Fuentes de iluminación mediante diodos LED: verdades y mentiras

Te interesará si asististe al seminario de Frieder Hochheim de Kino Flo

AUTOR: JULIO GÓMEZ

(Artículo dividio en tres partes / páginas)

El avance tecnológico en los sistemas de iluminación profesional para cine de los últimos años ha modificado y/o transformado radicalmente la aproximación en la dirección de fotografía y en el equipo eléctrico. En la actualidad, se prioriza –aún más, y no siempre para bien– la manera más práctica y rápida de establecer la luz en una escena. Además, la evolución constante de estas fuentes implica la necesidad de descubrir y conocer las nuevas maneras de medir la calidad de las luminarias más comunes en los sets.

Anillo de fuentes LED de ARRI, combinando diferentes paneles SkyPanel, con luminarias focalizables de la serie L

Existen cuatro tecnologías básicas en desarrollo, si bien en diferentes estadios de progreso y con grados muy diferentes de éxito:

1. La de diodos emisores de luz (LED).

2. La basada en lámparas de plasma.

3. La conformada a partir de la luminiscencia por estimulación de electrones (ESL), que en cierto modo es muy parecida a la que se empleaba en los monitores CRT y en cualquier aparato de televisión con tubo de rayos catódicos.

4. La generada a partir de nanotubos de carbono, íntimamente relacionada con la anterior, pero basándose en una pantalla de fósforo y una sola pared de nanotubos de carbono altamente cristalinos (SWCNT), como electrodos en una estructura de diodos.

La luminaria Wasp 1000 de Hive Lighting –con lámpara de plasma y reflector parabólico de 12º– se puede enchufar a una toma corriente de 16 amperios y proporciona una salida de luz equivalente a la de una fuente de incandescencia de 5 K o una de lámpara HMI de entre 1800 W a 2,5 K

De entre estas cuatro, las lámparas de plasma han demostrado estar bastante limitadas en cuanto a su potencial eficiencia futura y sus especificaciones de uso. Tan sólo dos fabricantes –Hive Lighting y SoftSun– ha conseguido fabricar luminarias profesionales a partir de ella. 

 

La luminaria SoftSun 200K de Luminys se basa en la tecnología conocida como Plasma de Espectro Mejorado y consume –como su propio nombre indica– 200.000 vatios. Está completamente libre de parpadeo, incluso a altísimas velocidades de grabación, cubre áreas gigantescas y proporciona una CCT de 5400K, pudiendo regularse la salida de luz hasta un 90% menos de su intensidad máxima con una diferencia de CCT de tan sólo 100K. Una de estas fuentes fue la única necesaria para iluminar todo el set que representaba la luna en la película El primer hombre (Damien Chazelle, 2018). En la imagen, David Pringle, fundador de Luminys, dejando ciego a todo el que se atreviera a cruzarse en su camino durante la Cine Gear Expo de Los Ángeles de 2018 con una SoftSun de ‘apenas’ 100.000 W

La tecnología ESL, por su parte, está también limitada a lámparas poco eficientes o bien a luminarias enormes y muy potentes. Un par de ellas bastan para iluminar un estadio completo, pero de momento su uso como fuentes de iluminación profesionales para cine es improbable y su versatilidad casi nula. 

La investigación de las posibilidades de los nanotubos de carbono aún está en pañales y requiere de inversiones muy importantes para llegar al estadio más primitivo de fabricación.

Panel frontal del Cineroid Color

Así las cosas, nos encontramos con que la tecnología LED ha sido la única en llegar de manera masiva al usuario final, tanto a nivel de consumo como a nivel profesional. No obstante, junto con su adopción generalizada también se han extendido una serie de tópicos y malentendidos sobre su eficiencia y funcionamiento que deben ser matizados para entender cómo podemos afrontar la tarea de escoger las fuentes más adecuadas en cada proyecto.

La luminaria Creamsource Sky LED de Outsight puede funcionar como una space light. No precisa ventilador, soporta la lluvia (IP65) y consume apenas 1200 W

Se afirma con relativa frecuencia (y con preocupante ligereza), que las fuentes LED apenas requieren energía, que no generan calor, que son tan inmortales como Jordi Hurtado o Ana Blanco o que producen más luz que cualquier otra luminaria. Uno de los objetivos de este breve artículo es matizar las verdades y destapar las mentiras que se esconden tras semejantes aseveraciones.

