Со школьных лет мы знаем, что любой цвет можно изобразить, смешивая в определенных пропорциях базовые цвета — красный, зеленый и синий. Именно на этом факте основаны принципы работы цветного телевидения, цветных дисплеев и цифровых проекторов. И светильники с регулируемым цветом используют ту же трехцветную модель. Тем не менее недавно на рынке появились осветительные приборы, в которых применяются светодиоды семи разных цветов. В этой статье будет рассказано, какие именно цвета используются в зависимости от сферы применения и что это дает с точки зрения цветопередачи.
Цветовое зрение у человека осуществляется посредством особых рецепторов, именуемых колбочками. Существует три группы таких рецепторов, имеющих пики чувствительности на длинах волн 420 нм (синий, B), 534 нм (зеленый, G) и 564 нм (красный, R). Кроме этого, имеются рецепторы, оценивающие уровень освещенности во всем видимом спектре — так называемые палочки. Тот или иной цвет вызывает определенный уровень воздействия на каждый из типов рецепторов. Получая информацию от трех групп колбочек и палочек, мозг определяет цвет.
Когда говорят, что «смешением трех базовых цветов в определенной пропорции можно получить любой другой цвет», имеется в виду оттенок, воспринимаемый мозгом, а не конкретная длина волны электромагнитного излучения. В телевизорах и дисплеях свечение пикселей идет непосредственно в глаза, не претерпевая на своем пути отражения от каких-либо материалов. Каждый из базовых цветов воздействует на свою группу колбочек в глазу, в результате чего наш мозг рисует цветную картинку. Но надо понимать, что, если мы смешаем, например, зеленый и красный цвета, то мы получим цвет, субъективно воспринимаемый человеческим мозгом как желтый, а не электромагнитное излучение с длиной волны 580 нм, которое в природе соответствует как раз данному цвету.
Цифровые проекторы отображают картинку на экран, выполненный из специального материала, коэффициент отражения которого остается практически неизменным для всех длин волн. Поэтому смешение цветов для таких устройств также происходит корректно. Сложности возникают, когда RGB-светильник освещает какие-либо предметы, отличные от указанного выше экрана. Дело в том, что на определенных длинах волн, значительно отличающихся от длин волн базовых цветов, могут наблюдаться значительные пики поглощения или отражения, характеризующиеся узкой полосой. Обычно такие эффекты связаны с явлением оптического резонанса в материалах. Это чем-то похоже на ситуацию, когда при выступлении музыкантов в обычном помещении, не являющемся концертным залом, какие-то ноты звучат непропорционально громко, а какие-то — непропорционально тихо.
Наиболее известный пример — так называемый александритовый эффект. Некоторые минералы имеют один цвет при дневном освещении и совсем другой цвет — при освещении лампами накаливания или свечами. Первым минералом, для которого этот эффект был обнаружен, стал александрит, отсюда и название. Эффект обусловлен тем, что в лампах накаливания некоторые спектральные составляющие, характерные для дневного света, практически отсутствуют, другие же значительно увеличены. Хотя субъективно мы воспринимаем свечение таких ламп как белое, пусть и с теплым оттенком.
Проведем небольшой мыслительный эксперимент применительно к уже упоминавшемуся синтезу желтого цвета из двух базовых цветовых составляющих. Возьмем две пластины, одна из которых имеет один и тот же коэффициент отражения для любой длины волны видимого света, а другая сильно поглощает красный и зеленый цвета, но хорошо отражает желтый. Если освещать их прожектором с длиной волны 580 нм мы увидим для обоих пластин желтый цвет. При освещении прожектором, где желтый цвет синтезирован из красного и зеленого, мы увидим, что первая пластина также отражает желтый свет, а вторая пластина будет выглядеть черной. Хотя свечение обоих прожекторов для нашего зрения имеет один и тот же желтый цвет.
В реальной жизни такой эффект в чистом виде практически не встречается. Тем не менее в меньшей степени подобные явления наблюдаются для многих объектов, особенно для растений и ряда природных минералов. Вот почему применение RGB-светильников нередко преподносит ландшафтным дизайнерам неприятные сюрпризы.
Особенности конструкции цветных светодиодов
В простейшем случае цвет светодиода определяется сочетанием полупроводниковых материалов, из которых он изготовлен. Проблема заключается в том, что для некоторых сочетаний полупроводников характерен низкий КПД преобразования электричества в свет. Классический люминофор дает излучение с длиной волны большей, чем та, которой производится его возбуждение. При этом наибольшей светоотдачей обладают чипы на основе нитрида галлия, дающие излучение синего цвета. Сочетание материалов, используемое при производстве светодиодов красного свечения, позволяет обеспечить высокую светоотдачу. Поэтому люминофор таким светодиодам, как правило, не нужен. Остальные же цвета обычно формируются на основе синих кристаллов, покрытых люминофором. Этот люминофор полностью поглощает синий цвет и дает излучение в заданном спектральном диапазоне. Исключением являются светодиоды янтарного цвета, которые могут изготавливаться как с люминофором, так и без него.
Длины волн светодиодов базовых цветов обычно немного отличаются от пиков чувствительности групп колбочек. Это связано с тем, что производство люминофоров и кристаллов на определенные длины волн стоит значительно дешевле (разница может быть на порядок), чем на некоторые другие. Данные по цветам светодиодов приведены в таблице.
