Что такое индекс цветопередачи и почему важен параметр R9

В эволюционном развитии глаза человека адаптированы к солнечному свету. Создание световых устройств со спектром излучения, близким к дневному свету, сначала привело к распространению ламп с телом накала, испускающего свет. С появлением энергосберегающих приборов поддерживать согласованность цвета стало сложнее. Восприятие оттенков в помещении с искусственным освещением обусловлено многими характеристиками - мощностью светильника, особенностями технического устройства. Цвета, насыщенность оттенков конкретного предмета, освещенного лампочками с приближенными характеристиками, визуально может восприниматься по-разному. Для определения степени визуального сходства видимого цвета натуральному был создан специальный параметр.

Что называют индексом цветопередачи (CRI)

Величину, полученную из соотношения реального цвета к тому, что воспринимает человеческий глаз при искусственном освещении, называют коэффициентом цветопередачи (CRI). В переводе с английского «color Rendering Index» означает «индекс отображения цветов».

Согласно международному стандартному индексу цветопередачи, значение CRI, которое наносят на упаковки электрических световых приборов, имеет полное название «CIE Ra». Количественная мера отражает свойство прибора без искажений отображать цвет объекта в сравнении с эталонным источником освещения.

Индекс цветопередачи световых приборов играет важную роль. Известны случаи, когда при тусклом освещении магазина клиент покупал черные брюки, однако на улице видел синий цвет ткани. Зачастую на прилавках торговых центров покупатели видят аппетитную розовую нарезку мясных продуктов, дома - серую поверхность продукта. Высокая важность CRI проявляется в сферах художественной реставрации или хирургии, а также на современных жилых и промышленных рынках.

Любой свет в свой состав включает несколько цветов. Различные предметы отражают часть направленного на них светового потока и одновременно поглощают волны. Точность восприятия цвета обусловлена длиной поглощаемой волны. Объект при искусственном свете может выглядеть очень похожим, иногда - сильно отличаться от естественного оттенка. Меру сходства фиксирует индекс цветопередачи CRI.

Если дневной свет включает сочетание всех цветов спектра в диапазоне от красного оттенка до фиолетового, то прибор искусственного освещения может излучать спектр не в полной мере. Соответственно, отражение станет неполным, а предмет под лампочкой визуально потеряет яркость красок.

CRI измеряется по шкале от 1 до 100 единиц по отраслевому стандарту измерения точности источника света. Максимальный показатель шкалы характеризует солнечный или эталонный свет излучателя черного тела. Комфортными для человека считают значения CRI от 80 до 100 баллов. Оценки ниже 80 единиц свидетельствуют о восприятии оттенков в искаженном виде.

В рассмотрении величины измерения цветопередачи не стоит смешивать CRI с показателем CCT, активно используемым для передачи характеристик светового потока. CCT измеряет цвет в градусах Кельвина, не относится к передаче точности оттенков.

Индекс цветопередачи различных ламп

Получить представление о CRI источника света можно при направлении светового потока лампы на различные объекты. Один и тот же цвет при освещении будет восприниматься по-разному, в зависимости от спектрального состава типа лампочек, принципов действия, технических компонентов светильника.

Лампы накаливания

Классические модели постепенно утрачивают популярность из-за низкой эффективности. Однако лампы накаливания, фактически черные тела, приближаются по индексу цветопередачи к показателям солнечного света. Отличие - в несущественном сдвиге в сторону инфракрасного излучения. Благодаря непрерывному спектру, содержащему в полном объеме видимые длины волн, CRI классических ламп приближается к максимуму по 100-бальной шкале, превосходит по показателям другие источники света, созданные человеком.

Галогенные лампы

Значение индекса CRI у большинства приборов 90 и более единиц. В сравнении с лампами накаливания галогенные аналоги не уступают по цветопередаче, при той же мощности ламп направляют больший световой поток.

