Firma Brighter Lighting w 2024 roku przeprowadziła serię warsztatów pt. “Brighter Workshop Days”, które nie tylko zgromadziły wielu uczestników, ale też spotkały się z bardzo pozytywnym odzewem — przede wszystkim dzięki części merytorycznej i wykładowi dotyczącym źródeł światła LED. W związku z tym dziś, dzięki uprzejmości krakowskiej firmy, dzielimy się z Wami fragmentem tego panelu prowadzonego przez Łukasza Czekaja, dyrektora technicznego marki Brighter.
Na wstępie pragniemy zaznaczyć, że poniższy artykuł nie jest (i nigdy nie miał być) akademickim źródłem wiedzy, a jedynie zachętą do zgłębienia tematu. Zawiera podstawowe informacje na temat charakterystyki pracy diod LED, coraz powszechniej stosowanych w niemal każdej dziedzinie naszego życia.
Na rysunku 1 widać, że światło widzialne to bardzo wąski zakres długości fali, które nasze oko, a następnie mózg, potrafi zarejestrować i jednoznacznie zinterpretować. Częstotliwości niższe niż kolor czerwony tworzą podczerwień, natomiast wyższe niż głęboki niebieski to tzw. ultrafiolet. Oba skraje pasma jesteśmy w stanie odczuć: ultrafiolet może powodować oparzenia słoneczne, przed czym chronią nas kremy z filtrem UV, natomiast promieniowanie o długości fali poniżej czerwieni odbieramy jako ciepło, na przykład zbliżając rękę do rozżarzonego węgla. Dla, być może, łatwiejszego zrozumienia korelacji koloru z długością fali możemy wyobrazić sobie, że kolor czerwony to „basy”, a niebieski to „soprany”. Przyjrzyjmy się teraz dwóm wykresom przedstawiającym światło słoneczne oraz tradycyjne światło żarowe.
Wykres przedstawia pomiar światła słonecznego w pochmurny dzień. Jak widać, cały zakres pomiarowy kolorometru jest pokryty falami, o względnie podobnej intensywności.
Wykres z pomiarem dla tradycyjnej żarówki wolframowej.
Nie trzeba być fizykiem, aby zauważyć, że pomiary te bardzo różnią się od siebie. W żarówce przeważają częstotliwości niskie, czyli dłuższe fale, a barw niebieskich jest bardzo mało. Możemy też wywnioskować, że wykres piąłby się dalej w górę, gdybyśmy mieli możliwość zmierzyć dalszy zakres, ponieważ żarówka emituje w podczerwieni jeszcze więcej niż w czerwieni, a to nic innego jak czyste ciepło, które wytwarza. To „udowadnia” niską wydajność energetyczną żarówki, ponieważ jedynie niewielka część zużytej energii jest zamieniana na światło widzialne. Tymczasem podczerwieni wcale nie chcemy! I tutaj pojawia się technologiczna „nowinka”, jaką są…
LED-y
Popularnie nazywane diodami LED, diody świecące. Sam akronim LED oznacza diodę świecącą (Light Emitting Diode), więc określenie „dioda LED” jest w gruncie rzeczy tautologią, ale to temat raczej dla prof. Miodka niż dla nas.
Wykresy przedstawiają rozkład widmowy poszczególnych kolorów diod, czerwonej, zielonej i niebieskiej.
Diody świecą bardzo wąsko — jedną, konkretną długością fali. Typowe diody LED emitują fale o dominujących długościach: czerwona — 630 nm, zielona — 520 nm, niebieska — 450 nm. Kolor taki odbieramy jako żywy, nasycony i soczysty. Na pierwszy rzut oka wszystko wygląda świetnie: mamy bowiem idealnie „odfiltrowane” pasmo odpowiadające za dany kolor.
Złóżmy jednak z powyższych składowych kolor biały (wykres 4).
Pierwsza obserwacja to zbyt duża ilość światła niebieskiego względem pozostałych. Przyjmijmy zatem, że chcemy uzyskać biel w okolicach 5000 K i na tej podstawie skorygujmy natężenie światła niebieskiego (wykres 5). W tym wypadku światło jest już mierzalne (dla R255 G255 B255 wykraczało poza zakres miernika), natomiast zmierzone parametry okazują się dramatycznie złe. Współczynnik Ra wynosi 25/100 przy temperaturze barwowej 4400 K.
