LED 照明における CCT、CIE、SPD を解説
光は電磁波の一種です。光の波長は色に対応します。しかし、人間が物の色を認識する仕組みは複雑です。人間の目の反応は波長によって異なります。また、照明に使用される光源は様々な波長を含み、照明によって物の色の見え方は変わってきます。これまでCIE(国際照明委員会)は、 光源の色を表す様々な指標を検討してきました。その一例として、CCT(Correlated Color Temperature、相関色温度)、SPD(スペクトル電力分布 、スペクトル電力分布)などについて、わかりやすく解説したブログ記事をご紹介します。
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LED 照明における CCT、CIE、SPD は何を意味しますか?
電磁スペクトルは、一方の端では短波長の高エネルギーのガンマ線から、もう一方の端では長波長の低エネルギーのマイクロ波や電波まで広がっています。 スペクトルの中央にある小さな帯域は、人間の目に見える光の範囲です。 可視光の波長は約 380 ナノメートル (nm) ～ 740 nm の範囲内にあり、その範囲の下限は紫外線 (UV)、上限は赤外線 (IR) に囲まれています。
図１は、X 線や電波などの目に見えない波長を含む電磁放射の全スペクトルを波長の増加順にプロットしたものです (メートル単位)。 下のバーは可視光スペクトルの拡大図です。
図１：電磁放射の全スペクトル
CIE 色空間
図２：CIE 1931色空間のグラフ表示
■CIEとは？
国際照明委員会(フランス語：Commission internationale de l’éclairage)のことです。
1931 年、CIE (国際照明委員会) は、色の物理的特性を科学的に定量化するための標準を定義しました。 CIE 色空間は、可視光に対する人間の目の反応と、波長の分布に対する色の認識を表します。 CIE 色空間は、その創設以来、印刷、光源、照明画面などの広範な用途でこれらの色の正確な測定、表現、複製を可能にしてきました。
図２は、人間の目に見えるすべての色を表した CIE 1931 色空間のグラフ表示です。 「馬蹄形」の端の周りの数字は、色空間の境界を定義する単色光の波長です。 馬蹄形の内部では、知覚できる各色には CIEx、CIEy と呼ばれる座標があります。 元の CIE 色空間の改訂は 1960 年と 1976 年に行われましたが、1931 年バージョンが依然として最も広く使用されているバージョンです。
黒体軌跡
■黒体、黒体放射体とは
あらゆる角度から当たるすべての光 (すべての入射電磁放射) を吸収する理想的な物体であり、反射率がありません。 また、放射線を放出する完全なエミッターとしても定義されます (通常、後述するスペクトル パワー分布 SPD によって特徴付けられます)。
■黒体軌跡とは
黒体放射体として知られる光源の色度座標のプロットです。上記した黒体放射体は、特定の温度ケルビンに保持された白金球として概念化できます。黒体軌跡は、球の温度 (K) が上昇したときに CIE グラフ上の黒体座標がたどる軌跡です。 プランク軌跡とも呼ばれ、上の画像では馬蹄形の内部の円弧として示されています。 黒体曲線は、光が白く見える座標点を示すために CIE 図内に示されています。 人工白色光源は、黒体曲線に近い色座標を持っています。 黒体 (プランク) 軌跡座標 Tc(K)、つまり黒体温度曲線上の点は、一般に CCT と呼ばれます。
相関色温度
■相関色温度(CCT)とは
白色光源の色の見え方を単一の数値で特徴付ける方法です。 光源の 相関色温度(CCT) は、光源の色度座標に (知覚的に) 最も近く一致するプランク軌跡上の点です。人工白色光は、可視スペクトル内のすべての色の組み合わせを使用して生成できます。 各波長の量が異なると、光が「より冷たく」（青/シアンの波長が多く）、または「より暖かく」（黄色/オレンジの波長が多く）見えます。光源が黒体放射体ではないが、その色度座標がプランク軌跡に近い場合、その CCT によってその色を特徴付けることができます。 CCT はケルビン (K) で測定されます。暖色光は約 2700 K、昼白色は約 4000 K、冷白色は 5000 K 以上です。 Luminus LED は、1800 K から 8000 K までのこの全範囲の CCT で利用でき、さまざまな照明アプリケーションで使用できます。
