Tìm hiểu về chỉ số hoàn màu của nguồn sáng

67

Phần 1. Kiến thức cơ bản về chỉ số hoàn màu

1. Khái niệm
Chỉ số hoàn màu Được hiểu là: chỉ số truyền đạt màu, thể hiện màu, trả màu, Viết tắt tiếng Anh là CRI (Colour Rendering Index) và nó được định nghĩa như sau:
Chỉ số hoàn màu của một nguồn sáng là đại lượng đánh giá mức độ trung thực về màu sắc của đối tượng được chiếu sáng bằng nguồn sáng ấy, so với trường hợp được chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày (ánh sáng mặt trời)
Định nghĩa trên khẳng định hệ số hoàn màu là một đặc trưng và cũng là chỉ tiêu rất quan trọng đối với mọi nguồn sáng, nó phản ánh chất lượng của nguồn sáng thông qua sự cảm nhận đúng hay không đúng màu của các đối tượng được chiếu sáng. Ta dễ dàng thấy rằng, với cùng một vật nhưng khi được chiếu sáng bằng các nguồn sáng khác nhau thì nó sẽ thể hiện màu khác nhau. Ví dụ cùng một bức tranh nhưng xem vào buổi trưa dưới ánh sáng ban ngày, ta sẽ thấy thật hơn, sinh động hơn so với trường hợp xem vào ban đêm dưới ánh sáng của các nguồn sáng nhân tạo. Khi đi du lịch, đôi khi ta “mê mẩn” vì một món đồ trang sức nào đó vì nó đã được chiếu sáng bằng thứ ánh sáng “nịnh” con mắt mình. Sau khi mua xong, nhìn món đồ dưới ánh sáng mặt trời, ta mới thấy mắt mình đã bị ánh sáng trong quầy hàng “đánh lừa”,…

Hình 1. CRI của đèn Metal Halide và của đèn Sodium áp suất thấp.

Hình 1 phản ánh sự thể hiện màu của đèn Metal halide (CRI =75) và đèn Sodium áp suất thấp (CRI = 5) khi cùng chiếu sáng cho một đối tượng. Nhìn hai hình, ta thấy rằng màu của đối tượng được thể hiện đúng hơn trong trường hợp được chiếu sáng bằng đèn Metal halide. Quan sát kỹ hơn, ta thấy thậm chí miếng thủy tinh màu xanh lam trở thành tối đen khi được chiếu sáng bằng đèn Sodium áp suất thấp.
2. Biểu thức toán học và cách tính chỉ số CRI
Theo lý thuyết màu (không trình bày ở đây), chỉ số hoàn màu CRI được tính trung bình dựa trên chỉ số hoàn màu riêng CRIi cho tám mẫu chuẩn trong tám vùng sóng (màu) khác nhau của phổ ánh sáng trông thấy như sau:
trong công thức (1), CRIi là chỉ số hoàn màu riêng của mẫu chuẩn thứ i. Chỉ số hoàn màu riêng lại được tính bởi:
với ΔEi* là độ lêch màu của mẫu chuẩn thứ i được chiếu bằng nguồn sáng chuẩn và sau đó bằng nguồn thử (nguồn cần xác định CRI). Theo (2), ánh sáng mặt trời hay đèn sợi đốt tiêu chuẩn không có sự khác biệt về màu sắc so với các mẫu chuẩn nên ΔEi*= 0 và CRIi = 100.
Mẫu chuẩn là loại một loại vật liệu khuếch tán toàn phần và không chọn lọc đối với toàn bộ các bức xạ sáng trong vùng nhìn thấy.
Mỗi mẫu chuẩn được đặc trưng bằng phổ phản xạ như trên
hình 2 (bảng giá trị phổ phản xạ không trình bày ở đây). Năm 1974, Hiệp hội Kỹ thuật Chiếu sáng quốc tế CIE đã quy định và đánh số thứ tự từ các mẫu chuẩn từ 1–8. Các số liệu này được sử dụng để tính chỉ số hoàn màu CRI của một nguồn thử. Người ta cũng quy định lấy giá trị trung bình của tám giá trị này là chỉ số hoàn màu của nguồn sáng. Vì vậy, trong nhiều trường hợp người ta ký hiệu chỉ số hoàn màu là Ra với ý nghĩa R là Rendering (thể hiện) và a là average (trung bình)
CRI của nguồn sáng có liên quan chặt chẽ với quang phổ của nó. Nói chung, các nguồn có quang phổ liên tục trong toàn bộ vùng nhìn thấy như mặt trời, đèn sợi đốt có CRI cao, các nguồn sáng có quang phổ vạch thường có CRI thấp.

