Valon spektri. Mitä LED valon spektrikuva kertoo?

Mittaamme tuotteittemme valotekniset parametrin käyttämällämme Giga-Hertz Optic:in BTS256-EF mittarilla joka on liitetty tietokoneeseen jossa on mittaus- ja analysointiohjelmisto S-BTS256. Yllä on usein esittämämme tyypillinen spektrikuva lisätietoineen. Tässä artikellissa käsittelmme sitä, mitä yllä vasemalla oleva spektrikuva kertoo. Muista mittaustulosten kuvan ikkunoista kerromme toisissa artikkeleissa.

Spektrikuva, miksi?

Spektrikuva on yksi parametri mikä on yleesä tärkeää tarkistaa ennen ostopäätöstä. Se kertoo hyvin paljon valon laadusta. Miten ihminen kokee valon, aistii värit ja näkeekö valossa oikeastaan edes kaikkia värejä. Spektrikuva kertoo hyvin paljon enemmän kuin pelkkä valon sävy eli värilämpötila (yksikkö Kelvin, K) tai värintoistoindeksi CRI (puhdas indeksiluku 0-100). Kahdessa valossa, joissa kummassakin on sama kelvinluku, voi valon spektri olla hyvin hyvin erillainen. Toisen valon väri sävy voi olla esimerkiksi vähän vihertävä kun toisen on vähän kellertävä, kummassakin on silti sama värilämpötila. On toki muitakin parametreja joista nämä erot selviävät (esim. ärsykepuhtaus), mutta spektrikuva näyttää ne melko hyvin yhdellä vilkaisulla. Kunhan sitä osa lukea.

Onko spektrikuva saatavilla?

Jos myyjä ei esitä mitattua spektrikuvaa tai myyjällä ei ole prosessia, jossa LED-valot testataan ja niiden valotekniset parametrit mitataan, voi saman kelvinin LED-valo olla ihan mitä tahansa. Varsinkin jos luottaa valmistajan parhaaseen tietoon. Ja vielä Kiinan valmistajan. Me mittaamme hyvin paljon valojamme, olemme käytännössä mitanneet joka ikisen maahantuomamme tuotteen ennen sen myyntipäätöstä. Lisäksi teemme paljon tarkistusmittauksia eri maahantuontierille. Kaikkien yllä olevien kuvan parametrien mittaus ”stand a alone” mittarilla on nopeaa ja sen voi tehdä jopa tuotteita varastoon siirtäessä. Mutta spektrikuvan mittaus tietokoneella, sen rajaaminen (käytönnössä kuvakaappauksesta) ja siirtäminen yrityksen palvelimen kautta verkkokauppaan on niin aikaavievä työlläs prosessi, ettemme kykene kaikkien tuotteittemme osalta tätä tekemään. Olemme kuitenkin mitanneet valotekniset parametrit ja hyväksyneet tuotteet laadukkaina myyntiin. Lisäksi useista tuotteista mittaustulosten kuvat löytyvät keskitetysti (mm. useat LED-nauhat ja LED-paneelit) erillisien artikkelien alta: https://valokas.fi/tuotteiden-tekniset-tiedot/.

VALON SPEKTRI

Näkyvä valo on sähkömagneettisen spektrin ihmissilmällä nähtävä osa. Näkyvän valon aallonpituus on välillä 380−750 nm, ja tämän aallonpituusalueen eri osat vastaavat näkyvän valon spektrin eri värejä. Aistittu väri määräytyy valon aallonpituudesta tai, jos valo ei ole monokromaattista, sen fotonien energiajakaumasta (aallonpituusjakaumasta) eli spektristä. Ylhäällä on esimerkkikuva n. 4000 kelvinin neutraalin eli puhtaan valkoisen LED-valon spektristä.

Näkyvän valon värien aallonpituusalueet ovat suunnilleen

Mitä lyhyempi on aallonpituus, sen kylmemmän sävyistä valo on eli violetti ja sininen ovat kylmiä sävyjä. Lämpimiä sävyjä taas ovat pidemmän aallonpituuden sävyt eli keltainen, oranssi ja punainen. Yleensä lämmin sävyinen valo onkin hyvin keltaista valoa.