図３は、さまざまな時間帯や気象条件での太陽光やさまざまな人工光源など、さまざまな光源の CCT を比較しています。 大気上の太陽光は約 5900 K です。オゾンなどの大気中の分子は、UV および IR 波長の多くを吸収し、これらの有害な光線を最大限に受けることができなくなります。 太陽が空を横切るとき、その位置に応じて、赤、オレンジ、黄色、または白に見えることがあります。 一日を通して変化する太陽の色の主な原因は、大気中のガス分子による光の散乱です。 ビデオ１は、色調整可能な Luminus SBM-40 コンポーネントで生成できるさまざまな CCT の例を示しています。
図３：様々な光源のCCT
ビデオ１：色調整可能なLuminusSBM-40コンポーネントで生成できる様々なCCTの例
スペクトル電力分布 (SPD)
表１：可視光と電磁放射の用語比較
■SPD(スペクトル出力分布)とは？
SPD は、放射源によって出力されるエネルギー (ワット単位) を波長の関数として測定したものです。 言い換えれば、SPD は、光源が各波長帯域内でどれだけの光パワーを放出するかを表します (分光計で測定)。
光源 (電球、太陽など) からの光を定義する 1 つの方法は、スペクトル出力分布 (SPD) によって決まります。可視光の波長が輝度、照度、光束などの用語で表現されるのと同様に、(電磁波)放射源の電磁波出力全体は放射輝度、つまりエネルギー出力の観点から表現されます。 放射輝度、放射照度、放射束という用語には同じ意味があります。
図４：3つの黒体放射体のSPD
総電力は、放射源の放射束と呼ばれます。 放射源の放射束特性は通常、SPD グラフで表されます。X 軸は波長 (ナノメートル、nm) で、Y 軸はスペクトル パワー (放射束) です。 これはワット/ナノメートル、W/nm で測定されますが、通常、強度、正規化強度、相対感度などの任意の単位として正規化されます。
図２のCIE グラフに示されている黒体軌跡をもう一度参照してください。人工白色光源の色座標は、黒体曲線上または黒体曲線に非常に近い位置にあると述べました。 ただし、「白色」光源のスペクトル出力分布 (SPD) には、多くの波長の組み合わせが含まれる可能性があることを理解することが重要です。 図４の 3 つの黒体放射体のグラフ画像に見られるように、SPD は黒体光源に関連付けられた滑らかな曲線に必ずしも似ているわけではありません。
対照的に、図５のグラフは Luminus 白色 LED 製品シリーズの SPD を示しており、スペクトル全体でばらつきが見られます。 約 450 nm (可視スペクトルの青色領域) と約 525 ～ 625 nm の範囲 (可視スペクトルの緑から黄色の領域) に 2 つのピーク値があります。
図５： Luminus 白色 LED 製品シリーズの SPD
図６は、さまざまな白色光源の SPD の比較です。 測定された SPD は人間の目の反応の数学的表現と組み合わされて、知覚される色が計算されます。 グラフは、日光 (ここでは左上、北半球の典型的な冬の朝の光の SPD で表されています) が広いスペクトルを提供していることを示しています。 たとえば、白熱電球では赤色の波長が優勢です。 幅広い白色色温度を提供するように LED を設計できます。
図６：様々な白色光源のSPD
SPD は CCT と同等ではないことに注意してください。 CCT は、人間が光源の色調をどのように認識するかを特徴づけます。 SPD は、人間の目には見えないものも含め、光源から出力される波長のスペクトル全体を捕捉します。 CCT はスペクトル内容の近似値として理解できます。 照明設計者は通常、照明スキームを作成するときに CCT 値を参照します。
まとめ
CIE(国際照明委員会)が検討してきた光源の色を表す様々な指標の一例として、CCT(Correlated Color Temperature、相関色温度)、SPD(スペクトル電力分布 、スペクトル電力分布)などをご紹介いたしました。照明の指標は、色を単に光の波長に対応付けるだけでなく、人間の目の反応まで考慮していることが特徴と思います。そのため、複雑で様々な指標が存在します。今回ご紹介した内容はその基本となるものです。正しく理解し、快適な照明環境を作りましょう。
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