CRI led, TLCI e R9: la qualità cromatica

CRI led e qualità cromatica: perché il colore conta

Prima di addentrarci nelle specifiche metriche, è essenziale capire di cosa stiamo parlando. La qualità cromatica, o resa del colore, descrive l'effetto di una sorgente luminosa sul colore apparente degli oggetti. Non è una proprietà intrinseca della luce stessa, ma il risultato dell'interazione tra lo spettro di emissione della sorgente e le proprietà di riflessione spettrale degli oggetti.

Una lampada – spesso paragonata alla luce naturale del sole a mezzogiorno o a un corpo nero alla stessa temperatura di colore – possiede uno spettro continuo e completo che contiene energia in tutte le lunghezze d'onda del visibile. Questo le permette di illuminare qualsiasi colore, riflesso dall'oggetto nella sua interezza, restituendone una percezione fedele e ricca.

Le sorgenti artificiali, soprattutto quelle a spettro discreto come i LED, possono presentare "buchi" o picchi accentuati in alcune bande spettrali, portando a distorsioni più o meno marcate. Valutare queste distorsioni in modo oggettivo e standardizzato è l'obiettivo degli indici che analizzeremo.

Il CRI (Color Rendering Index): definizione, storia,  caratteristiche

Il CRI, o Indice di Resa Cromatica, è la metrica storicamente più utilizzata e riconosciuta a livello internazionale. Sviluppato dalla Commission Internationale de l'Éclairage (CIE) e formalizzato nella pubblicazione CIE 13.3 (1995), il CRI fornisce una valutazione comparativa della capacità di una sorgente luminosa di riprodurre i colori rispetto a una sorgente di riferimento.

È fondamentale sottolineare che il CRI led non misura la "bellezza" o la "satuzione" dei colori, ma la loro fedeltà rispetto a un riferimento. Un alto CRI indica che i colori appariranno molto simili a come apparirebbero sotto la sorgente di riferimento, date le stesse condizioni di adattamento cromatico dell'osservatore.

Che cos'è il CRI? Definizione tecnica e base concettuale

Il CRI led, acronimo di Color Rendering Index, è un indice quantitativo che misura il grado di corrispondenza tra il colore percepito di un oggetto illuminato da una sorgente in prova e il colore percepito dello stesso oggetto illuminato da una sorgente di riferimento, quando entrambe le sorgenti hanno la stessa temperatura di colore correlata (CCT). L'indice si basa sul concetto di spostamento cromatico.

In termini pratici, si selezionano una serie di campioni di colore standardizzati (originariamente 8, estesi a 14), si calcola come ciascuno di questi campioni si sposti nello spazio colore CIE 1964 (U\*, V\*, W\*) quando illuminato dalla sorgente in prova rispetto alla sorgente di riferimento. Maggiore è lo spostamento, minore sarà la resa per quel particolare campione. La media aritmetica dei valori ottenuti per i primi 8 campioni (da R1 a R8) fornisce il CRI generale, denominato Ra (dove "a" sta per "average", media).

La domanda "Che cos'è il CRI?" trova quindi risposta in un algoritmo preciso:

1) si determina la CCT della sorgente in prova;

2) si sceglie come riferimento un corpo nero di Planck (per CCT < 5000K) o uno spettro di daylight CIE (per CCT ≥ 5000K) alla stessa CCT;

3) si calcolano le coordinate cromatiche dei campioni sotto la sorgente in prova e sotto il riferimento;

4) si applica una trasformazione per correggere le differenze di adattamento cromatico (utilizzando la trasformazione di von Kries);

5) si calcola la differenza di colore ΔEi per ogni campione i. 6) Si converte ogni ΔEi in un indice particolare Ri tramite la formula: Ri = 100 - 4.6 * ΔEi;

7) il Ra (o CRI generale) è la media aritmetica di R1, R2, ..., R8.

