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TECNOLOGIA
Parte 3 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.

Por otro lado, el empleo de filtros externos sobre fuentes LED –para corregir dominantes– no es práctico si dichas fuentes (de espectro discontinuo) no producen las longitudes de onda que pretendemos filtrar. Como he mencionado anteriormente, los sensores de las cámaras capturan valores de luz reflejada a 450, 550 y 650 nanómetros (no analizan todo el espectro visible) lo que no facilita las cosas. La medición fiable de una fuente de esta clase precisa analizar el espectro completo –cada 2 nanómetros– y no sólo tres o cuatro bandas. Una esfera de Ulbritch, herramienta tradicional para medir la distribución espectral de fuentes que irradian luz en todas las direcciones, tampoco es válida para fuentes tan puntuales y tiende a mezclar el espectro de tal manera que la medición es inútil. La tarea más compleja es la de igualar fuentes LED diferentes o hacer lo propio entre fuentes LED y fuentes de iluminación de espectro continuo. Diferentes sensores CMOS reproducen el color de las fuentes LED de manera muy distinta. Algunos muestran dominantes muy intensas al mezclar fuentes. 

Esfera de Ulbritch.

Las premisas de evaluación que debemos tener en cuenta con cualquier fuente de iluminación son tres:

1. Estabilidad de color: Es la habilidad de la lámpara/fuente para mantener la cromaticidad estable con el paso del tiempo.

2. Consistencia de color: Es la variación inicial de la distribución de la potencia espectral entre varias fuentes idénticas.

3. Mantenimiento de Lumen: Es la depreciación en el flujo radiante que provoca cambios en la salida espectral.

A lo largo de la historia se han desarrollado diferentes métodos de evaluación que sí se pueden aplicar –con más o menos éxito– a fuentes de espectro discontinuo. 

Elipses de MacAdam representadas sobre el diagrama de cromaticidad CIE 1931. Nótese que cuanto más se aleja el color sometido a observación humana del iluminante de referencia (punto blanco D65) más amplia es la elipse, lo que implica que somos menos capaces de discernir con exactitud las diferencias entre las longitudes de onda a medida que aumenta la saturación de los colores percibidos.

Para analizar la estabilidad de color, podemos acudir al sistema de elipses de MacAdam. Dichas elipses son indicadores experimentales de las tolerancias de la visión humana en color a distintas cromaticidades y son conocidas también como desviación estándar del igualado de color (SDCM). Están basadas en las visión de un observador altamente entrenado, en escenarios concretos y con aparatos muy específicos –no pueden trasladarse a cualquier entorno y/o fuente de iluminación–. Pueden estar compuestas por múltiples elipses simples –originalmente de diez pasos– y no expresan el sentido de la desviación. Suponen una clase de evaluación demasiado subjetiva e incompleta, pero resultan de utilidad cuando se combinan con otros datos.

Pasos en las elipses de MacAdam.

Si relacionamos las elipses de MacAdam con la CCT y la Δuv en el diagrama de cromaticidad CIE 1960, obtenemos un gráfico como el de la Fig. El Instituto Nacional de Estándares Estadounidense (ANSI) establece una tolerancia de elipses de 7 pasos para las fuentes de iluminación en estado sólido. 

Áreas de tolerancia en las elipses de MacAdam, según el ANSI.

Las 7 elipses que muestra el gráfico conforman tres áreas de tolerancia:

  • Verde: Aplicaciones para Cine, TV, acentos e iluminación arquitectural
  • Amarillo: Aplicaciones para iluminación general
  • Rojo: Aplicaciones donde las diferencias de color no tienen importancia

 Elipses de Mac Adam sobre la curva de Planck en el diagrama de cromaticidad CIE 1976.

Si relacionamos las elipses de MacAdam con la CCT y la Δuv en el diagrama de cromaticidad CIE 1976, tendrán una forma casi circular. Una elipse de un paso es equivalente aproximadamente a una Δuv de 0,001. Con esa equivalencia se conforman cuadriláteros que contienen elipses de más o menos pasos según la tolerancia establecida por el fabricante de las fuentes.Los fabricantes de iluminación profesional reducen la tolerancia del ANSI a elipses de 3 o 2 pasos. Cada cuadrilátero se denomina cesta (bin) y tiene un número de especificación concreto.

