Статья Татьяны Тришиной для журнала «Светотехника», 2022, № 6
Аннотация
В статье описаны различные технологии спектрального инжиниринга для максимально точной цветопередачи музейных экспонатов. Основываясь на собственном опыте и исследованиях, авторы приводят подробный обзор совершенствования процесса использования люминофоров для производства СДов: их характеристик, особенностей, проблематики. Отдельное внимание уделено совершенно новому подходу: применению полупроводниковых наночастиц – квантовых точек. Ключевым является вопрос повышения квантовой эффективности, рассмотрены специфические особенности спектрального инжиниринга относительно кривой Планка, а также внедрённый специальный стандарт биновки. Весь материал наглядно проиллюстрирован практическими примерами, реализованными компанией Lumileds в Рейксмюсеуме, а также компанией МДМ-Лайт в Эрмитаже, Surround Art Gallery, Бузеоне, ILONA- K Artspase. Приведены обоснованные технические решения для создания идеального музейного освещения.
Введение
Совершенно новые страницы рождаются в последние годы в истории светотехники. Масштабные проекты в сфере искусства требуют разработки всё более совершённых подходов к созданию идеального света для сверхточной цветопередачи. В результате складываются сложнейшие световые концепции, в основе которых лежат нанотехнологии.
Сегодня вполне можно говорить о свете как инструменте, имеющем особую власть. Ведь многое из того, что задумано природой или создано человеком, способно обрести истинную ценность и законченный смысл лишь в том случае, если это можно наблюдать, видеть. Когда естественное освещение отсутствует или его недостаточно, в дело вступает светотехника. Исходя из задач, с помощью света можно формировать нужную атмосферу, менять настроение, воздействовать и управлять. Но величайшее мастерство проявляется тогда, когда свет в помещении должен остаться в стороне, уступив место главному – встрече зрителя с предметом искусства.
Пожалуй, самым сложным с точки зрения решения светотехнических задач является музейное освещение. Строгие требования к его исполнителям вполне объяснимы. Во-первых, ценные экспонаты нельзя повредить, безопасный свет в музейном пространстве – непременное, базовое условие: в спектральном составе недопустимо присутствие ультрафиолетового и инфракрасного излучений. Во-вторых, важно не исказить восприятие экспонируемых объектов. Цветопередача должна быть максимально возможного качества. Фактически, именно свет определяет всё, что увидит посетитель. Известно, что для предметов изобразительного искусства возрастом более века идеальным является источник света, полностью повторяющий тот, при котором они создавались. Вряд ли кто-нибудь уделял светотеневой игре столь же много внимания, как художники. Работы старых мастеров являются эталоном цвета и света. Воссоздать естественное освещение, которое сверхточно передаст всё, вложенное в работу автором, – великое искусство сегодня.
Результатом исследования данного вопроса и практического применения наработок стали успешно зарекомендовавшие себя технологии и проекты.
Основная часть: методы, результаты
Качество цветопередачи СД в последние годы выросло кардинально. Ещё недавно всерьёз обсуждавшийся CRI (colour rendering index) – индекс цветопередачи, появившийся в 1960– 1970 годы и главенствующий более полувека – сегодня совсем потерял актуальность. Ведь отражая цветопередачу на восьми основных (R1-R8) и семи дополнительных цветовых шаблонах (R9 – R15), он допускает существенные провалы в отдельных частных индексах (рис. 1).
Рисунок 1 - Индекс цветопередачи
Тенденцией современности являются чёткие требования к частным значениям. Уже в 2013 году при реализации компанией Philips Lighting проекта реконструкции Рейксмюсеума в Амстердаме специалистам компании Lumileds пришлось сконструировать специальный спектр, уделив особое внимание частному индексу R9, отвечающему за передачу насыщенного красного, и R15, отражающему телесные оттенки. Их обязательность наглядно иллюстрирует фламандская школа живописи с её палитрой из земельных пигментов. Классическим примером служит полотно Яна Адама Круземана
«Дама с собачкой», освещение которого акцентирует внимание на красном платье в центре композиции и одновременно выгодно подчёркивает цвет кожи (рис. 2).
Рисунок 2 - Ян Адам Круземан «Дама с собачкой»
В истории с Рейксмюсеумом – одним из крупнейших в мире музеев, экспонирующим более 7500 работ от эпохи Возрождения до наших дней – результат был достигнут с помощью сложного спектрального инжиниринга, дающего высокие показатели частных индексов R9 (97) и R15 (98) при общем Ra 98 (рис. 3). В основу легла технология смешения люминофора – базового компонента СД, отвечающего за цветопередачу.
Рисунок 3 - Музей Рейксмюсеум
Люминофор представляет собой компонент на основе редкоземельных металлов, как правило, это иттрий-алюминиевый гранат, активированный европием. Большинство всех белых СД состоят из люминофорного – жёлтого, зелёного и/или красного – покрытия и СД чипа, излучающего синий свет с узким спектром в диапазоне 440–470 нм. Люминофоры поглощают часть излучения синего кристалла, переизлучая его в более широкой жёлто-зелёной части спектра. Свет, воспроизводимый люминофором, в сочетании с оставшимся синим излучением, проходящим через его слой, воспринимается человеческим глазом как белый (рис. 4).