I campioni di colore del CRI led: gli indici speciali da R1 a R14

La scelta dei campioni di colore è critica. I primi 8 campioni (R1-R8) sono colori pastello a media saturazione, rappresentativi di pigmenti comuni. Sono utili per una valutazione generica ma possono mascherare carenze spettrali specifiche. Per questo la CIE ha introdotto 6 campioni supplementari (R9-R14), più saturi, che testano regioni spettrali specifiche.

L'indice R9 merita una menzione speciale. Poiché molti LED bianchi (soprattutto quelli basati su fosfori blu+giallo) emettono poco nello spettro rosso profondo (attorno ai 630-660 nm), il valore R9 è spesso molto basso (anche negativo) nonostante un Ra elevato. Un LED con Ra 90 e R9 < 20 renderà i rossi spenti, grigiastri e poco vibranti. Per applicazioni critiche, specificare un valore R9 minimo (es. R9 > 50 o R9 > 80) è una pratica professionale indispensabile.

Come si calcola il CRI led? Il processo passo-passo

Il calcolo manuale del CRI è complesso e richiede strumentazione spettroradiometrica e software specializzato. Tuttavia, comprendere il flusso logico è fondamentale per interpretare correttamente il risultato. Il processo si sviluppa in una catena di operazioni matematiche e cromatiche:

1. misurazione spettrale: si acquisisce lo spettro di potenza radiante della sorgente in prova (SPD - Spectral Power Distribution) nell'intervallo 380-780 nm;
2. calcolo della CCT: dallo spettro, si calcolano le coordinate cromatiche (x,y) e si determina la Temperatura di Colore Correlata (CCT) della sorgente in prova;
3. scelta del riferimento: in base alla CCT, si genera matematicamente lo spettro della sorgente di riferimento (corpo nero o daylight CIE);
4. calcolo delle coordinate dei campioni: per ognuno dei 14 campioni, di cui è nota la riflettanza spettrale, si calcolano le coordinate di cromaticità e luminanza sotto la sorgente in prova e sotto il riferimento, nello spazio colore CIE 1964 U\*V\*W\* (uno spazio uniforme in cui le distanze corrispondono approssimativamente alle differenze percettive);
5. correzione dell'adattamento cromatico (Chromatic Adaptation): poiché l'occhio umano si adatta alle diverse temperature di colore, si applica una trasformazione (CIE CAT) alle coordinate della sorgente in prova per simularne la visione nello stesso stato di adattamento del riferimento;
6. calcolo delle differenze di colore (ΔE): per ogni campione i, si calcola la differenza di colore ΔEi nello spazio U\*V\*W\* tra la sua apparenza sotto il riferimento e sotto la sorgente in prova (corretta);
7. conversione in Indici Parziali (Ri): ogni ΔEi viene convertito in un indice parziale Ri: Ri = 100 - 4.6 * ΔEi. Il coefficiente 4.6 scala il risultato in modo che una lampada a vapori di sodio ad alta pressione, con scadente resa cromatica, abbia un CRI intorno a 25. Un ΔE pari a 0 (nessuna differenza) dà Ri=100;
8. calcolo del Ra (CRI Generale): il valore Ra (o CRI) è la media aritmetica dei primi 8 indici parziali: Ra = (R1 + R2 + ... + R8) / 8.

La formula dell'indice di resa cromatica, nel suo nucleo, è quindi Ri = f(ΔEi) = 100 - k * ΔEi, dove k è una costante di normalizzazione. La complessità risiede interamente nel calcolo accurato di ΔEi, che deve tenere conto di tutti i fattori psicofisici della visione dei colori.

I limiti del CRI led e la nascita di nuove metriche: TLCI e TM-30-18

Nonostante la sua diffusione, il CRI presenta limitazioni critiche, emerse soprattutto con l'avvento delle sorgenti a LED. Questi limiti hanno spinto la ricerca verso metriche alternative più robuste.

