोर के संयोजन पर निर्भर करता है, विशेष रूप से सियान (490-520 एनएम) और गहरे लाल (650-680 एनएम) क्षेत्रों में। जब यह सीआरआई परीक्षण रंगों को प्रतिबिंबित करता है तो इस "गप्पी" स्पेक्ट्रम के परिणामस्वरूप उल्लेखनीय और असामान्य रंग परिवर्तन होते हैं। उदाहरण के लिए:
यदि सियान की कमी है तो नीले और नीले-हरे रंग नीरस और असंतृप्त दिखाई देंगे।
लाल वस्तुएं अतिसंतृप्त और "नीयन जैसी" दिखाई दे सकती हैं, एक संकीर्ण, कांटेदार लाल उत्सर्जन के साथ जो लाल रंग में छोटे अंतरों को ईमानदारी से चित्रित करने में असमर्थ है।
ऐसे डिज़ाइनों में संतृप्त लाल (R9) और अन्य रंगों के विशिष्ट सूचकांक अक्सर काफी खराब होते हैं, भले ही पहले आठ सूचकांकों (R a) का औसत अच्छा हो। इस प्रकार, मूल समस्या यह है कि उच्च सीआरआई के लिए आवश्यक आदर्श, निरंतर स्पेक्ट्रम को अक्सर गर्म रोशनी (कम सीसीटी) उत्पन्न करने की तकनीकी आवश्यकता के कारण छोड़ने के लिए मजबूर किया जाता है।
4. सामग्री विज्ञान में अड़चन: आदर्श लाल फास्फोरस की खोज
इसलिए, इंजीनियरिंग की कठिनाई सामग्री विज्ञान की समस्या बन जाती है: एक विस्तृत, निरंतर उत्सर्जन स्पेक्ट्रम और उच्च दक्षता वाले लाल फॉस्फोर की खोज। संकीर्ण -बैंड उत्सर्जन कई व्यावसायिक रूप से सफल लाल फॉस्फोर का एक दोष है, विशेष रूप से नाइट्राइड और ऑक्सीनाइट्राइड परिवारों से, जो अपनी उच्च क्वांटम दक्षता और स्थिरता के लिए मूल्यवान हैं।
एक ऐसा ब्रॉडबैंड रेड फ़ॉस्फ़र बनाना जो किफायती, लंबे समय तक चलने वाला और कुशल हो, अभी भी एक बड़ी चुनौती है। फ्लोराइड फॉस्फोरस, जैसे K2SiF6:Mn4+, प्रभावी हैं और एक बहुत ही संकीर्ण लाल रेखा प्रदान करते हैं, हालांकि वे वर्णक्रमीय अंतराल की समस्या को बदतर बनाते हैं। इसके अतिरिक्त, एक ही कोटिंग में कई फॉस्फोर को संतुलित करने से समग्र चमकदार प्रभावकारिता (लुमेन प्रति वाट) कम हो सकती है और समय और तापमान के साथ रंग एकरूपता के संबंध में जटिलताएं बढ़ सकती हैं। इसकी तलाश में अक्सर दक्षता और लागत का त्याग कर दिया जाता हैउच्च सीआरआईकम सीसीटी पर.
5. पारंपरिक सीआरआई और संभावनाओं से परे जाना
यह याद रखना महत्वपूर्ण है कि सीआरआई (आर ए) मीट्रिक के साथ ही समस्याएं हैं। गहन रंगों, त्वचा के रंग और प्राकृतिक पर्णसमूह के चित्रण का पूर्वानुमान लगाने में इसकी असमर्थता ने कुछ लोगों को केवल आठ पेस्टल रंगों पर इसकी निर्भरता पर सवाल उठाया है। परिणामस्वरूप नए, अधिक गहन मेट्रिक्स विकसित किए गए हैं, जैसे कि टीएम-30-20 दृष्टिकोण, जो 99 रंग नमूनों का उपयोग करके रंग निष्ठा (आर एफ) और रंग सरगम (आर जी) का आकलन करता है।
ये हालिया माप अक्सर कम {{0} सीसीटी, उच्च - सीआरआई (जैसा कि आर ए द्वारा निर्धारित किया गया है) स्रोतों की खामियां अधिक स्पष्ट करते हैं। लाल फॉस्फोर स्पाइक वाले स्रोत में उच्च R9 स्कोर हो सकता है लेकिन रंग सरगम या विरूपण स्कोर कम हो सकता है। उद्योग वर्तमान में ऐसे समाधानों की ओर बढ़ रहा है जो न केवल बेहतरीन निष्ठा प्रदान करते हैं बल्कि उच्च गुणवत्ता वाली प्रकाश व्यवस्था की मांग के कारण संतुलित और प्राकृतिक रंग अनुभव भी प्रदान करते हैं। कम सीसीटी पर भी गरमागरम बल्बों की तुलना में अधिक व्यापक और निरंतर स्पेक्ट्रम प्रदान करने के लिए, इसके लिए परिष्कृत फॉस्फोर सिस्टम की आवश्यकता होती है जिसमें तीन या अधिक सावधानी से चुने गए फॉस्फोर होते हैं, या यहां तक कि बैंगनी पंप एलईडी जैसी नवीन तकनीकें भी होती हैं, जो एक साथ लाल, हरे और नीले फॉस्फोर को उत्तेजित करती हैं।
निष्कर्ष के तौर पर
कम सीसीटी पर उच्च सीआरआई प्राप्त करने की कथित चुनौती भौतिक प्रतिबंध के बजाय एलईडी निर्माण के मौजूदा प्रतिमान से उत्पन्न एक मजबूत तकनीकी सीमा है। ब्लैकबॉडी रेडिएटर, कम {{1}सीसीटी प्रकाश के लिए उद्योग मानक, में एक सतत, चिकनी स्पेक्ट्रम है जो प्रकृति द्वारा रंग प्रतिपादन के लिए आदर्श है। हालाँकि, अपनी सफ़ेद रोशनी बनाने के लिए,आधुनिक पीसी-एलईडीब्लू चिप से अलग-अलग उत्सर्जन बैंड को अलग-अलग फॉस्फोर के साथ जोड़ना होगा। व्यापक, प्रभावी और टिकाऊ लाल फॉस्फोर के उपयोग के बिना, गर्म सीसीटी उत्पन्न करने के लिए वर्णक्रमीय संतुलन को लाल रंग की ओर ले जाने की प्रक्रिया अक्सर एक असंतत स्पेक्ट्रम उत्पन्न करती है। सटीक, स्पेक्ट्रम पर निर्भर सीआरआई परीक्षण के अनुसार, यह वर्णक्रमीय शक्ति वितरण रंगों को पर्याप्त रूप से चित्रित नहीं करता है। लंबे समय से चले आ रहे इस व्यापार{{5} को भौतिक विज्ञान के विकास के साथ तेजी से संबोधित किया जा रहा है और नए माप हमें रंग की गुणवत्ता को समझने में मदद करते हैं, जिससे प्रकाश स्रोतों के द्वार खुलते हैं जो शानदार रूप से सच्चे और गर्मजोशी से स्वागत करने वाले दोनों हैं।
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