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TECNOLOGIA
Parte 2 de 3
Fuentes de iluminación mediante diodos LED: verdades y mentiras
14/02/2020
Te interesará si asististe al seminario de Frieder Hochheim de Kino Flo

Durante esta semana hemos podido asistir en distintas citas en Madrid y Barcelona al roadshow del CEO y fundador de Kino Flo, Frieder Hochheim, donde presenta su propuesta para combatir la falta de uniformidad en los colores tanto de los distintos fabricantes de cámara como de las distintas fuentes LED. Momento perfecto para compartir online el artículo que Julio Gómez, que ha traducido a Hochheim en los eventos de Aluzine, escribió en Camera & Light 100 sobre las "verdades y mentiras" en las fuentes basadas en LED.

En efecto, los LED generan calor de forma considerable, pero por detrás de la matriz. No lo proyectan hacia los sujetos u objetos iluminados. Por ese motivo necesitan de un sistema de refrigeración, que puede ser pasivo –con disipación por medio de la propia carcasa de la luminaria– o activo –esa manera tan sofisticada que tienen los fabricantes de llamar a lo que no es más que uno o varios ventiladores–. En este último caso, la salida de luz puede ser superior, pero hay que ser muy precavido con el ruido que generen, lo que ha llevado a algunas firmas a emplear refrigeración líquida con excelentes resultados.

La luminaria AAdynTech Punch Plus ‘Super-Bright' con diodos LED de luz día y RDM 91 es la fuente LED más potente del mercado, con una salida de luz equivalente a la de una HMI de 2,5K. No obstante, la calidad de su luz no es adecuada para todas las aplicaciones

Los halógenos de alto voltaje alcanzan los 2927º centígrados. Las fuentes de incandescencia de bajo voltaje llegan a los 3100º C. Las lámparas de HMI de luz día se calientan hasta los 500º C. Los fluorescentes de CRI elevado apenas alcanzan los 65º C. Se estima que la temperatura óptima de funcionamiento de un diodo LED ronda también los 65º C. A más de 85º C, desciende de forma visible la salida de luz y la gama cromática. A más de 100º C, el diodo muere irremisiblemente. 

La refrigeración pasiva también es plausible en paneles LED con alto grado de protección IP como el EVO2 de VelvetLight

Así pues, no hemos conseguido confirmar ni uno sólo de los mitos que se asocian con las luminarias de diodos LED en los puntos que acabamos de examinar. Veamos qué ocurre con la vida útil, donde los LED sí tienen todas las de ganar. Las lámparas de halógeno de alto voltaje duran entre 150 y 300 horas, cantidad que se incrementa a un margen entre 600 y 1000 horas en el caso de la incandescencia de bajo voltaje. Las lámparas de HMI son un caso sumamente peculiar. No hay dos que duren lo mismo y no es infrecuente que alguna se funda al poco tiempo de haber comenzado a calentarse. No obstante, podemos establecer una horquilla media de entre 300 y 800 horas. La vida útil real de una luminaria basada en LED es difícil de determinar con precisión –no llevan el tiempo suficiente en el mercado como para saberlo con exactitud–, pero los estudios más realistas la sitúan entre 13.000 y 22.000 horas en el mejor caso –siempre en el supuesto de tratar con LED de alta calidad y rendimiento y no de diodos para señalética urbana–. A partir de ese punto, la pérdida de intensidad y de fidelidad de color es visible. Queda claro que son las fuentes con mayor vida útil del mercado, pero también que dicha vida útil está muy lejos de las 50.000 horas que se suelen publicitar.

Procedimiento de filtrado de la luz azul emitida por el diodo LED en los sistemas con LED blancos (izq.) y en los sistemas con LED de fósforo remoto (dcha.)

La luz de un diodo LED al desnudo tiene una clara dominante azulada. Por eso se utilizan dos clases de estrategias diferentes para obtener luz blanca calibrada a partir de la original emitida por el diodo. La primera consiste en concentrar una capa de fósforo integrada en el paquete de cada diodo. Esta solución es conocida como LED blanco y es la más común dentro de la industria. La segunda consiste en separar físicamente la capa de fósforo del diodo azul LED que origina la luz. El proceso de realiza aplicando el fósforo a la esfera inflada alrededor del diodo que se emplea como difusor. Esta solución se denomina fósforo remoto. 

Comparativa entre los difusores de los sistemas de LED blanco y los de fósforo remoto

Numerosas pruebas realizadas con ambas soluciones –suministradas por el mismo fabricante y con idéntica materia prima– demuestran que los sistemas de fósforo remoto pueden llegar a proporcionar una salida de luz hasta un 20% superior en entornos de alto flujo y a temperaturas elevadas. También aportan un sistema de color puntual más estable en comparación con el de los LED blancos. 