Criticità del metodo CRI: perché a volte un alto CRI non basta

Le principali critiche al CRI led sono di natura tecnica e percettiva:

• scelta dei campioni: i campioni pastello (R1-R8) non sono rappresentativi di colori saturi reali. Una sorgente può avere un alto Ra ma una pessima resa dei rossi (R9) o dei verdi (R11);
• sorgente di riferimento: il riferimento è sempre uno spettro del corpo nero o daylight, anche per sorgenti con spettri molto diversi (es. LED a picchi multipli). Ciò può portare a valutazioni non eque;
• spazio colore obsoleto: lo spazio CIE 1964 U\*V\*W\* è stato superato da spazi più uniformi come CIELAB o CIELUV. La non-uniformità può pesare diversamente su diverse regioni cromatiche;
• mancanza di indicatori di preferenza: il CRI misura la fedeltà, non la preferenza. Studi mostrano che spesso osservatori preferiscono una leggera esaltazione della saturazione, specialmente in ambito retail. Una metrica di fedeltà pura non cattura questo aspetto.
• problemi con sorgenti a CCT molto alta o bassa: il metodo diventa instabile per CCT molto al di fuori del range 2500K-6500K.

Queste criticità hanno reso chiaro che il Ra da solo è un indicatore insufficiente per una valutazione professionale completa. È necessario esaminare gli indici supplementari, in primis l'R9, e considerare metriche più moderne.

Il TLCI (Television Lighting Consistency Index): lo standard per il broadcast

Con la transizione della televisione dall'analogico al digitale e dall'SD all'HD e 4K, la necessità di un controllo cromatico stringente per le luci da studio è diventata impellente. Il CRI, progettato per l'osservazione umana, non teneva conto della risposta delle telecamere digitali. La European Broadcasting Union (EBU) ha quindi sviluppato il TLCI (Television Lighting Consistency Index), standardizzato come EBU Tech 3353 e poi adottato anche dalla CIE.

Il TLCI risponde a una domanda specifica: "Come appariranno i colori quando ripresi da una telecamera standard e riprodotti su un monitor di riferimento?" Sostituisce l'osservatore umano con un modello di telecamera elettronica standardizzata, simulando l'intera catena di acquisizione, elaborazione del segnale e visualizzazione.

TLCI: cos'è e come funziona

La metodologia TLCI-2012 (e la successiva TLCI-2015) segue questo schema:

1. modello di telecamera: si utilizza un modello matematico di una telecamera HD con caratteristiche spettrali di risposta dei filtri RGB definite dalla raccomandazione ITU-R BT.709;
2. set di campioni: si utilizza un set di 18 campioni di colore (inclusi colori della pelle, colori del logo EBU, colori saturi), più rappresentativi di uno scenario televisivo;
3. simulazione della catena di segnale: per ogni campione, si simula:
   • la risposta RGB della telecamera sotto la sorgente in prova e sotto una sorgente di riferimento D65;
   • la correzione del bianco automatico (AWB) della telecamera;
   • la correzione gamma e la codifica del segnale video;
   • la decodifica e visualizzazione su un monitor di riferimento calibrato (anch'esso conforme a BT.709).
4. calcolo delle differenze di colore: si calcola la differenza di colore ΔE (nello spazio CIELAB) tra l'immagine del campione sotto la sorgente in prova e sotto il riferimento D65, dopo tutta la catena di elaborazione;
5. assegnazione del valore TLCI: le differenze di colore ΔEi vengono convertite in un indice qualitativo (Qa) e poi in un punteggio TLCI su una scala da 0 a 100, con un'approssimazione a 5 punti. La conversione è tale che:
   • TLCI ≥ 85: eccellente. Nessuna correzione colore necessaria in post-produzione;
   • TLCI tra 70 e 85: buono. Potrebbero essere necessarie piccole correzioni;
   • TLCI tra 50 e 70: accettabile. Saranno necessarie correzioni sostanziali;
   • TLCI < 50: insufficiente. Anche con correzioni, i risultati saranno scadenti.

