Simulaciones colorimétricas

En 2016 iniciamos nuestro blog con el post “Simulación fotométrica de luminarias”. En su momento explicamos las ventajas de realizar simulaciones fotométricas, ya que nos puede dar una idea muy aproximada de cuál será el resultado final y de qué cambios pueden realizarse en la luminaria para obtener un producto cuyas prestaciones lumínicas sean las adecuadas.

Además, podemos valorar el efecto de los diferentes elementos de la luminaria y ver si alguno de ellos nos hace perder eficiencia en el sistema. Nos hemos encontrado casos en los que ciertas partes de la luminaria interaccionan con la luz de forma innecesaria y hacen disminuir el valor de la eficacia de la luminaria. Todo ello se puede estudiar a través de simulación y ver cómo mejorar la eficacia de la luminaria. Utilizar una herramienta como la simulación fotométrica puede ahorrar mucho tiempo, dinero y problemas.

Actualmente, además de la simulación fotométrica, añadimos la simulación colorimétrica. Debemos tener en cuenta, que algunos productos que incorporan tecnología LED presentan una diferencia angular cromática, siendo muy importante disponer de información sobre la variabilidad de este parámetro para el LED seleccionado. Debemos solicitar al proveedor el dato de la uniformidad angular del color (Du’v’), que representa la máxima desviación cromática encontrada con respecto al dato promedio.

Es importante comentar también que este tipo de simulación cromática puede ser muy útil para aplicaciones de horticultura. De esta forma se puede buscar un determinado espectro componiéndolo por simulación, como paso previo a la construcción de la luminaria.

¿En qué consiste la simulación colorimétrica?

El proceso de simulación colorimétrica es similar al de la simulación fotométrica, de hecho, es un complemento a esta. Se analiza la trayectoria de los rayos que parten de una fuente luminosa y se propagan, reflejan o dispersan en diferentes medios, obteniendo como resultado final el comportamiento fotométrico del producto. En la simulación colorimétrica, además, la fuente luminosa (en nuestro caso el LED) está caracterizada no solo fotométricamente, sino espectralmente.

Simulación de sistemas con variación cromática angular

Comenzamos mostrando la simulación colorimétrica de un LED con variación angular cromática. Comparamos los resultados simulados con mediciones en el laboratorio de ese LED, validando así la simulación.

A continuación se muestran las coordenadas cromáticas (x,y) y la temperatura de color en diferentes puntos (variación en gamma):

Incorporamos ahora diferentes tipos de óptica al LED anterior. En cada caso realizamos el análisis cromático angular a través de simulación, dando lugar a distribuciones fotométricas y valores de Du’v’ distintos.

A) Óptica asimétrica vial:

B) Óptica simétrica:

C) Óptica colimadora:

Así, podemos observar que, al incorporar lentes a LEDs con diferencia angular cromática, el efecto del cambio cromático puede verse reducido o incrementado de forma considerable. Como puede observarse la temperatura de color global se mantiene ya que es la medida equivalente a hacerla en esfera integradora. De ahí que tengamos que fijarnos en la temperatura de color direccional.

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Tolerancias en la definición de la colorimetría de fuentes LED

A partir de la distribución espectral de una fuente luminosa obtenemos sus coordenadas cromáticas, temperatura de color e índice de rendimiento de color, siendo los dos últimos parámetros válidos para fuentes de luz blanca.

Es habitual definir la cromaticidad de una fuente de luz con su temperatura de color, pero este dato por sí solo no informa inequívocamente del color de la fuente. Con una misma temperatura de color, encontramos productos que presentan un aspecto cromático diferente: en un producto de 3000K, podemos ver una luz amarillenta o rosada.

Además de la temperatura de color correlacionada (Tc), que corresponde a una isolinea que cruza la del cuerpo negro en la “zona de los blancos” de la lengua de color, necesitamos la distancia (Duv) desde la línea del cuerpo negro a las coordenadas de color de nuestra fuente (Fig.1).

figura 1

Fig.1. Duv en el diagrama CIE1960 (u, v) [1]

Con estos dos datos tendremos la misma información sobre la cromaticidad de la fuente que con sus coordenadas colorimétricas. Pero falta algo más, especialmente para el fabricante o integrador, información sobre las tolerancias de estos valores para evitar diferencias de color entre productos. ¿Cuáles deben ser estas tolerancias?

