Beyaz LED İle Aydınlatmada Renkli Görme Performansı

6500K renk sıcaklığı değerindeki günışığı aydınlatmasında bir cisimin gerçek renklerini görebilmekteyiz. Aynı cisim, farklı tayflı aydınlatmalar altında gözlerimiz tarafından farklı renkte algılanabilir. Artık sıklıkla kullanmaya başladığımız beyaz LED aydınlatması altında renkleri ayırt etme performansımız, kullanılan LED ışık kaynağı tayfsal özelliklerine göre çok değişebilmektedir.

Bu çalışmada iç aydınlatmada kullanılan değişik renk sıcaklığındaki beyaz LED’ler baz alınarak, geriverim indisi değerleri bakımından renkli görme performansının karşılaştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca CIE geriverim indisi hesaplama prosedürü incelenmekte ve beyaz LED’ler için tartışılan yeni hesaplama önerileri aktarılmaktadır.

1- Işık Yayıcı Diyotlar

LED’ler, yani Işık Yayıcı Diyotlar, aydınlatma sektörüne çok hızlı bir giriş yaptılar. Artık LED tabanlı ve E27 duylu LED lambaları her markette bulabiliyor ve evlerimiz içerisinde sıklıkla kullanıyoruz. Lamba satın alırken, kullanıcıların, beyaz veya sarı ışık ayırımı yaparak tercih edebildiklerini görüyoruz. Hatta, lamba kutuları üzerilerinde üretici tarafından belirtilmişse, lümen cinsinden ışık akısı verilerini de karşılaştırıp, kullanım yerine göre de seçim yapabiliyoruz. Belirtilen uzun kullanım sürelerinin, o kadar da uzun olamadığını satın aldıktan sonra, pratikte görsek te, LED lambaların akkor lambalara göre daha az enerji harcadıkları artık kanıtlanmış bir gerçek. Ayrıca, enerji verimliliği alanında, LED lamba üretimine yönelik yeni yasal düzenlemeler sonucu, LED kullanımının yaygınlaşmasının teşvik edildiğini söyleyebiliriz.

2- Renksel Geriverim İndisi

Yapay bir ışık kaynağından beklenilen başlıca özellikler arasında, yaydığı aydınlatma miktarı ya da lümen/watt cinsinden verimliliği gelir. Ama kullanımda, o aydınlatma altında renkli cisimlerin ne derece iyi görülebildiği unsuru da önem taşır. Buradaki ışık verimliliği ve renksel geriverim indisi ifadeleri, aydınlatma kaynağının tayfına bağlı olarak hesaplanan büyüklüklerdir [1]. Bu bağlamda, Uluslararası Aydınlatma Komisyonu; CIE tarafından, Renksel GeriVerim İndisi (CRI), yapay bir ışık kaynağının, ideal bir referans aydınlatıcıya göre farklı renkteki nesneleri ne derece yakın gösterdiğinin standart bir ölçütü olarak tanımlanmıştır [2].

Şekil 1. CRI Hesaplamaları Standart Test Paleti

Farklı ışıma tayflarına sahip değişik aydınlatmalar altında, günışığında gördüğümüz birçok nesne çok farklı renkte gözükebilmektedir [3]. Işık kaynaklarının bu özellikleri, CIE tarafından uygun referans aydınlatıcılara göre hesaplanan Renksel Geriverim İndisi (Color Rendering Index, CRI) olarak tanımlanmış, değerleri 1 ile 100 arasında değişen rakamlarla ifade edilerek standartlaştırılmıştır. Genelde, sayısal olarak yüksek CRI değerine sahip lambalar standart günışığı aydınlatması altındaki doğal aydınlatma altındaki gündüz görüşüne, en yakın doğal görünüş performansını verebilen aydınlatıcıyı işaret eder [4].