 

Esquema de distribución de las cestas (bins) sobre la curva de Planck según las variaciones cromáticas tolerables de los diodos LED.

Todas las fuentes profesionales de diodos LED tienen un número específico de bin –además del número de serie– para que, llegado el momento de cambiar la unidad LED, podamos obtener una con las mismas cualidades cromáticas que el resto de las que aún tengamos en funcionamiento. No deja de resultar curioso que sean pocos los fabricantes que le proporcionan el número de bin al usuario final, pero es algo que deberíamos poder exigirles. De cada 10.000 diodos LED fabricados, sólo unos 130-150 se pueden obtener con un bin preciso. Esta proporción implica que los fabricantes de luminarias se ven obligados a pagar el coste de esos 10000 a los fabricantes de diodos, por cada 130-150 que necesiten. Algunas compañías han optado por diseñar con todo lujo de detalles la especificaciones concretas de los diodos que van a comprar. No se limitan a pedir modelos dentro de un catálogo, con lo que tienen un mayor nivel de control sobre los resultados.

Ejemplo de inconsistencia de color según se avanzan pasos en las elipses de MacAdam.

La ausencia de consistencia de color depende de los ejes de la CCT y de la Δuv. Un diodo LED puede presentar inconsistencia cálida, fría, verde o magenta. Esta inconsistencia se debe a numerosas causas. El factor primordial que la produce es la temperatura de operación, que depende de:

  • Los materiales y métodos de fabricación empleados para producir los diodos LED.
  • Los materiales y métodos de fabricación empleados para construir la luminaria.
  • El entorno en el que funciona la luminaria.
  • La frecuencia y estabilidad de la corriente eléctrica.

En lo que respecta al mantenimiento de lumen, para medir la depreciación de fuentes de iluminación de estado sólido con el paso del tiempo, se emplea como método el test LM80 elaborado por la Sociedad de Ingenieros de Iluminación de Norteamérica (IESNA). Se realizan las pruebas a tres temperaturas (55ºC, 85ºC y una tercera elegida por el fabricante –100-105ºC–) con corriente continua y a 25ºC de temperatura ambiental durante un mínimo de 6.000 horas –con recogida de datos cada 1.000 horas–. 

Ejemplo de resultados del test LM80 de la IESNA sobre una fuente de diodos LED profesional.

En los mejores LED suele producirse una ligera Δuv hacia el azul al principio de su vida útil –entre las 600 y las 5000 horas de uso–. Más allá de las 6000 horas de uso no existen datos fiables de los proveedores de LED. Las pruebas independientes con diodos LED de alta calidad cifran en 20.000 horas el inicio de la depreciación inaceptable.

Medición con espectroradiofotómetro Lighting Passport de Asensetek de la fotometría y colorimetría de un panel LED.

En un intento de medir con mayor eficacia este tipo de fuentes, se han creado nuevos sistemas de medición que requieren del empleo de espectroradiómetros o espectroradiofotómetros:

1.- CRI expandido. El índice original compara la reproducción de 8 colores pastel bajo la fuente de iluminación que se prueba, con la reproducción bajo una fuente de referencia con la misma CCT. Se hace la media aritmética de los 8 valores –que se denomina Ra–. Pero en realidad existen catorce parches de color estandarizados para el CRI, aunque los últimos seis no se han empleado tradicionalmente. 

Parches del CRI expandido

El parche correspondiente a R9 es muy útil para evaluar el rojo. Como el rojo –componente principal e imprescindible para reproducir los tonos de piel de cualquier etnia, ya que es el color de la sangre de los capilares– es un tono sesgado e incompleto en el espacio de color con el que trabaja el CRI, sus valores son los más bajos de la escala. Un R9 superior a 0 es “bueno”. Superior a 50 es muy bueno y superior a 75 es excelente. Contrariamente a la indicación original del Atlas del sistema de color de Munsell, el valor de R15 no es el índice del color de piel caucásica –ese índice se corresponde mejor con la piel de etnia asiática– sino el R13.