La differenza fondamentale tra CRI e TLCI risiede nel "rivelatore": l'occhio umano adattato cromaticamente per il CRI, il sistema telecamera-monitor standardizzato per il TLCI. Per un lighting designer che lavora in televisione, cinema o videoproduzione, il TLCI è un parametro più affidabile e diretto del CRI per prevedere il comportamento delle luci davanti all'obiettivo.

La metrica TM-30-18: l'evoluzione moderna della valutazione cromatica

Per rispondere sistematicamente a tutte le critiche del CRI, l'Illuminating Engineering Society (IES) nordamericana ha sviluppato il metodo TM-30-18 (IES Method for Evaluating Light Source Color Rendition). Questo standard non si presenta come un singolo numero, ma come un set di valori e grafici che forniscono un'analisi multidimensionale.

TM-30-18 introduce due indici principali e strumenti visivi:

• Rf (Fidelity Index): indice di Fedeltà. Simile al CRI, ma basato su 99 campioni di colore reali (tessuti, vernici, materiali naturali, pelle, fogliame), uno spazio colore più moderno (CAM02-UCS) e una sorgente di riferimento che è la media di molte sorgenti reali ad alta resa, non solo il corpo nero/daylight. Rf va da 0 a 100.
• Rg (Gamut Index): indice di Gamut. Misura il cambio medio di saturazione. Un valore Rg = 100 indica che la sorgente in prova, in media, non altera la saturazione rispetto al riferimento. Rg > 100 indica un aumento medio della saturazione, Rg < 100 una diminuzione. Questo distingue fedeltà (Rf) da "vividezza" (Rg).
• Graphical Tools: fornisce un diagramma vettoriale che mostra, per 16 toni di colore (hue bins), se la sorgente tende a saturare o desaturare e a spostare la tonalità. Fornisce anche un grafico dello spettro di emissione.

TM-30-18 rappresenta lo stato dell'arte nella valutazione della resa cromatica, offrendo un quadro informativo molto più ricco e affidabile del solo Ra. Sebbene non sia ancora ampiamente riportato nelle schede tecniche dei LED, la sua adozione sta crescendo nel settore professionale.

Efficienza luminosa ed efficienza energetica: il bilancio con la qualità cromatica

Un capitolo imprescindibile nella scelta di un LED professionale è il rapporto tra qualità cromatica ed efficienza. Spesso esiste un trade-off tra un alto CRI led/TLCI e l'efficienza luminosa (lumen/watt). Comprendere questa relazione è fondamentale per ottimizzare il progetto illuminotecnico sia in termini di resa visiva che di consumi energetici.

Definizione di efficienza luminosa ed efficienza energetica

È importante distinguere due concetti spesso confusi:

• efficienza luminosa (luminous efficacy) di una sorgente: è il rapporto tra il flusso luminoso totale emesso (in lumen, lm) e la potenza elettrica assorbita (in watt, W). Si misura in lm/W. Formula: η = Φ / P, dove η è l'efficienza luminosa, Φ è il flusso luminoso, P è la potenza assorbita. Indica quanto una sorgente è efficiente nel convertire l'energia elettrica in luce visibile;
• efficienza energetica (energy efficiency): concetto più ampio che considera l'intero sistema (sorgente + alimentatore + sistema di controllo) e l'utilizzo finale. Si può riferire al consumo totale di un edificio o di un'applicazione. Una lampada efficiente (alto lm/W) contribuisce all'efficienza energetica generale;
• flusso luminoso (Luminous Flux - Φ): misura della potenza luminosa percepita dall'occhio umano, ponderata secondo la curva di sensibilità fotopica standard V(λ). Si misura in lumen (lm). Risponde alla domanda: "Quanta luce emette complessivamente questa sorgente?"