Luminaria Quantum C-80 de Cineo, fabricante especializado en paneles de fósforo remoto

Sin embargo, estas mejoras de rendimiento implican un incremento muy notable del coste de fabricación. El fósforo requerido es especialmente caro –sobre todo en la zona del color blanco cálido– sobrepasando con creces el precio de incorporar los suficientes diodos adicionales a un sistema de LED blancos como para compensar la salida de luz del fósforo remoto. Por eso, esta segunda clase de sistemas es mucho menos frecuente.

Comparativa entre el espectro visible reproducido por el Sol (izq.) vs. el espectro visible reproducido por la linterna LED de un teléfono móvil (dcha.)

Tanto los LED como las lámparas HMI o los fluorescentes son fuentes de luz continua, pero –a diferencia de lo que ocurre con la incandescencia– el espectro electromagnético que reproducen es discontinuo. Este hecho tiene una enorme importancia en la reproducción de las diferentes longitudes de onda que conforman los colores del espectro visible. Un diodo LED, incluso con su correspondiente esfera de difusión, sigue siendo una fuente de iluminación puntual, que no irradia luz a su alrededor del mismo modo que una lámpara tradicional. Los sistemas de medición deben ser mucho más precisos para examinar el espectro de esta clase de fuentes y las tradicionales células tricromáticas no son suficientemente precisas para hacerlo.

Comparativa entre el espectro visible reproducido por una fuente de incandescencia –espectro continuo– (izda.), una fuente LED de consumo monocolor –espectro discontinuo– ideada para utilizar durante la práctica de deportes (centro) y una fuente LED profesional  RGBWW –espectro discontinuo– ideada para iluminación cinematográfica (dcha.). Se puede apreciar el motivo por el cual los sistemas de evaluación de fuentes de iluminación habituales (que toman un máximo de ocho muestras sobre la totalidad del espectro) no sirven absolutamente para nada con fuentes de espectro discontinuo (en algunas de las muestras no encontrarían datos en absoluto).

Esta característica de los diodos también supone un problema importante a la hora de fabricar fuentes de este tipo que generen diferentes colores. Para conseguir un color determinado muy puro, calibrado con exactitud, la fuente debe ser capaz de emitir en una longitud de onda muy específica. Pero esta necesidad va en detrimento de la cobertura necesaria del espectro visible para generar luz blanca de la calidad suficiente para proporcionar tonos de piel fidedignos. Por eso, las fuentes LED que durante muchos años se han utilizado en la iluminación para espectáculos –con matrices que combinaban diodos de rojo, verde y azul– no eran aceptables para su uso en rodajes cinematográficos. Las dominantes en las pieles eran espantosas como consecuencia de su enorme desviación con respecto a la curva de Planck (concepto que retomaremos un poco más adelante). 

Detalle de las matrices de diodos LED RGBW de un SkyPanel S60-C. Tratándose del singular caso de un fabricante tanto de iluminación como de cámaras de cinematografía digital, es lógico que se aproveche el conocimiento de los datos de captación de color del sensor de las cámaras de la misma firma para calibrar los diodos de la luminaria.

La solución de los distintos fabricantes ha consistido en elaborar matrices con un número superior de dispositivos emisores con la intención de reducir –en la medida de lo posible– la falta de continuidad en la reproducción del espectro visible. Desde los ya típicos esquemas de matrices RGBW (rojo, verde, azul y blanco) hasta los cada vez más comunes RGBWA (rojo, verde, azul, blanco y ámbar) o RGBWW (rojo, verde, azul, blanco frío y blanco cálido). 

Detalle de la matriz de seis dispositivos emisores del panel Mini MIX de Rosco DMG Lumière. Dos de los dispositivos son transparentes, porque no utilizan fósforo. El resto es opaco o semitransparente. Cada dispositivo contiene en realidad dos diodos.

Incluso existe una matriz que añade un color verde lima a la combinación –con un total de seis dispositivos emisores– y otra que agrega cian –totalizando siete dispositivos emisores–. Es importante remarcar que de nada serviría dotar a las fuentes de matrices con un número superior de dispositivos emisores si estos no estuvieran correctamente calibrados para su uso con cámaras de cinematografía digital –cuya tecnología de separación del color sigue estando limitada a la captación e interpolación de valores tricromáticos–. De hecho, muchas fuentes de iluminación de espectáculos presentan numerosos dispositivos emisores y reproducen el espectro con una desastrosa desviación de los tonos de color.

 

Diagrama de cromaticidad CIE 1931

Llegados a este punto, es necesario aludir al análisis espectral tradicional y a los motivos por los cuales no resulta adecuado para mensurar fuentes LED. En el habitual diagrama de cromaticidad CIE 1931 obtenemos un triángulo de color con coordenadas x-y. En su interior distinguimos la curva de Planck, que describe las fuentes de luz de un hipotético cuerpo negro perfecto –llamado radiador de Planck–. La similitud de cualquier luminaria con ese radiador se evalúa mediante el índice de reproducción cromático (CRI). Este análisis establece una escala de 1 a 100. Cualquier valor inferior a 90 implica dominantes elevadas que invalidan a la fuente en cuestión para su uso en entornos cinematográficos.