Por un lado, tenemos la indicada en normas, directivas, pliegos de condiciones, por ejemplo, Tc = 3000 K ± 200 K. Esto simplemente nos indica qué rango de temperaturas de color son aceptables para una determinada instalación, no quiere decir que una diferencia de 300 K no sea apreciable visualmente.

Por otro lado, tenemos la tolerancia que el fabricante quiera asumir en sus productos. En algunas aplicaciones es un asunto clave, por la necesidad de apreciación de las diferencias de color bajo esa iluminación o el cambio de aspecto del propio LED en función del ángulo de emisión, aquí aparece el concepto de “uniformidad angular del color”.

Finalmente hay que hablar de las diferencias perceptibles de color, que habitualmente se relacionan con los pasos en las elipses de MacAdam, definidas en 1942 utilizando un iluminante C (6800 K) actualmente en desuso. Este método no es adecuado para la tecnología actual [2], y como alternativa, la CIE propone el uso de los circulos u’v’.

El diagrama de cromaticidad CIE (u’, v’) es el espacio de color más uniforme para fuentes de luz. En este diagrama podemos representar las elipses MacAdam de cinco pasos y centrados en estas elipses trazamos círculos de radio 0.0055, que prácticamente se superponen, es decir, los círculos pueden reemplazar las elipses de MacAdam en esta “región blanca”, alrededor de la línea del cuerpo negro en el diagrama (u’, v’). (Fig.2)

figura 2

Fig.2. Elipses MacAdam de cinco pasos (negro) y círculos de radio 0.0055 (rojo) en el diagrama (u’,v’). Los pasos se miden desde el centro del círculo, por lo que entre extremos de cualquier diámetro habrá 10 pasos. [2]

Por coherencia con las elipses de MacAdam, el término “n-pasos en círculo u’v’” se define como un círculo en este diagrama con un radio de n veces 0,0011. En esta región del diagrama (u’. v’) se considera que una diferencia de color perceptible con una probabilidad del 50%, equivale a 0,0013 (0,0011 × 1,18).

La CIE recomienda especificar las tolerancias de cromaticidad para fuentes de luz para iluminación general mediante círculos u’v’, en lugar de elipses MacAdam. En el caso de LEDs, alternativamente, se pueden usar cuadrángulos.

Igualmente se recomienda esta especificación para la uniformidad angular de la cromaticidad (cambios de color al variar el ángulo de observación) y el mantenimiento de la cromaticidad a largo plazo. Se desaconseja el uso de la desviación estándar de coincidencia de colores (SDCM) o la mínima diferencia perceptible (JND) como medida de diferencia de cromaticidad [3].

figura 3

Fig. 3. Cuadrantes para 4 pasos en el diagrama CIE1931 [4]

 

Con respecto al efecto de la variación angular del color, cabe destacar la importancia de disponer de información sobre la variabilidad de este parámetro para el LED seleccionado.

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Fig.4. Iluminación producida por una luminaria de 4018 K (valor global), con variación angular de temperatura de color entre 4400 K y 3700 K. Foto: candelTEC.

En definitiva, en la selección de LEDs debemos plantearnos las necesidades reales que tendrán el producto y la instalación, por lo que es importante identificar el círculo u’v’ en el que se encuentra y considerar:

  • Valor global integrado: definirá la zona en la que se encontrará nuestro producto.
  • Uniformidad angular del color, definida como la mayor desviación de cromaticidad entre cada dirección de emisión y el valor de cromaticidad global integrado.
  • Mantenimiento del color a largo plazo.

Además de estos tres parámetros, también se debe valorar el índice de rendimiento del color (IRC o Ra), aunque este parámetro merece un artículo aparte. Recientes investigaciones han dado lugar a revisiones de este parámetro, definiendo el índice general de fidelidad del color [5], que nos permite realizar una mejor evaluación de la calidad de la iluminación para apreciar colores, y se continúa trabajando en otras medidas de calidad de color relacionadas con la percepción.

 

[1] Color Quality Metrics – Recent Progress and Future Perspective (Y. Ohno – NIST)

[2] IEC 60081 1997

[3] CIE TN 001:2014

[4] ANSI/NEMA C78.377-2017

[5] TM30-15, CIE224:2017

 

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