La relazione tra spettro LED, CRI ed efficienza luminosa

Per capire il trade-off, bisogna guardare alla fisica del LED bianco. La maggior parte dei LED bianchi utilizza un chip che emette luce blu (attorno a 450 nm) che eccita un fosforo giallo (come il YAG:Ce) posto sopra. Il mix di blu residuo e luce gialla del fosforo dà la sensazione del bianco. Questo sistema è molto efficiente perché converte bene l'energia. Tuttavia, lo spettro risultante è composto essenzialmente da due picchi (blu e un'ampia banda giallo-verde), con poco rosso profondo. Questo produce un basso R9 e un CRI generalmente nell'ordine di 70-80, ma un'efficienza luminosa molto alta (fino a 200 lm/W per i migliori laboratoriali).

Per aumentare il CRI led e in particolare l'R9, i produttori devono modificare la composizione del fosforo. Aggiungendo fosfori rossi (es. nitruri o ossinitruri drogati con Eu2+) o utilizzando mix di fosfori verdi e rossi (approccio "a più fosfori" o "viola/blue pump + fosfori multipli"), si riempie lo spettro nella regione rossa e si migliora la resa di tutti i campioni. Tuttavia, questi fosfori aggiuntivi hanno spesso un'efficienza di conversione inferiore a quella del classico fosforo giallo YAG:Ce, e assorbono parte della luce emessa da altri fosfori (riconversione). Il risultato è una perdita di efficienza luminosa complessiva.

Comparazione pratica: efficienza luminosa in funzione del CRI led e dell'R9

La seguente tabella illustra, a titolo indicativo, l'andamento tipico dell'efficienza luminosa per moduli LED COB (Chip-on-Board) di potenza simile (circa 3000K CCT) al variare degli indici di resa cromatica. I valori sono rappresentativi del mercato professionale.

La scelta diventa quindi un bilanciamento tra esigenze progettuali: è più importante massimizzare l'efficienza energetica (e ridurre i costi operativi e il numero di punti luce) o massimizzare la qualità cromatica (e quindi l'esperienza visiva e la valorizzazione degli ambienti e degli oggetti)? Nei progetti professionali, è prassi calcolare il flusso totale richiesto e, in base al lm/W scelto, dimensionare la potenza installata. Un lm/W più basso può significare più corpi illuminanti o corpi più potenti, con un possibile aumento dei costi iniziali e della potenza contrattuale.

Applicazioni pratiche e linee guida per la scelta

Forniamo ora una sintesi operativa per guidare la selezione delle sorgenti LED in base al contesto applicativo, integrando tutti i parametri discussi.

Linee guida per settori specifici

1. Retail e visual merchandising

Obiettivo: esaltare i prodotti, rendere i colori attraenti e fedeli, creare atmosfere piacevoli.

• Abbigliamento e tessuti: fondamentale un CRI led > 90 e R9 > 50. L'R9 alto garantisce rossi vibranti (es. magliette, vestiti rossi, toni caldi della pelle sui manichini). Considerare anche R13 (toni pelle). TM-30-18 con Rg leggermente >100 può aumentare l'appeal.
• Gioielleria e orologeria: CRI > 95, R9 > 90. La resa delle pietre preziose (smeraldi, rubini, zaffiri) e dei metalli (oro, platino) richiede uno spettro completo e uniforme. Attenzione ai picchi spettrali che possono creare riflessi innaturali.
• Alimentari e supermercati: critico per carne, frutta, verdura. CRI > 90, R9 > 80 è essenziale per far apparire la carne fresca e rossa, i pomodori maturi, le verdure vive. CCT calde (2700K-3000K) per reparti gastronomia, più fredde (4000K) per reparti ortofrutta.

2. Musei, gallerie d'arte e cultural heritage

Obiettivo: massima fedeltà cromatica per rispettare l'intento dell'artista, minimizzare il daggio fotochimico.