Bu çalışmada, çeşitli tayflara sahip beyaz LED kaynakların renksel geriverim indisi değerlerini hesaplamak için, CIE tanımlarına uygun bir hesaplama proğramı oluşturulmuştur [5]. Mevcut durumda CIE, ışık kaynaklarının renksel geriverim özelliklerinin belirlenmesi için, on dört adet test renk örneği kullanarak, karşılaştırma yöntemi ile hesaplanmasını önermektedir [6]. Bu yöntem temel olarak, CIE tarafından kabul edilmiş, tayfları Şekil.1’de verilen sekiz asıl ve altı adet ek Munsell renk örneğinin referans ve test aydınlanmaları altındaki renk değerleri kaymalarının hesaplanmasına dayanır [7]. Buradaki ilk sekiz renk, orta seviyede doymuş renklerdir. Diğer altı renk ise oldukça doymuş kırmızı, sarı, yeşil, mavi, açık yeşil gibi ek renkleri içermektedir.

Standart yöntemde öncelikle, CIE 1931 (X, Y, Z, x, y) uzayına göre alınan renksel veriler, hesaplamanın yapılacağı 1960 (u, v) koordinatlarına çevrilir;

Hesaplamaların tek renk uyumunun doğru olması için test lambasına yakın renk özelliğine sahip bir r referans aydınlatıcısı seçilir. Test edilen lamba (k) aydınlatması altında, referans aydınlatıcıya (r) göre oluşan renk kayması (2) eşitliği ile hesaplanır;

Burada u’k,i u ve v’k,i değerleri, i numaralı standart renk örneğinin test edilen lambadan referans aydınlatıcıya hesaplanılan türsel koordinat değerleridir. Eşitlikte kullanılan c ve d değerleri ayrı ayrı hesaplanır;

u’k = ur ve v’k = vr olacak şekilde renk kayması kabul edilerek, Yr = Yk = 100 alınıp Yr,i ve Yk,i değerleri normalize edilerek, renksel veriler 1964 Uzay Koordinatlarına çevrilir;

Her bir standart örnek için, test lambası k ve referans aydınlatıcı r için 1964 Renk Farkı şu şekilde hesaplanır;

Ri, her bir örnek için elde edilen özel Renk Geriverim indisidir;

Genel Renk Geriverim indisi değeri; CRIRA, ise, standartta tanımlı ilk sekiz farklı rengin herbiri için hesaplanan Ri değerlerinin aritmetik ortalaması olur;

3- LED CRI-Ra Değerlerinin Belirlenmesi

Bu çalışmada genel renksel geriverim indisi değerleri hesaplanan beyaz LED’lerin normalize ışınım düzeyi tayfları Şekil:2’de verilmektedir. Şekildeki bazı LED tayfları beklenildiği üzere üç ana renk bantları içermektedir. Mavi, yeşil ve kırmızı bu bantların birleşimi gözlerimiz tarafından beyaz renk olarak algılanmaktadır.

Hesaplamalarda kullanılan üç bantlı ‘3Bant-1’ kodlu beyaz LED sırasıyla 461- 542-620 nm dalgaboylarında, ‘3Bant-2’ kodlu ikinci beyaz LED ise 472-544-629 nm dalgaboylarında mavi-yeşil-kırmızı tepe noktalarına sahiptir.

Seçilen LED’ler arasında, geniş bantlı sarı renkli fosfor dağılımı ile mavi renkli InGaN çip ışımalarının birleşiminden oluşan fosfor tipi LED’ler de bulunmaktadır. Fosfor tipi LED’lerin mavi ve sarı ışıklarının karışımı da gözlerimiz tarafından beyaz renk olarak algılanmaktadır.

Şekil:2’de fosfor kaplı LED’lerden, soğuk beyaz tipli olanlar CW (Cool White), sıcak beyaz olanlar WW (Warm White) kısaltmasıyla gösterilmiştir. ‘CW Fosfor-1’ kodlu LED 444 nm, ‘CW Fosfor-2’ kodlu LED 451 nm, ‘WW’ kodlu sıcak-beyaz LED ise 439 nm dalgaboyunda mavi tepe dalgaboyuna sahiptir. Sıcak-beyaz WW LED’de, fosfor kaplama etkisi 606 nm dalgaboyu etrafında kırmızı renkte geniş dağılımlı olarak göze çarpmaktadır. Tayftaki bu geniş kırmızı hat, lamba ışıma renginin daha çok sarımsı renkte olmasına neden olmaktadır. Bu tür geniş dalgaboylu ışımalar kullanılan armatürün renk sıcaklığı değerini artırırken, kullanımda enerji ve ışık kayıpları olarak yansımaktadır.