Люминесцентные лампы

Компактные люминесцентные лампы и приборы трубчатого типа характеризуются необходимостью применения пускорегулирующей аппаратуры, дискретным линейчатым спектром, или так называемым рваным составом света. В восприятии наблюдается смещение в область холодных цветов. Излучение нейтрального, теплого света обусловлено составом люминофора, индекс цветопередачи колеблется в диапазоне от 60 до 90 CRI. Так, например:

• трехкомпонентный люминофор - 80Ra и выше;
• пятикомпонентный люминофор - 90Ra.

Бюджетные лампы выпускают ниже 80Ra - следует внимательно изучать характеристики на упаковке товара.

Светодиодные лампы

Высокий индекс цветопередачи светодиодных светильников, как и у люминесцентных аналогов, обусловлен составом люминофора, покрывающим кристаллы светодиодов. Производители выпускают линейки световых приборов с разной степенью цветопередачи. Лучшие модели показывают значение CRI led до 90 и выше.

По результатам исследований, белый свет в результате смешивания света красных, зеленых, синих светодиодов оказывается лучше, чем свечение галогенных аналогов и ламп накаливания с наиболее высокими CRI.

Популярность светильников обеспечивает не только индекс цветопередачи светодиодных ламп, но и применение приборов в помещениях любого типа.

Натриевые лампы

В помещениях, где работают люди, натриевые лампочки практически не размещают. Основные причины - долгий розжиг, гудение, низкий индекс цветопередачи (примерно 40 Ra). Рваный спектр, преобладание красно-оранжевых тонов ограничивает цветопередачу, искажает истинные оттенки предметов. Другие технические характеристики позволяют применять лампы для уличного, тепличного освещения - длительный срок службы, высокий световой поток.

Дуговые ртутные лампы

Схожие с натриевыми лампами по индексу цветопередачи, ДРЛ аналогичны в использовании, за исключением установки в теплицах. Особенность дуговых ртутных ламп - в смещении рваного спектра в область синего цвета, ультрафиолета.

Таким образом, не все лампы излучают свет в полном спектре и передают точное соответствие цветов реальным.

Как измеряется индекс цветопередачи

Стандартный отраслевой метод определения цветопередачи обязателен при разработке источников света. В основе расчетов коэффициента CRI использованы принципы, которые предложены Международной комиссией по освещению примерно в 1960–1970 годах XX века.

В России на основе международного стандарта МКО разработан ГОСТ Р 8.827-2013 по вычислению индекса цветопередачи для различных искусственных источников света. Классический метод предусматривает проведение измерений при заданных условиях среды по определенным значениям температуры, атмосферного давления, относительной влажности воздуха.

В начале процедуры измерения сначала эталонным прибором, затем исследуемым источником света светят поочередно на стандартные цветные пластинки из набора, который включает восемь основных и шесть дополнительных образцов цвета. Колориметром замеряют значение цвета, снимают показания.

Затем вычисляют сдвиг значений от эталонного образца по каждому цвету R1 - R8, определяют среднеарифметическое значение. Полученный результат принимают за коэффициент цветопередачи, указывают на упаковке прибора. Чем он ближе к 100 CRI, тем точнее цветопередача. Чем меньше индекс, тем хуже передача цвета.

В измерения часто добавляют шаблон красного цвета. Изменения насыщенного тона при искусственном освещении сразу дает эффект неестественного цвета кожи человека. Проверка шести дополнительных цветов проводится только в особых случаях, поскольку не является обязательной. При расчетах индекса результаты добавочной проверки не учитываются.

Современная обработка данных зачастую проводится с помощью портативных приборов, сенсорный датчик которого при приближении снимает данные с тестируемого светильника. Метод на основе компьютерной программы не соотносится с требованиями и критериями ГОСТ Р 8.827-2013, однако применяются благодаря оперативности и точности.

Чем больше тестируемый источник приближается к идеальному эталонному образцу, тем выше его индекс CRI.

У классического метода измерения отмечают весомый недостаток - усредненный результат не фиксирует сдвигов в сопоставлении по определенным цветам. В итоге два источника с одинаковыми показателями CRI светят по-разному. В одном случае будет преобладать, например, желтый цвет, в другом - зеленый в зависимости от того, какой оттенок спектра сильнее отличается от эталона.