Spektrin sinisen pään säteily on lyhytaaltoisempaa (korkeataajuisempaa) ja täten suurienergisempää kuin spektrin yläpään eli punaisen pään lyhytaaltoisempi säteily. Ihmissilmä näkee parhaiten spektrin puolivälin eli keltaisen tai kellanvihreän valon joka on aallonpituudella 555 nm, sekä pimeässä erittäin valoherkän rodopsiini molekyylin ansiosta alueella 500 nm.

Valon kolme perusominaisuutta

Valon kolme perusominaisuutta ovat kirkkaus (eli Intensiteetti), väri (joka määräytyy valon spektristä eli valon sisältämistä aallonpituuksista) ja polarisaatiosta (eli värähtelykulmasta). Fysiikassa valkoisella valolla tarkoitetaan tavallisesti valoa, jonka spektri on tasainen eli sen intensiteetti on taajuudesta riippumaton näkyvän valon alueella. Käytönnössä siis vaakasuora viiva. Auringonvalo tai hehkulamppu eivät ole tälläisiä. Katso alempi kuva, jossa keltainen viiva on hehku- tai halogeenilampun valon spketri. Se on tasaisesti oikealle eli lämpimiin sävyihin nouseva viiva. Kaikkien hehkuvaan metalliin kuten hehkulankaan perustuvien valolähteiden spektri on keltaisen viivan tapainen, myös Planckin musta kappaleen lähettämän valon spekrti on samanlainen.

Yllä olevassa kuvassa näkyy mustana mittauskäyränä lämmin valkoisen noin 3000 kelvinisen LED valon spektri. Koska valkoinen LED tehdään yleisesti sinisestä LED:istä, näkyy spektrissä aina tämä sinisen valon (aallon pituus n. 450 nm) piikki. Aurinko, kuten lämmin valkoinen LED-valo, on lämmin valkoista valoa eli se on hyvin keltaista valoa. Tämä on helposti todettavissa yllä olevasta spektrikuvasta. Siinä vasemalla olevat aallonpituudet ovat kylmiä sävyjä (esim. sininen) ja kuvassa kylmine sävyjen intensiteetti on pieni suhteessa oikealla olevien lämpimien sävyjen eli vihreän ja keltaisen allonpituuksien intensiteettiin. Lämmin valkoinen LED-valomme (noin 3000 K) spektrikuva seuraakin näkyvän valon alueella hyvin auringon valoa, joten LED valolla ja auringolla on saman kaltaiset ominaisuudet.

Valon värilämpötila

Värilämpötila eli valon sävy on valkoisen valon mitattava arvo, jonka yksikkö on kelvin [K]. Värilämpötila kertoo valkoisen valon värivaikutelman ihmisen silmässä. Mitä pienempi luku on, sitä lämpimämmäksi valo koetaan ja mitä suurempi luku on, sitä kylmänsävyisemmäksi valo koetaan. Värilämpötila on Planckin mustan kappaleen säteilemän valon väri kyseisessä lämpötilassa kelvinasteikolla.

Värilämpötilan (CCT) yksikkö on myös kelvin, mutta on huomioitava. Värilämpötila (CCT) on yksittäinen luku, joka kertoo suurin piirtein valonlähteen värin vaikutelman, mutta ei kerro valonlähteen värin absoluuttista arvoa värikoordinaatistossa. Myöskään valon spektri ei sitä suoraan kerro, joten tarvitaan CIE kromaattisuusdiagrammi, joka sen kertoo.

Lämmin valkoisen 2800 kelvin LED-valon valon spektri

Lämmin valkoinen hehkulamppumaisen (hehkulampun värilämpötila on 2700 K) valon spektri on hyvin hyvin keltainen. Yllä olevassa kuvassa on mitattu 2800 K LED-valoa eli SÄVY säädettävä COB LED-nauhamme, jossa sävy eli värilämpötila on säädetty mahdollisimman lämpimäksi. Vertaa spetrikuvaa 3000 K LED-valon kuvaan. Kun verrataan kuvien sinisen piikin ja keltaisen mäen välisiä eroja, ei ole lainkaan ihme että jo 200 K ero tuo valoon hyvin paljon keltaisuutta lisää. Mutta tämä vastaa hyvin hehkulampun valon spektriä joka taas vastaa hyvin auringon valon spektrikuvaa.

sta tämä laatutuote alla olevasta linkistä.