Şekil 2. Hesaplamalarda kullanılan beyaz renkli LED’lerin ışınım tayfları

Tablo 1. Test LED kaynakları için CRI-RA ve CCT Hesaplama Sonuçları

Işık kaynaklarının renksel geriverim indisi değerlerinin belirlenmesi için, CIE standart CRI hesaplama yöntemi temel alınarak bir program oluşturulmuştur. Bu yazılım ile belirlenen beyaz LED ışık kaynaklarının ışıma eğrisi ile üçtürsel tayflar geleneksel CIE yönteminde belirtildiği şekilde ağırlıklı olarak toplanarak CRI-RA değerlerine erişilmiştir. Farklı tayftaki LED kaynaklar için hesaplanılan CRI-RA değerleri Tablo:1’de gösterilmektedir. Tabloda LED’lerin CRI-RA değerleri yanında, hesaplanılan renk sıcaklığı değerleri de gösterilmektedir.

4- Geliştirilmeye Açık Yönler

Günümüzde, yapay ışık kaynaklarının renkli gösterme kalitesi denince, sayısal olarak ölçülebilen ve uluslararası kabul gören CIE-RA renksel geriverim indisi ölçeği değeri ön plana çıkmaktadır [8]. Ancak CRI-RA hesaplamaları, prosedür olarak kısıtlı bir renk paletine dayandığı, ve temelde geniş bantlı ışık kaynaklarını referans aldığından bazı ölçümsel limitleri mevcuttur. Ölçüm sisteminin dayandığı 1964 U*V*W* uzayı, CIELAB uzayı kadar homojen olmadığından yetersiz kalmaktadır. Ayrıca, bazı dar bantlı LED ışık kaynakları için hesaplanan renksel geriverim indisi değerleri, dalgaboyuna bağlı olarak birbirinden farklı ölçüm doğrululuklarında belirlenebilmektedir.

Çünkü hesaplamada temel alınan Munsell renk paleti, tüm renklerin sadece kısıtlı bir kısmına karşılık gelmektedir. Genel CRIRA değeri, palette yeralan 8 renge ait değerin ortalaması olduğundan, bazı renkleri aynı ışık altında farklı gösterebilen iki farklı kaynak, aynı CRI-RA değerine sahip olabilmektedir.

Alçak basınçlı sodyum lambalar gibi bazı ışık kaynaklarının CRI-RA değerleri ise mevcut hesaplama sisteminde negatif değerli çıktığından yorumlanamamaktadır.

Bu gibi nedenlerle, beyaz LED’ler için hesaplanan CRI-RA değerinin, renkleri gösterme performansının belirlenmesinde tekbaşına yeterli bir faktör olmadığı değerlendirilebilir [9]. Zaten 2007 yılında CIE, standart CRI-RA hesaplama modelinin LED kaynakların renksel geriverim indisinin belirlenmesinde yetersiz kalabildiğine dikkat çekmiştir. Mevcut hesaplama yönteminin revize edilmesi gerekliliği üzerine, CIE’nin 2002 yılında 1- 62 ve 2006 yılında 1-69 numaralı teknik çalışma grupları kurulmuştur.

Yüksek CRI-RA değeri ile renk ayırdetme kabiliyeti ilişkilendirilebilse de, düşük CRI-RA değerine sahip, ancak yüksek kontrastlı aydınlatmaların kullanıcılar tarafından tercih sebebi olabildiği görülmüştür [10]. Bu durum, yeni doyum faktörü ile bir Renk Kalite Ölçeğinin oluşturulmasını sağlamıştır. CIE’nin 1-62 numaralı teknik grubu, 2007 yılında 177 no’lu yayını ilk önerisini yayınlamıştır [11]. 2012 yılında ise 1-90 ve 1-91 numaralı gruplar yeni hesaplama yöntemi üzerinde çalışmaya başlamışlardır.