Hình 2. Phổ phản xạ của 8 mẫu chuẩn.

3. Thang bậc của hệ số hoàn màu
Trong kỹ thuật ánh sáng, người ta mặc nhiên quy định, ánh sáng mặt trời và đèn sợi đốt (mà sợi đốt bằng 2856K) có chỉ số hoàn màu cao nhất, CRI = 100. Tất cả các nguồn sáng nhân tạo khác đều có chỉ só hoàn màu nhỏ hơn 1 trong đó ánh sáng đơn sắc có CRI = 0. Điều đó cũng giải thích tại sao mặt trời luôn là nguồn sáng lý tưởng đối với con người và sinh vật và cũng giải thích tại sao các nhà sản xuất thiết bị chiếu sáng thường lấy từ Sunlight (Ánh sáng Mặt Trời) hay Daylight (Ánh sáng ban ngày) để đặt tên cho các sản phẩm của mình. Họ luôn cố gắng chế tạo ra các nguồn sáng phát ánh sáng càng gần giống với ánh sáng mặt trời thì càng tốt.
Trong thực tế, khi nguồn sáng có CRI nhỏ hơn 50, thì màu của đối tượng được chiếu sáng bị biến đổi rất nhiều, khi nguồn sáng có CRI trong khoảng 50 – 70 màu của đối tượng đã bị biến đổi. Trong môi trường chiếu sáng thông dụng người ta thường chọn CRI trong khoảng 70 – 85.
Trong thực tiễn chiếu sáng, khi cần nhìn màu chất lượng tốt như xưởng họa, phòng phẫu thuật, phòng phân loại hàng hóa có màu sắc, lớp học…,người ta phải chọn nguồn sáng có CRI cao. Tuy khi đó, khi chiếu sáng trang trí, người ta lại sử dụng các nguồn sáng đơn sắc để tạo ra một khung cảnh có màu. Trong chiếu sáng quảng cáo, đôi khi người ta lại phải thay đổi CRI, ưu tiên cho một bước sóng trội nào đó để làm cho hình ảnh của đối tượng được chiếu sáng được “tôn lên”, “sống động”, hay “huyền ảo ” hơn.
Bảng1 cho ta biết chỉ số hoàn màu và phạm vi sử dụng của một số nguồn sáng thông dụng.

Bảng 2. Chỉ số hoàn màu của một số nguồn sáng thông dụng .