Рисунок 4 - Принцип действия люминофора в СД
Характеристики белого СД, в том числе его надёжность, зависят от выбора люминофорных материалов и метода, используемого для их интеграции в СД. Широкодоступные жёлтые люминофоры обычно обеспечивают хорошее широкополосное излучение в видимой области спектра от 500 до 700 нм, эффективное поглощение синего света от 420 до 480 нм, а также хорошую химическую и термическую стабильность. Однако в их спектре излучения отсутствует красный цвет, поэтому белые СД, содержащие лишь жёлтые люминофоры, часто характеризуются голубовато-белым оттенком и имеют цветовую температуру от 4000 до 6500 К. Отсутствие красного излучения в составе спектра – их основная проблематика, влияющая на степень цветопередачи, которая в результате оказывается низкой.
Для производства СД с низкой цветовой температурой (1800–4000 К) необходимо использование красных люминофоров. Широкое применение в настоящий момент получили нитридные люминофоры, обладающие достаточной квантовой эффективностью – чувствительностью света, но при этом имеющие целый ряд существенных минусов. Так, тушение люминесценции для них начинается уже при температуре 95 °C, квантовая эффективность при этом значительно снижается, что приводит к так называемой деградации люминофора и смещению цветовых координат СД. Кроме того, нитридные люминофоры имеют большую полуширину волны излучения. Это снижает эффективность на низких цветовых температурах за счёт смещения квантового преобразования в более длинноволновую область спектра, нечувствительную ни для человеческого глаза, ни для спектрофотометра. Таким образом, типичный СД с цветовой температурой 2700–3000 К и Ra 90 обладает более низкой эффективностью по сравнению с аналогичным СД 4000 К Ra 80. Стоимость же оказывается выше. Есть и ещё один фактор: при формировании спектра СД с 2700 К Ra 90 из-за высокого содержания нитридного люминофора существенный объём излучения приходится на инфракрасную часть спектра, что абсолютно неприемлемо для музейного освещения.
В поиске путей решения данных проблем, исследовательский центр Lumileds в 2012 году выходит на принципиально новый путь к работе с источниками света. Нитридные красные люминофоры начали замещать коллоидными квантовыми точками – полупроводниковыми наночастицами диаметром от 3 до 10 нм. Преобразование на базе квантовых точек позволило настраивать на любую длину волны с гораздо более узкой в сравнении с нитридными люминофорами полушириной. Массовое применение квантовых точек неразрывно связано с именем профессора Кена Шимидзу, автора многочисленных патентов и идеолога повсеместного внедрения технологии квантовых точек в промышленное производство СД.
Ключевая особенность узкополосных люминофоров заключена в существенном сужении полуширины полосы спектра переизлучения и корректировке доминантной длины волны излучения. При этом квантовая эффективность значительно возрастает. Максимальная величина её рассчитывается на основе световой эффективности излучения, содержащегося в спектре, и учитывает так называемый стоксов сдвиг – разницу длин волн максимумов спектров поглощения и флуоресценции. За счёт сужения полуширины волны излучения красного люминофора достигается максимальное увеличение эффективности преобразования (рис. 5). Так, при сужении на 80 нм со 110 нм, характерных для нитридного люминофора, до 30 нм – на коллоидных квантовых точках – она повышается на 22 %, то есть возрастает с 239 до 291 лм/Вт. Подобная история – повышение эффективности – прослеживается и с зелёным люминофором, правда не столь значительно, поскольку весь спектр его излучения в основном находится в видимой части (рис. 6).
Рисунок 5 - Сужение полуширины волны излучения красного люминофора для максимального увеличения эффективности преобразования
Рисунок 6 - Увеличение эффективности при зелёном люминофоре
Далее сравним кривую спектра для СД с цветовой температурой 3000 К и индексом цветопередачи Ra 90, созданного на базе узкополосного красного люминофора c аналогичным современным СД на классическом нитридном люминофоре (рис. 7). На графике виден объём излучения в дальней красной области, расходуемый впустую: оно не учитывается в общей эффективности СД, а в контексте экспозиционного освещения инфракрасное излучение оказывает пагубное воздействие на освещаемые объекты.