Существует альтернативная методика измерения CRI, разработанная американскими специалистами в 2015 г. В отличие от классического подхода цветопередачу характеризуют два коэффициента - точности и насыщенности, оценку проводят по 99 цветовым шаблонам.

Специальное значение: R9

Гамма стандартных образцов R1–R8 для адекватной оценки цветопередачи формирует обобщенный показатель, который подойдет для отраслей промышленности, где требуется передача насыщенных оттенков. Проблемы с метрикой CRI специалистам известны, но изменения в индустрии освещения происходят крайне медленно.

В наборе цветов R1–R8, которые используют в качестве эталонов, отсутствуют сложный для воспроизведения оттенок R9 «насыщенный красный». Коэффициент рассчитывается, как и у других цветовых значений, путем математического сопоставления отраженного цвета от заданного объекта в сравнении с эталоном отражения, определяется как TCS9.

Для освещения с высоким индексом цветопередачи показатель R9 очень важный - от него зависит, например, качество передачи телесных тонов.

Различия в цветопередаче между источником света и эталонным источником проблематичны для точной диагностики в медицине, фото-и видеосъемки, текстильной и художественной печати, торговли, косметологии и других сфер.

Необходимость хорошей передачи красного оттенка важна для сложных цветов, в составе которых присутствует красный. Так, например, лица людей без точного воспроизведения красных волн станут зеленоватыми, серыми, бледными.

В реальности получить высокий балл R9 гораздо сложнее по сравнению с другими значениями, поскольку чувствительность к спектральным изменениям выше. В оценке R9 значение 50 или выше отражает хорошую передачу красного цвета, 90 - отличную.

Многие производители на рынках информируют покупателей о световых приборах с высоким значением CRI без показателя R9, который включен в расширенный индекс цветопередачи. Если потребителю важно сходство цвета объекта при искусственном и дневном освещении, то сведения о значении R9 играют ключевую роль.

Так, в спектре цветопередачи светодиодов по сравнению с дневным светом (эталонным источником) первые восемь цветных образцов могут демонстрировать неплохие результаты при отсутствии красного оттенка. Значение R9 может быть даже отрицательным, однако при общей оценке CRI светодиода может войти в рейтинг со значением 80 Ra. Поэтому информация о CRI R9 для оценки качества цветопередачи источника света является полезным дополнительным показателем при спектрах отражения объектов, включающих красные волны. Иначе возможна замена красного тона другим оттенком или полное «выключение» цвета из общего спектра.

Цветовые температуры недневного света

Согласно стандарту CRI для цветовых температур 5000К и более необходимо использовать спектр эталонного дневного света. Если цветовая температура менее 5000К, то применяется спектр излучения Планка.

Закон Планка описывает излучение черного тела, тепловое излучение реальных тел. Планковское излучение характерно для любого источника света, создающего свечение за счет выделения тепла, включая галогенные источники света, лампы накаливания.

В итоге, при определении индекса цветопередачи светодиодной лампы 3000K, измерения сопоставимы с дневным источником света, имеющим спектр такой же, как у галогенного прожектора 3000K. Следовательно, естественный и полный спектр света отличает так же галогенные источники света, лампы накаливания, несмотря на слабую энергоэффективность лампочек.

Важность CRI

Сейчас индекс цветопередачи (CRI) становится решающим фактором для приобретения световых приборов, систем искусственного освещения. Осознание заметных преимуществ в использовании светильников с высоким рейтингом CRI обуславливает решения руководителей в оснащении производств, офисов, торговых площадей световым оборудованием с индексом цветопередачи 80 и выше. Затраты на эффективное освещение окупаются, модернизация освещения способствует:

• безопасности на рабочих местах;
• повышению производительности труда;
• эффективности коммерческой среды.

Лампы с низким индексом цветопередачи (люминесцентные, натриевые) слабо отражают, неточно передают истинные цвета. Плохая видимость влияет на способность внимательно читать, своевременно замечать предупреждающие этикетки, реагировать на важную информацию.