4. Cách thay đổi chỉ số truyền màu của nguồn sáng
4.1. Thay đổi bằng cơ chế hấp thụ
Chúng ta biết, mỗi một chất trong suốt đều hấp thụ có chọn lọc các bức xạ trong vùng nhìn thấy. Màu của các vật trong suốt là màu ánh sáng mà nó truyền qua. Miếng thủy tinh đỏ sở dĩ có màu đỏ vì khi được chiếu sáng bằng ánh sáng trắng vì chúng đã hấp thụ hầu hết các ánh sáng các vùng quang phổ khác mà chỉ cho vùng màu đỏ trong quang phổ của ánh sáng trắng đi qua. Ngược lại, miếng thủy tinh đó sẽ có màu đen khi ta chiếu sáng chúng bằng ánh sáng màu lục. Khi vật trong suốt hấp thụ lọc lựa các bức xạ sáng, về mặt bản chất chúng, đã làm cho phổ của ánh sáng từ liên tục trở thành “từng vùng” như dạng một quang phổ vạch, nghĩa là đã làm giảm chỉ số hoàn màu CRI của nguồn sáng. Đây là kỹ thuật đơn giản nhất để thay đổi CRI của nguồn sáng. Các tấm lọc (filter) có thể là thủy tinh, nhựa trong suốt có màu. Tuy nhiên phương pháp filter lọc hấp thụ chỉ áp dụng được trong những trường hợp đơn giản, ví dụ chỉ cần làm thay đổi màu của áng sáng.
4.2. Thay đổi bằng cơ chế phản xạ
Chúng ta cũng đã biết, các vật có hệ số phản xạ khác nhau đối với các bước sóng khác nhau. Tập hợp các hệ số phản xạ theo bước sóng gọi là phổ phản xạ của vật. Nhìn dưới ánh sáng ban ngày hoặc đèn sợi đốt, ta thấy kim loại đồng (Cu) hoặc vàng (Au) có màu vàng, bởi vì chúng hấp thụ rất mạnh các sóng ngắn (lam, chàm, tím) và phản xạ rất tốt các bước sóng dài (vàng, da cam, đỏ) trong vùng quang phổ nhìn thấy. Tương tự, nhôm (Al), Bạch kim (Pt) có màu trắng vì chúng hấp thụ và phản xạ đều tất cả các bước sóng trong vùng nhì thấy…. Như vậy, Khi chiếu ánh sáng trắng vào một vật liệu có đặc tính phản xạ lọc lựa thì ánh sáng phản xạ đã bị “khuyết” một vùng nào đó và do đó đã giảm chỉ số CRI.
4.3. Thay đổi bằng cơ chế giao thoa do phản xạ.
Theo hiện tượng giao thoa, khi hai chùm sáng kết hợp (có cùng tần số và hiệu pha không đổi theo thời gian) gặp nhau sẽ xảy ra hiện tượng giao thoa. Các sóng tổng hợp sẽ đạt cực đại (hay là tăng cường) nếu chúng cùng pha và triệt tiêu (hoặc giảm bớt) khi chúng ngược pha. Dựa vào nguyên lý này, người ta phủ lên mặt một chất trong suốt chiết suất N (gọi là chất nền) một lớp vật liệu trong suốt chiếu suất n với quan hệ , bề dầy của lớp phủ là d, hình 3.

Hình 3. Mô tả khử phản xạ bằng giao thoa.

Quang lộ giữa tia 1 (phản xạ trên mặt lớp phủ) và tia 2 (đi qua lớp phủ, phản xạ trên mặt chất nền và xuyên qua chất phủ rồi ra ngoài không khí) là:
Giao thoa sẽ cho cực tiểu nếu hiệu quang lộ bằng số lẻ lần nửa bước sóng, nghĩa là:
Trong đó là bước sóng của ánh sáng phản xạ, i là góc tới của tia sáng, k = ± 1, 2, 3…, được gọi là bậc giao thoa.
Ta tính được bề dày lớp phủ:
Để có lớp phủ mỏng nhất có thể, ta chọn k = 0, khi đó:
Ví dụ: khi muốn triệt tiêu bước sóng màu đỏ bước sóng 650 nm, góc tới của chùm sáng là I = 600, chất nền có chiết suất N= 2,25. Ta tính được chất phủ có chiết suất n = 1,5 và bề dày là:
Như vậy, theo công thức (6), mỗi độ dày khác nhau và ứng với mỗi góc tới khác nhau, ta sẽ khử được những bức xạ tùy ý khắc nhau. Điều đó có nghĩa là ta đã làm thay đổi phổ của chùm sáng phản xạ, tức là đã thay đổi CRI của chùm sáng.
Đây là một phương pháp hiện đại và được áp dụng rộng rãi hiện nay. Với công nghệ này, người ta đã chế tạo được các “gương lạnh”, tức là các gương có phủ phản xạ để triệt tiêu các bước sóng vùng hồng ngoại mang nhiệt. Các gương này được áp dụng trong các đèn mổ dùng trong y tế để giảm bớt nhiệt của bóng đèn Halogen tác động lên vết mổ.
Với kỹ thuật bốc bay hiện đại, ngày nay, người ta có thể tạo được những gương phản xạ có phổ phản xạ tùy ý. Điều đặc biệt là kỹ thuật này hoàn toàn có thể thực hiện được tại Việt Nam
Số tiếp theo: “LED và CRI của LED”

TS. Lê Hải Hưng
(Ban KHCN, Hội CSVN)