Рисунок 7 - Сравнение СД 3000 К Ra 90 на базе узкополосного красного и на базе классического нитридного люминофоров
Также рассмотрим специфические особенности спектрального инжиниринга относительно кривой Планка. Кривая на диаграмме цветовых координат соответствует точкам координат абсолютно чёрного тела, нагреваемого до определённой температуры в градусах Кельвина. Расположение на кривой Планка является эталоном биновки (сортировки на группы) для СД белого цвета. Биновка же по цветовой температуре всегда будет иметь некоторое отклонение, выражаемое в шагах эллипса МакАдама, показывающего отклонение СД от стандартных цветовых значений. На сегодня стандартом для массового рынка является показатель в три шага, однако для экспозиционного освещения требуется гораздо более высокая точность и идентичность. Коварная особенность кривой Планка: координаты одного источника света, расположенные чуть выше кривой, а второго – чуть ниже, визуально делают их восприятие зеленоватого или розоватого оттенков. Для того, чтобы избежать данного оптического эффекта, Lumileds внедрил специальный стандарт биновки, когда все СД в партии располагаются чуть ниже кривой Планка. Результатом стало обеспечение максимальной равномерности света на объекте (рис. 8).
Рисунок 8 - Принцип биновки СД Lumileds
Данные продукты уже успели зарекомендовать себя на достойном техническом уровне.
Одним из знаковых стал опыт спектрального инжиниринга для уникальной экспозиции фресок Калязинского Троице-Макарьева монастыря. Фрагменты фресок, написанных царскими живописцами в XV веке, дожившие до нашего времени, уцелевшие после затопления монастыря в процессе создания Угличского водохранилища в 1940 году, были освещены на базе маломощных прожекторов с цветовой температурой 2700 К и индексом Ra 97 (рис. 9).
Рисунок 9 - Фрески Калязинского Троице-Макарьева монастыря
В августе 2018 года состоялось торжественное открытие первого в России инновационного музея бумаги на территории Полотняно-Заводской бумажной мануфактуры, приуроченное к её 300-летию. Для нового «Бузеона» отреставрировали более тысячи квадратных метров исторического здания, он вобрал в себя десятки уникальных экспозиций: экспонаты собирались по всей стране – у производителей бумаги, в Питерском институте, на аукционах и в антикварных лавках. Освещение объекта выполнено с помощью источников света 3000 К Ra 90 для акцентирующего освещения и Ra 80 – для общего (рис. 10).
Рисунок 10 - Освещение экспозиции в музее бумаги на территории Полотняно-Заводской бумажной мануфактуры
Совершенно новая технология применена в Surround Art Gallery – галерее, предлагающей посетителям оценить красоту окружающего мира, искусно переданную художниками в фотографиях и скульптуре. Авторы, ставшие широко известными благодаря своему незаурядному мастерству и оригинальному видению, такие как: Брэд Вилсон, Аарон Рид, Джек Стормс, Луис Альберто Киспе Апарицио – впервые представили своё творчество в Surround Art Gallery. При освещении коллекционных, эксклюзивно предоставленных галерее фоторабот, помимо источников света с улучшенной цветопередачей, используется технология кадрирования, ограничивающая световое пятно по контуру экспоната. Такой подход в освещении позволяет создать его особенный сценарий – контрастный и драматичный (рис. 11).
Рисунок 11 - Освещение экспозиции в Surround Art Gallery
В выставочном пространстве ILONA-K Artspase, расположившемся в башне Меркурий Международного делового центра Москва-Сити, реализован проект Илоны Кесаевой по популяризации российского искусства. Насыщенная цветом экспозиция работ Ольги и Олега Татаринцевых
«Утопая в цифрах», рассказывающая об угрозах современной цивилизации, освещена источниками с цветовой температурой 4000 К Ra 97. Зада чей было безупречно передать все оттенки (рис. 12).
Рисунок 12 - Освещение в выставочном пространстве ILONA-K Artspase
Жемчужиной коллекции экспозиционного освещения, несомненно, является знаковый проект «Линия Рафаэля 1520–2020». Выставка проходила в Государственном Эрмитаже в феврале-марте 2020 года в залах Невской парадной анфилады Зимнего дворца. Её приурочили к 500-летию со дня смерти Рафаэля Санти (1483–1520), посвятив феномену влияния художника на европейское искусство с XVI века до наших дней. Экспозиция предлагает познакомиться с работами самого Рафаэля, а также творчеством его последователей. Это более трёхсот образцов живописи, графики, скульптуры и прикладного искусства из коллекций Эрмитажа и двенадцати собраний России и Западной Европы, среди которых представлены как знаменитые шедевры, так и ранее неизвестные работы. Для освещения экспозиции применялись источники света с КЦТ 3000 К Ra 97 и осветительные приборы с диммированием, позволившие настраивать оптимальный световой поток для каждого из полотен (рис. 13).
Рисунок 13 - Освещение экспозиции «Линия Рафаэля 1520–2020»
Заключение
Это лишь некоторые примеры применения новых продуктов и технологий освещения. От проекта к проекту появляются всё более сложные световые решения. На сегодня очевидно, что метод использования квантовых точек является самым перспективным для поисков повышения эффективности цветопередачи. Постоянно растущие ожидания со стороны учреждений искусства и наша возможность воплотить эти замыслы, открывают огромные горизонты для развития светотехнической отрасли в России.