Улучшение видимости снижает риски, особенно в зонах повышенной опасности. Светодиодное освещение с высоким индексом цветопередачи светильников уменьшает количество несчастных случаев на производстве, ошибок работающего персонала.

Освещение рабочих и служебных помещений светильниками с высокими рейтингами CRI снижает стресс, не допускает головных болей от напряжения глаз, общей утомляемости, улучшает настроение, что в целом способствует повышению производительности.

В сфере услуг, коммерции, торговли освещение с высоким индексом CRI дает особое преимущество - покупатели охотнее приобретают привлекательные товары - розовое куриное филе, колбасную нарезку, оранжевые апельсины, красные яблоки и т.д. Продавцы косметики отмечают, что цвет тона кожи клиента должен точно отражать результат нанесения корректирующих и декоративных средств. В теле- и киноиндустрии нельзя допустить искажений в передаче естественного цвета кожи, поскольку внимание аудитории всегда сосредоточено на лицах героев. В элитных ресторанах, отелях световые приборы с высоким индексом цветопередачи помогают создать особую атмосферу красоты и комфорта.

Важность правильного и точного освещения хорошо знают организаторы выставок, концертов, мероприятий с использованием видеоматериалов. В конечном счете, все сказывается на удовлетворенности потребителей услуг и товаров, на показателях продаж.

Общие значения CRI и приемлемая цветопередача

Правильная организация освещения необходима в помещениях разных сфер деятельности:

• производственных - цехах, лабораториях, мастерских;
• коммерческих - магазинах, кафе, ресторанах;
• общественных - музеи, театры, выставки;
• медицинских - больницах, поликлиниках, оздоровительных центрах;
• жилых - домах, квартирах.

При искусственном освещении все должно выглядеть достоверно, без искажений натуральных оттенков. Цветопередаче в этом отводят решающую роль.

На практике индекс цветопередачи в диапазоне от 90 до 100 считают безупречным. Источники света с высоким индексом CRI используют в сферах, где необходима точная оценка цвета, улучшение эстетики. При выборе осветительных приборов с показателями CRI выше 90 рекомендуют сравнивать значение CRI R9 для определения точности передачи красного цвета и оттенков, его включающих.

Коэффициент от 80 до 90 признают хорошим уровнем для многих областей, где очень точная передача оттенков не требуется, однако необходима качественная цветопередача. 80 CRI (Ra) - общий базовый уровень приемлемой цветопередачи для помещений внутреннего и коммерческого освещения.

Показатель меньше 80 Ra считают удовлетворительным, приемлемым для помещений, где работники находятся непродолжительное время, не выполняют видов работ, связанных со зрительной нагрузкой.

В нормативных документах для различных типов помещений рекомендованы следующие показатели CRI (в баллах):

• торговые, оздоровительные центры, выставки, музеи - от 90 до 100;
• жилые помещения, образовательные организации, общественные здания - от 70 до 90;
• хозяйственные постройки, складские комплексы - от 50 до 60.

Более высокий CRI по методике расчета указывает на сходство спектра света с естественным дневным светом, при котором глаза наиболее чувствительны к ярким источникам. Для изучения феномена яркости еще в начале 20-го века ученые описали взаимосвязь восприятием яркости с длиной волны. Исследования показали избирательный подход человеческого глаза к энергии света на разных длинах волн.

Наблюдения фиксируют при ярком освещении неэффективность восприятия волн темно-синего, а также фиолетового, красного цвета.  Зеленые и желтые волны, наоборот, выигрывают в восприятии при ярком освещении. Не случайно, в изготовлении защитных жилетов используют желто-зеленые тона.

Сопоставление функции яркости со спектром при дневном свете показывает, что ожидания от показателя CRI и R9 для красного цвета расходится с проявлениями яркости. Для получения высокого коэффициента цветопередачи полезен широкий спектр, но для высокой светоотдачи будет эффективнее узкий спектр, который сфокусирован в зелено-желтом диапазоне волн.

Принятие обоснованных решений в выборе и монтаже осветительных установок связано с пониманием задач и приоритетов в обеспечении цветопередачи и интенсивности света.