Gráfica de la eficacia luminosa de un radiador planckiano

Comencemos por evaluar la verdadera eficacia luminosa de las diferentes clases de luminarias empleadas en rodajes. Dicha eficacia luminosa –para cualquier fuente de luz– es la relación existente entre el flujo luminoso emitido por una fuente de luz y su potencia. El primer término supone la medida de la potencia luminosa percibida, ajustada para reflejar la sensibilidad del ojo humano a diferentes longitudes de onda. Su unidad de medida en el  Sistema Internacional de Unidades es el lumen (lm). Se define como el producto entre el número de candelas y la medida de los ángulos sólidos (estereorradián). El segundo término de la relación se mide en vatios (W).

Sistema Kino Flo Freestyle 31 LED DMX

Los halógenos de alto voltaje alcanzan de media una eficacia de 20 lm/W. La incandescencia de bajo voltaje alcanza los 40 lm/W. Las lámparas de descarga de halogenuros metálicos (HMI) alcanzan 60 lm/W con lámparas de 3200K y superan fácilmente los 80 lm/W con lámparas de luz día. Los fluorescentes de elevado CRI alcanzan también los 80 lm/W. Las lámparas de plasma con CRI superior a 90 llegan a los 43 lm/W y las fuentes ESL alcanzan los 80 lm/W, aunque sin ofrecer una luz de calidad profesional.

La LiteMat Spectrum de LiteGear ha sido la primera fuente de diodos LED en obtener certificación de cumplimiento de los requerimientos de espacios de color estandarizados

Atendiendo al tópico generalizado, las fuentes LED deberían superar todas esas cifras sin problema. Sin embargo, la tozuda realidad es que –en el momento de escribir estas líneas– oscilan entre los 40 y los 60 lm/W. A pesar de que algunos fabricantes de diodos, en particular Cree, presumen de haber conseguido niveles de eficacia de hasta 240 lm/W en algunos de sus diodos –de manera individual y en condiciones de laboratorio– no se puede decir lo mismo de ninguna matriz mulltidiodo, ni mucho menos de ninguna luminaria profesional basada en LED. Es más, por regla general, cuanto mayor es la eficiencia de un matriz de LED, menor es la calidad de la luz que proporciona, peor la reproducción de color y más reducida su vida útil. Algo a tener muy en cuenta cuando algunos fabricantes tienen el descaro de asegurar que sus paneles alcanzan hasta 90 lm/W. La evolución de la tecnología de los diodos es constante y no cabe duda de que los límites presentes se superarán en un futuro cercano, pero por ahora las lámparas HMI siguen siendo las reinas indiscutibles de la eficacia, como puede atestiguar cualquier gaffer cuando tiene que compensar la luz del sol en exteriores.

Luminarias HMI Alpha 18K de K5600 utilizadas por el gaffer Thierry Baucheron durante el rodaje de un spot en París con fotografía de Darius Khondji, AFC, ASC

En lo que respecta al consumo de energía, es cierto que –frente a otros tipos de fuentes– los LED consumen mucha menos y aportan una salida de luz considerable. Aún así, resulta de crucial importancia determinar qué tanto por ciento de la energía que consumen se desaprovecha generando calor. Una vez más, analicemos lo que ocurre con otras clases de fuentes para tener puntos de referencia con los que poder juzgar a las luminarias de diodos LED. Con respecto a la energía que consumen, la generación de calor en los halógenos de alto voltaje es del 90%. En el caso de la incandescencia de bajo voltaje, el porcentaje es del 75%. El dato es idéntico en el caso de las lámparas HMI de luz día. Los fluorescentes con CRI elevado apenas desperdician un 30%. Las fuentes LED hacen lo propio con entre un 80 y un 85% de la energía que consumen. Sólo los halógenos de alto voltaje son más ineficientes.

Ejemplo de refrigeración pasiva en la fuente DLED30-D de Dedolight

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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)

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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 #100

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