TM-30: insuficiente nos tons de branco e a questão do ultravioleta

A arte da reprodução diferenciada dos tons de branco sem radiação ultravioleta...

Em vários artigos aqui no BLOG de iluminação da danholt, expliquei a importância das diferentes métricas TM-30 e como designers de iluminação e utilizadores se podem orientar por elas.

No entanto, o TM-30 também é útil para outros intervenientes no mundo da iluminação, incluindo os próprios fabricantes. No desenvolvimento de uma fonte de luz, trata-se muitas vezes de compromissos — por exemplo, podemos decidir se damos prioridade aos lúmenes por watt ou à reprodução cromática. É essencial que as métricas que usamos para avaliar estes compromissos sejam o mais precisas possível, para que sejam otimizadas propriedades valiosas do produto e não números abstratos.

Hoje gostaria de mostrar, usando a LED de espectro completo SORAA Vivid como exemplo, como estes compromissos podem determinar o design de um produto.

A série SORAA Vivid procura reproduzir o branco e todas as cores do espectro visível de forma igualmente natural — exatamente como apareceriam sob uma fonte de luz natural com a mesma temperatura de cor (CCT), como halogéneo ou luz solar.

A tecnologia de espectro completo da SORAA combina um violet boost e três outros fósforos, criando naturalmente um espectro uniforme e contínuo. Através de um equilíbrio cuidadoso dos espectros individuais, é possível aproximar-se ao máximo do espectro completo da luz visível natural, como apresentado na Fig. 1.

Isto resulta em cores naturais, medidas por um valor elevado do índice de fidelidade cromática TM-30 Rf: com a afinação correta, por exemplo, pode alcançar-se Rf = 95.

Fig. 1 A luz solar natural pode ser muito bem aproximada com a abordagem de espectro completo da SORAA, resultando num elevado índice de fidelidade cromática Rf. Aqui, os picos individuais do booster violeta e dos três fósforos (azul, verde, vermelho) são sobrepostos para criar o espectro completo.

Até agora, porém, uma questão decisiva continua sem resposta:

Como conseguimos uma reprodução clara e diferenciada dos tons de branco?

Porque é que os tons de branco diferem das cores?

Isto acontece porque muitos materiais brancos contêm substâncias fluorescentes branqueadoras, os chamados branqueadores óticos.

Estas substâncias absorvem a luz ultravioleta invisível e emitem luz visível azulada. O nosso olho, em conjunto com o cérebro, regista isto como um aumento do grau de brancura.

Os branqueadores óticos estão por todo o lado: encontram-se em muitos materiais brancos fabricados, como tecidos, papel e plásticos, e também estão naturalmente presentes nos nossos dentes. São responsáveis pela absorção da radiação ultravioleta e pela sua conversão em azul.

Embora todos gostemos de um branco claro e luminoso, na maioria das aplicações não queremos a radiação UV prejudicial que torna possível percecionar esses tons de branco.

Os produtos LED convencionais evitam naturalmente a radiação UV — mas isso significa que não estimulam os branqueadores e fazem com que os objetos brancos pareçam sempre amarelados e baços.

A SORAA encontrou uma solução elegante para este problema:

Verificou-se que os branqueadores óticos também podem ser estimulados por luz violeta inofensiva — não ultravioleta — com um comprimento de onda cuidadosamente escolhido. O truque que a SORAA usa para reproduzir branco natural consiste em substituir a luz UV típica da luz solar pela quantidade correta de luz violeta simples:

Os agentes branqueadores, ou branqueadores óticos, são então estimulados exatamente como seriam sob luz natural com componente UV.

A Fig. 2 apresenta esta relação:

Fig. 2 A luz de halogéneo e de incandescência estimula os brancos devido à sua “cauda UV”. Com um design LED inteligente, isto pode ser imitado por um pico de luz violeta, que também estimula os branqueadores óticos. Desta forma, os efeitos prejudiciais da radiação UV são completamente evitados.