2013 yılında Amerikan Aydınlatma Mühendisleri Topluluğu (IES)’nun, TM- 30-15 ‘IES Işık Kaynağı Renk GeriVerim İndisi Belirlenmesi Yöntemi’ teknik grubu gelişmiş bir CRI belirleme yöntemi önermiştir [12]. 8 yerine 99 renk örneği, yeni faktör ve gösterimler içeren bu gelişmiş yöntem, bir teknik standart olma aşamasındadır [13].

5- Sonuçlar

Bu çalışmada, CIE tarafından tanımlanmış standart hesaplama yöntemlerine göre seçilen beyaz LED kaynakların Renk Geriverim İndisi değerleri hesaplanarak, karşılaştırma yapılmıştır.

Her ışık kaynağı için, tayfsal dağılım verileri kullanılarak standart geriverim indisi değeri hesaplanabilir. Beyaz LED’lerin ölçülen CRI değerleri, üretim sırasında biraz kırmızı renkli fosfor eklenerek artırılabilir. Ancak öte yandan tayfa kırmızı bir hat eklendiğinde CRI değeri artarken, LED lambanın ışıksal verimlilik değerlerinin düşmesi sözkonusudur.

Renkli görme kalitesinin belirlenmesinde, renksel geriverim indisi değerinin mevcut CIE yöntemleriyle belirlenmesinin, önemli bir ölçülebilir değerlendirme yöntemi olduğu görülmekle birlikte, özellikle beyaz renkli LED aydınlatmalarında renkleri ayırdetme, renk tercihi ve renk uyumu gibi birçok fizyolojik faktörün de ayrıca gözönünde bulundurulması gerektiği değerlendirilmektedir. Bu bağlamda, aritmetik ortalamanın yanında hesaplanacak standart sapma değerinin de gözönüne alınması karşılaştırma açısından faydalı olabilir. Beyaz LED’lerin kullanımında renkli görme konforu açısından özel bir kalite değerlendirilmesinin yapılması gerektiği görülmüştür.

Kaynaklar

[1] Houser, K. et.al, Tutorial: Color Rendering and Its Applications in Lighting, LEUKOS, 12:7–26, 2016.
[2] CIE 17.4, International Lighting Vocabulary.
[3] CIE 109, A method of predicting corresponding colours under different chromatic and illuminance adaptations, 1994.
[4] Wyszecki, G., Styles, W. S., Color Science: Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae, NewYork: John Wiley & Sons, 1982.
[5] A.K.Türkoğlu, “Flüoresan Lambaların Tayfsal Özelliklerinin CIE Normlarına Göre Belirlenmesi“, V.Ulusal Aydınlatma Kongresi, 209-216, İstanbul, 8.10.2004
[6] CIE 13.3, Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources, 1995.
[7] CIE 135/2, Colour Rendering, TC 1-33 closing remarks, 1999.
[8] Rea, M.S., Freyssinier, J.P. Recommendations for specifying color properties of light sources for retail merchandising, Solid-State Illumination Systems and Tech., Cilt: 8, No:2, 2010.
[9] Ohno, Y., Color Rendering and Luminous Efficacy of White LED Spectra, 4th Int. Conf. on Solid State Lighting, 2004
[10] Narendran, N., Deng, L., Colour Rendering Properties of LED light sources, 2002.
[11] CIE 177 Colour Rendering of White LED Light Sources, 2007.
[12] David A. et al, IES TM-30-15, IES method for evaluating light source colour rendition, Illuminating Engineering Society, 2015.
[13] CIE 224 Colour Fidelity Index for accurate scientific use, 2017.

A. Kamuran TÜRKOĞLU, Elektrik-Elektronik Müh.Bölümü – Girne Amerikan Üniversitesi