Página del Atlas del sistema de color Munsell

Semejante análisis es demasiado simplista e incompleto para las luminarias de espectro discontinuo. Los valores que considera se basan en una temprana edición del atlas del sistema de color de Munsell, que a su vez se elaboró a partir de colores mate empleados en la pintura y no a partir de colores luz –cuya saturación potencial es mucho mayor–. Se trata de una aproximación que normalmente sólo tiene en cuenta la temperatura de color correlativa (CCT) durante la reproducción del espectro. Pero la temperatura de color no tiene en cuenta la distribución espectral de una fuente luminosa. Sus posibles variaciones son mucho más amplias y diversas de las que se consideran en el CRI. Si entráramos en detalle, podríamos observar que la CCT más frecuente en una vela es de 1500K. En una bombilla de incandescencia de 40 W es de 2680K. En otra de 200 W, en cambio, es de 3000K. El amanecer puede rondar una CCT de 3200K. El ocaso, una de 3400K (al igual que lo hace una bombilla halógena). Una lámpara de Xenón alcanza una CCT de entre 4500 y 5000K. El valor de la CCT en un día soleado por la tarde puede rondar los 5500K, pero con el cielo nublado se alcanzan entre 6500 y 7000K. El cielo azul de un mediodía podría oscilar entre los 9000 y los 12000K. La época del año también influye sobremanera en la temperatura de color media. La luz del sol directa entre las 9 de la mañana y las 3 de la tarde puede variar entre los 5800K en abril y los 5450K en octubre. Antes de las 9 de la mañana y después de las 3 de la tarde, la misma luz alcanza 5400K en abril y 4900K en octubre. El cielo completamente nublado varía mucho menos, alcanzando 6700K en abril y 6750K en octubre. La aparición de neblina altera los valores hasta los 7500K en abril y los 8400K en octubre. Todo esto ciñéndonos únicamente a mediciones en Europa central. La cercanía al ecuador modifica completamente los resultados. Se da por hecho que la altitud sobre el nivel del mar influye en la temperatura de color, y así es. Pero se tiene mucho menos en cuenta la gigantesca influencia de la polución atmosférica en los valores de CCT. La luz del cielo despejado –en los escasos entornos en los que podemos hablar de una atmósfera inusualmente limpia– varían entre los 26000K en abril y los 12000K en octubre.

La percepción humana del color físico, pasa a ser fisiológica por medio del sistema de captación de nuestro sistema visual y psicológica dada la interpretación que nuestro cerebro hace de la información de color

Por fortuna, el cerebro humano presenta una manifiesta tolerancia a las variaciones en las longitudes de onda, sin procesar dichos cambios. Es una de las múltiples automatizaciones que realizamos para poder concentrarnos en tareas que garanticen la supervivencia de la especie. Los sensores y los procesadores de las cámaras no son tan permisivos. La reacción de la capa de silicio de los captores digitales a las diferentes CCT influye en el filtrado del color por medio de máscaras Bayer RGB. Por regla general, las cámaras de más alta gama procesan el color de tal manera que son más tolerantes a pequeños cambios –sobre todo en los tonos medios, que se corresponden con los tonos de la piel humana–. La precisión en el color de las fuentes de iluminación que hemos empleado a lo largo de la historia del cine nunca ha sido absoluta. La CCT de las fuentes de incandescencia de estudios y platós oscila alegremente entre los 2800 y los 3400K. Dos lámparas de HMI del mismo fabricante pueden proporcionar diferente CCT en el mismo entorno, con el mismo voltaje y con idéntico tiempo de uso. El rendimiento cromático de los fluorescentes cambia con el paso del tiempo y la temperatura. Los diodos LED muestran amplias diferencias en calidad y variedad. Incluso los mejores pueden comportarse de forma distinta con diferentes fuentes de alimentación, operando a diferentes temperaturas o con el paso del tiempo. 

 Desviación de la curva de Planck en el diagrama de cromaticidad CIE 1976

Pero la CCT es apenas la mitad de la historia. El color de una fuente se sitúa entre dos ejes. Uno es el que determina la posición lateral sobre la curva de Planck mencionada (CCT). Oscila entre el naranja-rojo y el azul oscuro, pero el otro –que el CRI no suele tener en cuenta– es el que establece las variaciones perpendiculares al radiador planckiano. Esta desviación de la curva de Planck se denomina Δuv. La propia CIE reconoce que el valor de la CCT no tiene ninguna aplicación válida cuando la Δuv supera un valor de ± 0.0054. Un valor superior positivo implica que la luz presenta una dominante visible verde-amarillenta. Un valor superior negativo implica que la luz presenta una dominante visible púrpura-magenta. Podemos tener –en el mismo plano– dos fuentes con idéntica CCT, pero si presentan valores excesivos de Δuv en sentidos opuestos el resultado será desastroso. Y la medición de su CRI no nos habrá servido de nada. 

 Curva de sensibilidad espectral de los tres tipos de fotoreceptores para la captación de longitudes de onda del sistema visual humano (conos)