Como se pode expressar este efeito em números? Surpreendentemente, não existe uma resposta rigorosa. Isto deve-se em parte ao facto de a maior parte da indústria da iluminação, que utiliza LEDs com fonte “azul” e não tem forma de determinar o grau de brancura, nem sequer conhecer esta questão.

E além disso, para o dizer de forma clara: as métricas de reprodução cromática, incluindo CRI e TM-30, não dizem nada sobre a reprodução do branco.

Isto significa que uma fonte pode ter um valor Rf ou CRI muito elevado e, ainda assim, uma reprodução do branco terrível.

Felizmente, a ciência da cor subjacente é bastante bem compreendida, e é possível derivar uma métrica que mede a reprodução de objetos brancos em analogia com o índice de reprodução cromática Rf.

Com base em investigação interna e colaborações académicas, a SORAA fez exatamente isso e desenvolveu a métrica de reprodução do branco Rw. Como seria de esperar, o valor Rw para luz natural situa-se em torno de 100.

E aqui surge o compromisso que prometi. Para obter a melhor fidelidade cromática, devemos aproximar-nos o mais possível da forma do espectro natural — mas para obter a melhor fidelidade do branco sem UV, temos de adicionar ao espectro alguma luz violeta, não ultravioleta, que então se desvia da sua forma natural.

Em suma, estamos perante um antagonismo entre a reprodução homogénea das cores e de todo o espectro, por um lado, e a reprodução dos tons de branco, por outro. Medições precisas são aqui decisivas, porque este compromisso deve ser otimizado da melhor forma possível.

Com a ajuda de Rf e Rw, o espectro das lâmpadas SORAA Vivid foi concebido para obter o melhor dos dois mundos.

Isto foi alcançado através da afinação ideal do comprimento de onda e da intensidade do violet boost em relação aos espectros dos três fósforos. Para alcançar melhor desempenho, também foi dada especial atenção a outro índice TM-30, o Rfh1. Este parâmetro mede a reprodução do vermelho e é o equivalente moderno e melhor do CRI R9. De facto, a reprodução dos tons vermelhos é muito importante para a nossa perceção — por isso, Rfh1 é pelo menos tão importante quanto Rf, talvez até mais.

Consequentemente, a SORAA Vivid alcança valores muito elevados em todas as métricas: Rf = 91, Rfh1 = 95 e Rw = 100. É uma sorte que este compromisso específico tenha podido ser encontrado e otimizado sem perder os aspetos essenciais de uma fonte de luz de espectro completo.

Fig. 3 Campos de cor TM-30 com métricas de distorção cromática. À esquerda, uma SORAA Vivid com alta fidelidade cromática e elevada fidelidade de brancura (Rw). À direita, aparentemente quase igual no TM-30, uma LED standard com CRI elevado tem de facto um valor Rf alto, mas não reproduz branco de todo, Rw = 0 — algo que não é visível no TM-30.

Vejamos agora, para comparação, uma fonte LED (Fig. 3, direita) que foi otimizada de forma “ingénua” apenas para cores: a fidelidade cromática poderia alcançar Rf = 95, mas a fidelidade do branco cairia para Rw = 0. Se este exemplo parece demasiado dramático, recordo que isto corresponde exatamente a qualquer LED booster high-CRI de base azul, que constitui a esmagadora maioria dos produtos no mercado.

Como qualquer pessoa que tenha comparado uma camisa branca sob uma LED SORAA Vivid e sob uma LED concorrente pode confirmar: a diferença é impressionante.

Espero que estes conhecimentos lhe deem alguns critérios de decisão:

1. O design de uma fonte de luz é uma tarefa complexa e exigente, na qual aspetos técnicos e físicos se misturam com a perceção subjetiva.

2. Medições precisas são importantes, porque são a ferramenta de design com a qual, em última análise, tomamos decisões e depois as validamos.

Conclusão: Não olhe apenas para uma única métrica, mas para uma variedade de indicadores relevantes para a sua aplicação, como a fidelidade cromática geral, a reprodução dos tons vermelhos e as gradações de branco.

A gama completa: LED de espectro completo SORAA

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