• Dipinti e opere d'arte: CRI > 95, R9 > 90. Preferire LED con spettro continuo o quasi, evitando picchi accentuati. Il TM-30 Rf è un ottimo indicatore. Valutare sorgenti con CRI 98-99 (come le riproduzioni dello spettro daylight) per le applicazioni più critiche.
• Illuminazione di accento: oltre al colore, controllare la distribuzione della luce (beam angle) e l'assenza di UV/IR per la conservazione.

3. Broadcast, cinema e fotografia professionale

Obiettivo: riproduzione cromatica accurata e coerente attraverso telecamere e pellicole.

• Studio TV e videoproduzione: il parametro primario è il TLCI. Cercare luci con TLCI ≥ 85 (indicato come "Classe A"). Controllare anche la consistenza della CCT tra diverse unità (per evitare dominanti di colore diverse tra una luce e l'altra);
• Cinema: oltre al TLCI alto, si richiede spesso una CCT precisa (es. 3200K per tungsteno, 5600K per daylight) e un alto indice di fedeltà (CRI/TM-30 Rf). La possibilità di dimmerare senza shift cromatico (CCT stabile al variare dell'intensità) è cruciale.

4. Uffici, scuole e healthcare

Obiettivo: comfort visivo, produttività, accuratezza nelle attività.

• Uffici e Aule: CRI > 80 è considerato il minimo. Per lunghe ore di lavoro, CRI > 85-90 riduce l'affaticamento visivo e migliora la percezione dei dettagli (es. grafici, codici a colori). Abbinare a una CCT adatta (4000K per concentrazione).
• Healthcare (Diagnosi e Sale Visita): in ambito medico, la resa della pelle e dei suoi toni è vitale. CRI > 90, con particolare attenzione a R9 (per eritemi, cianosi) e R13/R15 (toni della pelle). Standard come l'IEC 60601-2-41 per l'illuminazione chirurgica prescrivono CRI molto stringenti.

CRI led e valutazione cromatica: per applicazioni realmente professionali

La valutazione della qualità cromatica delle sorgenti LED per applicazioni professionali non può più essere affidata al solo valore CRI (Ra). Una specifica professionale avanzata deve includere una serie di parametri quali:

1. temperatura di colore correlata (CCT): la tonalità di bianco di base (es. 2700K, 3000K, 4000K);
2. indice di resa cromatica generale (CRI - Ra): un primo indicatore di fedeltà, ma da non considerare isolatamente;
3. indici CRI speciali, in particolare R9 (rosso saturo): fondamentale per capire le performance nel rosso. Considerare anche R13 (pelle) e R15 (pelle asiatica) se rilevanti;
4. TLCI (se applicabile): obbligatorio per applicazioni video, broadcast e cinematografiche;
5. metriche TM-30-18 (Rf, Rg e grafici): lo stato dell'arte per una valutazione completa e moderna;
6. efficienza luminosa (lm/W): per bilanciare qualità ed efficienza energetica, calcolando il flusso totale necessario e i consumi;
7. consistenza e stabilità: la CCT e il CRI dovrebbero essere consistenti tra un lotto e l'altro e stabili nel tempo e al variare della temperatura di giunzione e del dimming.

Investire in sorgenti LED di alta qualità cromatica significa investire nella percezione, nel comfort e nel valore dello spazio illuminato. Che si tratti di vendere più prodotti, di apprezzare appieno un'opera d'arte, di trasmettere un'immagine perfetta in televisione o di lavorare in un ambiente sano e piacevole, la profondità e l'accuratezza dell'informazione fornita dalla luce sono, in definitiva, la misura della sua qualità professionale. Ledpoint.it, con la sua selezione di prodotti ad altissime prestazioni cromatiche e il supporto tecnico specializzato, si pone come partner di riferimento per i professionisti che non intendono scendere a compromessi sulla qualità della luce.