 Ejemplo de medición del CRI expandido

2.-TLCI (índice de consistencia de la iluminación en cine y TV). Las longitudes de onda largas (630-700 nm) y los colores saturados no están suficientemente representados en el CRI. La Unión Europea de Cadenas de difusión (EBU) considera que el CRI tradicional ya no es apropiado para las emisiones profesionales. Su punto blanco cambia, su espacio de color está desfasado y es relativo a la visión humana, lo que resulta bastante acientífico. Por eso, ha propuesto este nuevo índice que toma medidas de la distribución de potencia espectral de una luminaria mediante un espectroradiómetro y analiza el comportamiento de cada luminaria en el contexto de la TV y el Cine profesional. Un informe estandarizado del TLCI incluye una carta de parches de color, correcciones relativas a cámara y la distribución de potencial espectral (SPD) de la luminaria en cuestión comparada con la de referencia para ese rango de CCT. La luz de referencia se ilustra en la parte exterior de cada parche y la luz medida en la interior, para que la persona responsable del etalonaje pueda igualar o rectificar con precisión máxima. Si somos capaces de distinguir a simple vista un cuadrado de diferente color dentro de alguno de los parches, sabremos que esa fuente falla en ese tono de color.

Ejemplo de informe realizado utilizando el TLCI

La escala del TLCI (1-100) no es lineal y está relacionada con la dificultad de realizar dicha corrección de color en postproducción. Un valor de entre 85 y 100 significa que los errores son tan insignificantes que se puede decidir no corregir la imagen en absoluto. Un valor de entre 75 y 85 significa que se deseará corregir el color, pero se obtendrá un resultado aceptable sin dificultad. Si el valor es de entre 50 y 75 la corrección es necesaria y es plausible obtener un resultado decente pero sólo tras una considerable inversión de tiempo. Entre los valores de 25 a 50 el rendimiento de color será muy pobre y los resultados de la corrección de color no estarán a la altura de un estándar profesional. Por último, con valores de entre 0 y 25 es posible que la persona responsable de la corrección de color cometa suicidio o decida asesinar a alguien. La mayor pega del TLCI –a día de hoy– es que las mediciones originales se realizaron de acuerdo a una media de los resultados obtenidos con las ocho cámaras más empleadas en emisión profesional según la BBC. Siete de las ocho cámaras utilizadas tenían un bloque óptico con prisma dicroico y tres sensores CCD.  La octava era una ARRI Alexa. Teniendo en cuenta la tendencia clara del mercado a la desaparición de los CCD y el hecho de que las mayores diferencias en el comportamiento con fuentes de diodos LED se produce en sensores CMOS, el TLCI parece presentar un serio inconveniente desde su propio origen. Para obtener una media válida, una sola cámara con sensor único CMOS no es suficiente. No obstante, Alan Roberts, creador del índice ya jubilado, continúa mejorando el TLCI de forma independiente a la BBC.

Ejemplo de resultados de medición IES TM-30-15

3. IES TM-30-15. Cuantifica valores de fidelidad (Rf) –por cercanía a una referencia– y de gamut (Rg) –por el incremento o la reducción de valores de saturación–. A partir de ahí genera un gráfico vectorial que indica las desviaciones medias en tono y saturación basándose en 99 muestras diferentes de color –correspondientes a objetos cotidianos de referencia–. 

Interpretación del gráfico vectorial del IES TM-30-15

Es muy importante destacar, en este tipo de medición, que cuanto mayor es la fidelidad menor es el gamut de una fuente de iluminación. El valor máximo de fidelidad es de 100 y el de gamut 140. Por ese motivo, diferentes combinaciones de valores pueden dar lugar a la misma media.

Riesgo fotobiológico de las fuentes con diodos LED de baja calidad

Por último, no hay que olvidar que los LED de baja calidad pueden ocasionar problemas de salud. Muestran una componente azul aislada y muy potente. El iris del ojo humano no reacciona ante esa luz azul tan aislada, que penetra en el globo ocular sin filtrar. Este tipo de riesgo se denomina fotobiológico. Si el valle pegado al pico de azul es demasiado pronunciado –y nuestra exposición a la luz es muy larga y directa– existe un posibilidad seria de sufrir desprendimiento de retina o –en el peor de los casos– cataratas. 

Certificado de cumplimiento del estándar de seguridad internacional EN62471

Para garantizar nuestra seguridad, todas las fuentes de diodos LED profesionales deben cumplir con el estándar internacional EN62471, que se puede exigir al fabricante en el momento de la compra.

 

ARTÍCULO PUBLICADO EN CAMERA & LIGHT