Por que a reprodução e a qualidade das cores diminuem quando os LEDs de temperatura dupla são configurados para metade do brilho?

No sector da iluminação, o “ajuste duplo da temperatura da cor” é há muito um lugar-comum. Quer seja em escritórios, hotéis ou salas de estar, a capacidade de alternar livremente entre branco quente e branco frio parece ter-se tornado uma caraterística padrão da iluminação inteligente.

No entanto, muitos designers e utilizadores acham que quando a temperatura da cor é definida para um valor intermédio, algo parece “desligado” - algumas luzes mostram uma diminuição notável na reprodução de cores, enquanto outras assumem uma tonalidade rosada ou esverdeada.

Figura: Após o escurecimento misto de LEDs de temperatura de duas cores com CRI elevado, tanto Ra como R9 diminuem significativamente.

Não se trata de uma ilusão, mas sim do resultado inevitável do princípio de iluminação mista LED de temperatura de duas cores. Este artigo utilizará a lógica técnica mais rigorosa para o ajudar a compreender as razões subjacentes a este fenómeno e fornecerá recomendações profissionais para a sua melhoria.

Antes de discutir a consistência da iluminação mista de duas cores e temperatura, devemos primeiro estabelecer uma “linguagem ótica” comum, incluindo:

Distribuição da potência espetral (SPD) - A “impressão digital” de uma fonte de luz, que determina todas as caraterísticas, como a temperatura da cor e a restituição da cor.

• A luz incandescente tem um espetro contínuo e suave, enquanto o SPD dos LED brancos é composto por pastilhas de luz azul e fósforos, apresentando normalmente um pico azul acentuado e bandas amarelas/vermelhas segmentadas.
• Num sistema de temperatura de duas cores, as diferenças de SPD entre o branco quente (por exemplo, 2700K) e o branco frio (por exemplo, 6500K) são significativas e a sua mistura resulta inevitavelmente num novo perfil espetral.

Índice de restituição de cor (CRI, TM-30)

• CRI Ra: Um padrão reconhecido internacionalmente e utilizado há décadas, mas que avalia apenas oito amostras de cores de teste de baixa saturação, o que o torna suscetível de “otimização” que resulta em valores numéricos elevados mas numa reprodução de cores real deficiente.
• R9: Índice de reprodução de cor vermelha saturada, crítico para tons de pele, madeira e carne. As fontes de luz com Ra elevado mas R9 baixo fazem com que as cores pareçam acinzentadas.

• TM-30: Uma versão actualizada lançada pelo IES North America, que acrescenta indicadores duplos de Rf (fidelidade) e Rg (saturação) e utiliza diagramas vectoriais de cor para apresentar visualmente a direção e a magnitude do desvio da cor, proporcionando uma avaliação mais abrangente do que o CRI.

Diferença de cor (SDCM) e elipse de MacAdam

• Os LEDs do mesmo lote também podem ter ligeiras diferenças de cor, e o SDCM é um indicador que quantifica essa diferença.
• A iluminação de alta qualidade requer normalmente 2-3 passos de SDCM, mas este é apenas um indicador ao nível do chip, e a consistência do sistema também depende da conceção ótica e da precisão da unidade.

O sistema de temperatura de cor dupla é composto por um canal de branco quente e um canal de branco frio. Ao ajustar a temperatura da cor, os dois SPDs são essencialmente sobrepostos linearmente em rácios diferentes.

A questãos são:  

• No diagrama de cromaticidade CIE, a trajetória de cor produzida pela mistura é uma linha reta, enquanto a luz branca ideal (trajetória do corpo negro BBL) é uma linha curva.
• Quando ajustada a uma temperatura de cor intermédia, esta linha reta “atravessa” inevitavelmente o BBL a partir de baixo, resultando num desvio Duv negativo sistemático, que se manifesta como uma tonalidade rosa ou magenta percetível.

Isto significa que, mesmo que a temperatura de cor esteja perfeitamente alinhada com o BBL em ambos os pontos finais, o desvio de cor na gama intermédia é fisicamente inevitável.

Figura: Ilustração do desvio do DUV em relação à curva de convergência

Em testes reais, o CRI e o Rf dos LEDs de temperatura de duas cores mostram frequentemente uma “queda” notável na gama média (3500K~4500K), especialmente com uma queda significativa no R9.

Há três razões:  

1. Lacunas espectrais:Os LED brancos quentes e brancos frios têm os seus próprios pontos fortes e fracos, e misturá-los na gama média pode resultar em “vales” de energia em regiões críticas como 480-560 nm.  
2. Falha do metamerismo:Embora o SPD da luz mista possa atingir a mesma temperatura de cor, é completamente diferente do verdadeiro espetro de temperatura de cor única, levando à distorção da reprodução de cores.
3. O TM-30 revela alterações de saturação:A temperatura de cor de gama média Rg aumenta frequentemente (sobre-saturação), tornando as cores mais “vibrantes”, mas reduzindo a fidelidade da cor. Isto pode ser uma vantagem em ambientes de retalho, mas é uma falha crítica em ambientes de alta fidelidade, como museus e instalações médicas.

Para resolver fundamentalmente o problema da restituição da cor e da consistência da tolerância da cor, a indústria começou a adotar uma estratégia de ajuste espetral multicanal:

• Três canais: A adição de branco neutro entre o branco quente e o branco frio melhora significativamente o desvio Duv.
• Quatro/cinco canais (RGBW, RGBAW):Introduzindo cores primárias independentes, como o vermelho, o verde, o azul e o âmbar, o algoritmo pode otimizar o SPD em condições de metamerismo, conseguindo:

~ Correspondência BBL de gama completa (Duv ≈ 0);

~ Temperatura de cor total, elevada restituição de cor (Ra > 90, R9 > 90);

~ Continuidade espetral controlável, suportando iluminação centrada no ser humano, melhoramento de cores específicas e outras aplicações.

Embora os sistemas multicanal tenham custos e complexidade de controlo mais elevados, são a única solução capaz de satisfazer simultaneamente os elevados requisitos de reprodução e consistência da cor em aplicações de iluminação topo de gama e de cor crítica.