Neutraalivalkoinen eli puhtaan valkoisen 4000-4500 kelvin LED-valon valon spektri

Kuten ylläolevasta kuvasta näkyy, on neutraali- eli puhtaan valkoisen LED -valo spektri hyvin tasapainoinen. Puhtaan valkoisen valon värilämpötila on tyypillisesti n. 4000-4400 Kelvin (kuvassa on mitattu 4100 K LED valo). Spektrikuvasta näkee, että valon spektri on tasainen välillä 520-660 nm eli vihreästä punaiseen. Kylmänä sävynä on ainoastaan sinisen LED:in piikki n. 440 nm. Puhtaan valkoinen LED-valo, jossa on kuvan kaltainen spektri, ei ole kylmän valkoinen vaan siinä on, kuten spektrikuva kertoo, hyvin paljon lämpimiä sävyjä. Kuitenkaan lämmin sävy ei ole dominoiva kuten lämmin valkoisessa n. 3000 K:n LED-valossa oli, joten tämä valo ei ole yhtä häiritsevästi keltainen. Tässä valon sininen piikki tuo sopivasti kylmää sävyä, jolloin valon spektri on hyvin tasapainossa. Lisäksi tasainen spektri kertoo, että valossa on hyvä värintoistokyky.

sta tämä laatutuote alla olevasta linkistä.

Päivän valkoisen 5500 kelvinin LED valon valon spektri

Niinsanotussa päivän valkoisessa valossa eli 5500 K valon spektrissä ei ole keltaisuutta aistittavissa. Se ei siis ole lainkaan keltainen. Kuten spektrikuvasta nähdään, alkaa valon spektri laskemaan lämpimiä sävyjä kohti mentäessä. Tämä johtuu siitä, että kun 3000 K valo on lämmin sävyinen, niin mitä korkeammaksi kelvin lukema (eli värilämpötilan noustessa) nousee, sen kylmempää valo on ja lämpimiä svyjä tulee olla kylmiä sävyjä vähemmän. Koska värintoistoindeksissä mitataan myös näitä lämpimiä sävyjä, on niitä juuri tässä mitatussa LED-nauhassa kohtalaisen paljon, jolloin värintoistoindeksiksi on saatu niinkin hyvä luku kuin CRI>95 (huomaa spektrin tasaisuus välillä 500-660 nm, josta voi jo päätellä hyvän värintoiston). Tämä on erinomainen lukema 5500 K valolle, yleensä ne ovat juuri ja juuri yli 90, juuri koska lämpimiä sävyjä on jouduttu alentamaan jotta päästään 5500 K värilämpötilaan. Spektristä sii shuomataan, että siinä sinisen valon aallonpituuden intesiteetti on hyvin suuri. Eli valossa on kylmiä sävyjä.

Mainittakoon, että tässä nauhassa ns. ärsykepuhtaus on lähes nolla eli valo on avan valkoinen (katso lisää artikkelista CIE 1931 väriavaruuden kromaattisuusdiagrammi).

Osta tämä laatutuote alla olevasta linkistä.

Kylmän valkoisen eli yli 6200 K LED-valon valon spektri

Kylmän valkoinen valo sisältää paljon kykmiä eli sinertäviä valonsävyjä. Verrattuna 5500 K valoon, kylmän valkoisessa on leikattu lämpimuä sävyjä kun keltaisen ja punaisen alueella (600-680 nm) spektrikuvasta näkee. Merkittävää kuitenkin on, että silti tässä on vielä saatu ylläpidettyä hyvää värintoistoindeksi, CRI=92. Aivan loistava valolähde kyseessä. Tuote on SÄVY COB LED nauhamme jossa on säädettävä värilämpötila ja se on säädetty kylmän puolelle äärilaitaan.

Tässäkin nauhassa ns. ärsykepuhtaus on lähes nolla eli valo on avan valkoinen (katso lisää artikkelista CIE 1931 väriavaruuden kromaattisuusdiagrammi).

sta tämä laatutuote alla olevasta linkistä.

Philips HUE LED-nauhan valon spektri

Koska myymme myös Philps HUE yhteensopivia Zigbee tuotteita ja meillä on testikäytössä yhteensopivuuden testaamiseksi Philips HUE tuotteita, niin mittasimme mielenkiinnosta myös Philipsin parhaan HUE White and color ambiance -valonauhan. Nauha on ns. sävysäädettävä ja sävyn säätö tehdään niiin, että nauhassa on kaksi erillaista valkoista LED komponettia. Toinen on lämmin valkoinen (CTT=2200 K) ja toinen kylmän valkoinen (CTT=6200 K). Sävyn säätö tehdään säätämällä näiden kahden valon välistä tasapainoa eli valovoimaa. Mittasimmekin sekä lämpimän että kylmän LED:in erikseen.