Co to oznacza?
Parametr ten (CRI, Color Rendering Index) służy do opisu tego, jak dobrze dane źródło światła odwzorowuje kolory, ale na razie wystarczy Wam wiedzieć, że wynik na poziomie 25 jest bardzo, bardzo słaby. Na czym polega pomiar CRI to temat na osobny artykuł, podobnie jak opisanie bardziej szczegółowych standardów pomiarowych, takich jak TM-30 czy TLCI. W tym momencie wystarczy nam wiedzieć, że wynik pomiaru CRI na poziomie 70 Ra jest akceptowalny na scenie (takie osiągi mają wszelkie oprawy na lampach wyładowczych oraz typowe hybrydy LED). Standardem dla teatru i pracy z kamerami jest CRI powyżej 90 Ra. Wspomnę zatem jeszcze raz: typowa oprawa RGB „wyciąga” około 20–30 Ra dla barwy ciepłej białej, zatem, mówiąc kolokwialnie, nie nadaje się do oświetlania twarzy, ważnych elementów scenografii ani dzieł sztuki, przekłamując ich barwy.
No właśnie — dlaczego jest to światło złej jakości? Zwróćmy uwagę na pomiar. Mamy wąską „szpilkę” odpowiadającą kolorowi czerwoniemu, podobne dla barwy zielonej i niebieskiej. Między nimi występują przerwy — miejsca, w których promieniowania (emisji światła widzialnego) praktycznie nie ma. Na początku wspomniałem, że światło zachowuje się jak fala elektromagnetyczna, a więc podlega odbiciu, rozproszeniu i może zostać pochłonięte przez dane ciało. Te odbite fale, trafiając do naszych oczu, tworzą obraz świata, który widzimy. Jeśli więc idziesz w słoneczny dzień w zielonej koszulce, oznacza to, że materiał, z którego jest uszyta, pochłania barwy czerwoną i niebieską, a odbija zieloną. Czerwona sukienka odbija fale czerwone, resztę pochłania. Gdyby istniał idealnie biały kolor, odbijałby wszystkie barwy w całości, bez strat, natomiast gdyby istniał idealnie czarny, pozostawałby zawsze czarny, niezależnie od mocy światła, jaką na niego skierujemy (a pochłonięte promieniowanie oddałby w postaci ciepła).
Jasne kolory (biały, źółty) odbijają znaczną część promieniowania świetlnego (idealnie biała koszulka odbiła by wszystko), a ciemne go pochłaniają, dlatego są dla naszych oczu ciemne).
Przyjrzyjmy się obrazkowi pokazującemu nagrzewanie się różnych kolorów koszulek na słońcu. W skrócie: jasne kolory (biały, żółty) odbijają znaczną część promieniowania świetlnego (idealnie biała koszulka odbijałaby wszystko), a ciemne kolory pochłaniają je, dlatego są dla naszych oczu ciemne. Producenci oświetlenia już dawno zrozumieli ten problem, wprowadzając technologię RGBW. Niby z kolorów R, G i B możemy zmieszać dowolną barwę, jednak przy próbie zrobienia tego w praktyce szybko okazuje się, że to bzdura.
Dodany został zatem kolor biały
Na wykresie numer 7 widzimy charakterystykę typowej diody białej. Zapewne przynajmniej część z Was zastanawia się, czy nie pomyliłem rysunków, bowiem widzimy tu wyraźnie mocne światło niebieskie oraz coś, co trudno jednoznacznie nazwać — powiedzmy: ciepłe żółte. Tak właśnie działa biały LED. Jak dotąd nie udało się skonstruować struktury półprzewodnikowej świecącej w szerokim spektrum widmowym; zawsze jest to jedna, konkretna długość fali. Krótko mówiąc, w obecnym stanie techniki biały LED nie istnieje. Jaką więc sztuczkę zastosowali naukowcy? Otóż biała dioda jest w praktyce diodą niebieską, która pokryta jest luminoforem reagującym na to światło i świecącym w barwie ciepłobiałej.