Сценическое освещение
Первыми задумались об увеличении используемого количества цветов производители осветительных приборов для театра и концертной деятельности. Было замечено, что во многих постановках и концертах RGB-прожекторы имитируют закаты и освещение свечами, но такая имитация не выглядит убедительной. Поэтому к трем базовым цветам был добавлен еще и янтарный, который намного более правдиво изображает указанные явления. Так были созданы RGBA-прожекторы. В них светодиоды красного, зеленого, синего и янтарного цветов объединены в модули, смешение составляющих происходит в оптической системе.
Развитие технологии производства люминофоров позволило освоить массовый выпуск мощных светодиодов с высоким КПД бирюзового и лаймового цветов. Ширина спектра у монохромных светодиодов с люминофором значительно больше, чем у светодиодов, чья длина волны определяется свойствами материалов кристалла: 150 нм против 30 нм. Зеленые светодиоды, как правило, тоже имеют люминофор, поэтому спектр, полученный в результате добавления бирюзового и лаймового цветов, можно считать непрерывным. Дело в том, что при такой палитре спектры используемых светодиодов с люминофором будут пересекаться. В итоге мы имеем источник света с непрерывным спектром. При этом форму спектральной кривой можно менять произвольно с приемлемой для театральных постановок и концертов точностью.
Длина волны для синих кристаллов 450 нм во многом обусловлена низкой стоимостью их изготовления. В то же время в театральных постановках встречаются задачи, когда требуется передать ощущение воды или же чистого неба. Для этого необходим глубокий синий цвет. Поэтому в современные сценические прожекторы добавляют еще и светодиоды с длиной волны 412 нм. Они стоят дорого, но это допустимо, ведь речь идет о профессиональном оборудовании. При этом сохраняется и «обычный» синий цвет, но отображающие его светодиоды имеют длину волны около 470 нм.
Как результат получаем прожекторы и светильники, в которых используются модули, объединяющие светодиоды красного, зеленого, синего, янтарного, бирюзового, лаймового глубокого синего цветов. Такое решение обозначается как RGBALC-DB. При смешении перечисленных составляющих в белый свет индекс цветопередачи CRI может достигать значения 96.Та
Садово-парковое освещение
Цвет листьев растений связан с фотосинтезом. Поэтому для него характерна значительная неравномерность спектральной характеристики поглощения. Из-за этого деревья и кустарники выглядят в свете RGB-прожекторов блекло, а то и просто некрасиво. Гулять по такому парку в ночное время не всем нравится. Кроме этого, вопрос светового загрязнения окружающей среды узкополосным излучением пока наукой не изучен, когда для широкополосного спектра ситуация в этом плане более понятна.
Семицветная технология, уже отработанная на примере сценического освещения, оказалась востребованной и для парков. В самом деле, молодые побеги растений обычно имеют лаймовый цвет, а оттенок более взрослых растений находится в промежутке между бирюзовым и зеленым цветами. Оттенок осенних листьев лежит в промежутке между янтарным и красным. Такие прожекторы уже выпускаются для садов и парков.
Тем не менее для применения в садах и парках технология была доработана. Глубокий синий там не нужен и даже вреден. Зато требуется белый цвет. Дело в том, что из-за разностей параметров светодиодов разных цветов при изменении темпе-ратуры окружающей среды и действия некоторых других факторов белый свет, синтезированный из других цветов, принимает грязный оттенок. Для сценического освещения это не важно, поскольку цвет лучей быстро меняется во время представления. А вот для садово-паркового освещения отдельный белый цвет необходим.
В итоге светодиодный модуль такого садово-паркового прожектора объединяет в себе красный, зеленый, синий, белый, бирюзовый, лаймовый и янтарный цвета. Эта система получила название RGBWCLA. Обычно используется нейтральный оттенок белого с цветовой температурой 4000 K. Для перехода к более теплому оттенку к нему добавляется янтарный цвет.
Управление
Прожекторы и светильники на основе семицветных модулей управляются по протоколу DMX512. Для сценического освещения и особого выбора нет — это стандарт де-факто. А для садово-паркового освещения важным доводом в пользу использования этого протокола является высокая надежность. Каждый из семи цветовых каналов рассматривается как отдельное устройство. Поскольку конструкция прожекторов RGBALC-DB и RGBWCLA намного сложнее, чем у RGB-приборов, следует использовать расширение RDM для контроля за состоянием оборудования.
Выводы
Прожекторы и светильники на основе семицветных светодиодных модулей стоят намного дороже RGB-систем. Для шоу-бизнеса это не является непреодолимой трудностью, ведь световые эффекты — лучший способ привлечь внимание публики. Более сложная ситуация с их внедрением может сложиться, если речь идет о парках в нашей стране. Один из успешных примеров их применения связан с парком в крупном российском городе, созданном на деньги известного предпринимателя. Для городских бюджетов семицветные садово-парковые прожекторы — пока непозволительная роскошь. Хотя рост пешеходного трафика в парке окупится за счет роста выручки арендаторов. Впрочем, когда-то и самое обычно светодиодное освещение было такой дорогой игрушкой. В перспективе можно ожидать, что прожекторы, качественно и безопасно освещающие деревья, станут доступнее по цене, тогда уже начнется их массовое использование.