Philips HUE White and color ambiance, lämminvalkoisen spektri ja värintoistoindeksi

Pienoinen yllätys mittaustuloksessa oli, että Philips HUE LED-nauha on hyvin hyvin keltainen eli sen alin värilämpötila on vain 2280 K. Se alittaa jopa hehkulampun värilämpötilan n. 500 kelvinillä.

Toinen yllätys, oikeastaan paljon suurempi, oli Philips HUE LED-nauhan huono värintoistokyky. Varsinkin kirkas punainen (referenssi R9) on todella heikko, punaisen sävyistä toistuu alle 20%

Spektriä analysoimalla syy huonoon värintoistoon on selvä. Spektrin huippu on kapeahko, sen hallitseva aallonpituus (dominant wavelenght) on alempi kuin hyvän värintoiston tuotteissa ja spektri lähtee laskemaan aikaisemmin ja jyrkemmässä kulmassa eli punaista valoa spektrissä ei ole riittäväsi. Kirkas punainen on yli 700 nm aallonpituudella. Ja kuten yllä olevasta kuvasta nähdään, LED-nauha ei tuota juuri lainkaan näitä aallonpituuksia, joten kyseinen väri ei voi edes toistua Philips HUE LED-nauhan valossa.

Oikeastaan oli hyvä, että Philips HUE LED-nauhan osalta värintoisto on huono. Tämä on esimerkkitapaus joka auttaa sinua tulkitsemaan valon spektrikuvaa. Tässä siis pidemmät aallonpituudet puuttuvat ja sehän näkyy aivan suoraan spektrikuvassa, värintoistondeksi (mitattu CRI=82) ei edes tarvitse tietää kun tilanteen näkee.

Philips HUE White and color ambiance, kylmänvalkoisen spektri ja värintoistoindeksi

Philips HUE White and ambient LED-nauhan värintoiskyky värintoistoindeksin CRI mukaan parano vähän eli 2%-yksikköä. Parannus ei tulut punaisele alueelle kuten kuvasta näkyy. Spektrin huippu on tässä levemämpi ja taisaisempi, joka parantaa värintoistokykyä muilla ollen tasaisempi muilla alueilla (referenssit R1-R8).

Markettitasoisen LED-nauhan valon spektri ja värintoistokyky

Mittasimme vertailun vuoksi myös ns. persukauraa olevan joka paikassa myytävän LED valonauhan valon spektrin. Vertaa tätä kuvaa aiempiin mittauksiimme, keksity erityisesti käyrän loppuosan muotoon. Millä aallonpituudella spektrin käyrä lähtee tippumaan.

Kuten yllä olevasta kuvasta nähdään, marketista ostetun lämmin valkoisen (3300 K) LED valon spektri lähtee laskemaan hyvin aikaisin eli jo vihreän aallonpituuden kohdalla. Kun saavutetaan punainen ja varsinkin kirkas punainen, ei näitä aallonpituuksia ole juuri lainkaan tässä valossa, joten värit eivät voi myöskään toistua. Tämä LED valo toistaa oikeastaan kunnolla vain vihreitä aallonpituuksia.

Lue enemmän mitä värintoistoindeksi kertoo ja miten se määritellään artikelistamme Onko värintoistokyky eli CRI (Ra) lukema tärkeä.

Hehkulampun valon spektri

Mittasimme myös hehkulampun valon spektrin.

CIE 1931 VÄRIAVARUUDEN KROMAATTISUUSDIAGRAMMI

Valkoisen valon kromaattisuus on tärkeä parametri koska se kertoo valkoisen valon sävyn ja mahdollisen virheellisen sävyn. Vaikka ns. värilämpötila olisi täysin sama, valkoisen valon sävy saa olla aivan erillainen ja silti valo täyttää ANSI standardin. Heikompilaatuisssa LED-valoissa taas valon sävy voi olla lisäksi vääristynyt, jolloin valkoisen valon sävy voi olla esimerkiksi vihertävä tai sinivihreään (syaani) suuntaan taittuva. Hyvälaatuinen LED valo on standardin mukainen ja valoteknisillä mittauksilla tämä on helppo varmentaa.

Lue tätä artikkeli: Valkoisen LED valon kromaattisuus eli valon sävy