Spektrum przedstawia charakterystykę typowej diody białej.
Część promieniowania przebija się oczywiście do naszych oczu bezpośrednio i ten miks światła niebieskiego oraz ciepłego białego z luminoforu odbieramy jako światło białe zimne. Dobierając ilość i rodzaj luminoforu, możemy ustawić barwę światła diody w zależności od potrzeb. Z uwagi na parametry ilościowe, takie jak wydajność świetlna, największą popularność zdobyły diody o barwie zimnej, ponieważ oferują większą jasność niż diody ciepłe — zamiana energii na inną formę, jaka by nie była, zawsze wiąże się ze stratą. Taki urok naszego świata.
Technologia RGBW ma ogromną przewagę nad RGB, ponieważ chip biały jako jedyny „potrafi” odwzorować barwy w miarę poprawnie. CRI dla typowych rozwiązań oscyluje w granicach 70–75 i możemy przyjąć, że do niewymagających zastosowań jest to wartość wystarczająca. Jeśli jednak oczekujemy czegoś więcej, pojawia się duży problem — stworzony właśnie przez samą diodę białą, która jeszcze kilka akapitów temu była remedium na wszystkie bolączki. Problemem staje się wspomniany niebieski prążek, którym świeci dioda biała. Jeśli chcemy z głowicy RGBW uzyskać barwę białą ciepłą, powiedzmy 3200 K, musimy praktycznie usunąć kolor niebieski z widma. Ale nawet ustawienie kanału blue na 0 nie rozwiązuje sprawy, ponieważ wciąż mamy „drugi” niebieski — ten generowany przez chip biały. Musimy zatem obniżać natężenie diody białej. A to ona jako jedyna ma (w miarę…) dobre parametry!
Przy bardzo ciepłych bielach dochodzimy do momentu, w którym chipu W nie możemy używać w ogóle, a wtedy wszystkie zalety RGBW znikają.
Czy jest na to jakiś sposób?
„Przestrajać” częstotliwości generowanych przez struktury LED fal nie potrafimy, więc pozostaje wymyślić coś bardziej uniwersalnego. I tu, cały na bladozielono, pojawia się kolor limonowy. To dość umowna nazwa, ponieważ jest to w istocie niebieski LED tak mocno przykryty luminoforem, że kolor niebieski praktycznie nie wydostaje się na zewnątrz, a cała energia emitowana jest w paśmie „środkowym”, czyli w odcieniach zieleni i żółci. W uproszczeniu możemy powiedzieć, że jest to biała dioda, w której nie miksujemy światła niebieskiego z luminoforem, lecz świecimy samym luminoforem.
Charakterystyka struktury lime z głowicy Brighter X-Dot.
Przyjrzyjmy się charakterystyce struktury LIME z głowicy Brighter X-Dot (wykres 8). Widzimy bardzo szerokie pokrycie pasma widzialnego. Co ciekawe, dodanie do tego wykresu koloru niebieskiego powoduje powstanie charakterystyki łudząco podobnej do tej znanej z diody białej, którą opisywałem wcześniej. Zalety są jednak bardzo wyraźne — nowa struktura daje nam „wolność” w mieszaniu barw: w połączeniu z niebieskim tworzy zimny biały, a z czerwonym bardzo ciepły, wręcz bursztynowy kolor. Co istotne, jakość tego światła pozostaje zadowalająca w bardzo szerokim zakresie.
Rysunki przedstawiają porównanie zimnej (5600K) oraz ciepłej (3200K) bieli, dla technologii RGBW (powyżej) oraz RGBL (poniżej).
Zapewniam Was, że efekt jest znacznie lepszy niż w przypadku RGBW, ale widmo wciąż niespecjalnie przypomina to znane z żarówki czy światła słonecznego. Analizując wykres, możemy dostrzec dwie „dziury”, czyli obszary, w których ewidentnie brakuje natężenia fal elektromagnetycznych. Pierwszy taki obszar znajduje się między niebieskim a zielonym, drugi — między zielonym a czerwonym. Mimo że pierwsza luka jest większa, to obszar między zielonym a czerwonym jest dla odbioru światła ważniejszy.
Dlatego naturalnym rozwinięciem RGBL jest RGBLA — od amber, który wypełnia przestrzeń między czerwienią a zielenią. A jeśli chcemy iść na całość, można znaleźć również oprawy sześciokolorowe, RGBALC — na przykład Brighter FW300+ czy Profile 300+.
Rysunek przedstawia pomiaty oprawy Brighter FW300+ dla różnych temperatur barwowych: 5600K, 4500k oraz 3200K.
Sześciokolorowy chip daje już praktycznie pełne pokrycie zakresu fal światła widzialnego, a regulując natężenie poszczególnych struktur, możemy „odwzorować” światło słoneczne, żarowe, światło świecy i wiele innych charakterystycznych typów oświetlenia.
Wykres widmowy Chipu LED użytego w teatralnych oprawach brighter FW300+ oraz Profile 300+
Na wykresie widać, że najszersze pasmo pokrywają kolory LIME oraz AMBER, zapewniając bardzo dobre parametry emitowanego światła. Standardowe barwy RGB służą tu do światła efektowego (kolorowego) lub do precyzyjnej kalibracji żądanej barwy — poprzez subtelne dodanie lub odjęcie danego koloru. Wynik pomiaru CRI dla tego urządzenia to aż 94 Ra, co jednoznacznie pokazuje, jak zastosowanie diod AMBER, LIME i CYAN przekłada się na jakość odwzorowania barw. Warto zaznaczyć, że wartość 94 Ra została zmierzona przy temperaturze barwowej 2700 K, czyli w bardzo ciepłym odcieniu — a to właśnie tam najczęściej wychodzą na jaw najsłabsze punkty technologii LED. W przypadku tego konkretnego urządzenia w całym dostępnym zakresie temperatur parametr CRI waha się w przedziale 94–97 Ra. To czyni światło opraw teatralnych Brightera praktycznie nierozróżnialnym od oświetlenia żarowego, a jednocześnie daje realizatorowi pełną wolność w doborze koloru.
Tak wygląda sytuacja w przypadku opraw dedykowanych do ekspozycji — tam, gdzie bezkompromisowo skupiamy się na uzyskaniu jak najlepszej jakości plamy. Dla zachowania równowagi podam teraz przykład tego, jak wygląda to w momencie, gdy do klasycznego RGB dodamy jedynie chip LIME — najbardziej potrzebny i najbardziej uniwersalny. Co z tego wynika? Świetnie pokazuje to przykład urządzeń serii X-Dot, które osiągają odwzorowanie kolorów na poziomie 80 Ra w bardzo szerokim zakresie bieli, łącznie z najtrudniejszym dla opraw RGBW „ciepłym białym”, w okolicy 3200 K, imitującym światło żarowe. To czyni je bardzo uniwersalnymi urządzeniami, które sprawdzą się zarówno w świetle efektowym, jak i frontowym — znacznie lepiej niż washe RGBW, których konstrukcja uniemożliwia konkurencję z oprawami RGBL w tym zakresie.
Podsumowanie
W dziedzinie oświetlenia estradowego opartego na technologii LED można mówić o małej rewolucji, która dokonuje się na naszych oczach, a najpopularniejsze obecnie urządzenia RGBW zaczynają ustępować miejsca nowszym technologiom. Na rodzimym rynku we wdrażaniu technologii RGBL (i kolejnych) przoduje firma Brighter, oferująca głowicę X-Dot Wash IP z zaawansowanymi diodami RGBL już od kilku lat. Produkt doczekał się nawet swojej ewolucji, czyli większego washa X-Dot MAX. Na rynku pojawia się coraz więcej produktów wykorzystujących tę technologię, a obrana droga wydaje się zarówno słuszna, jak i perspektywiczna.
Tekst i rysunki: Łukasz Czekaj, Brighter Lighting
Jeżeli spodobał Wam się artykuł albo mieliście okazję odwiedzić warsztaty Brightera, mamy dla Was świetną informację: krakowska marka planuje kolejne warsztaty z nową tematyką, poświęconą technologicznym aspektom urządzeń oświetleniowych, które odbędą się wiosną 2026 roku. Szczegóły pojawią się wkrótce, a my już teraz zachęcamy do wzięcia w nich udziału.
