Guida alle lunghezze d'onda dei LED: tabella dei colori, formula e classificazione

Come la distanza tra le creste delle onde, la lunghezza d'onda descrive una distanza ripetitiva. La luce è un'onda elettromagnetica e un nanometro è un miliardesimo di metro. I valori di lunghezza d'onda nelle specifiche dei LED si riferiscono normalmente alla luce nell'aria o nel vuoto.

Un LED colorato ha un picco spettrale e una larghezza di banda finita, anziché emettere una sola lunghezza d'onda precisa. Il colore percepito dipende dall'intero spettro e dalla risposta dell'occhio, quindi l'indicazione della sola lunghezza d'onda non specifica completamente l'aspetto.

Diverse bande spettrali si adattano a compiti diversi: la luce visibile produce i colori dei display, mentre l'ultravioletto e l'infrarosso supportano processi specializzati e il rilevamento. Né un raggio invisibile né un particolare colore sono automaticamente sicuri o efficaci per una data applicazione.

La relazione chiave è l'energia del fotone:

• Le lunghezze d'onda più corte, come il violetto e il blu, trasportano più energia per fotone.
• Le lunghezze d'onda più lunghe, come il rosso, trasportano meno energia per fotone.

Ciò non significa che un LED blu consumi necessariamente più elettricità o produca una maggiore potenza ottica totale.

Un “LED rosso da 625 nm” necessita comunque di una tolleranza e di una dichiarazione che specifichi se 625 nm è la lunghezza d'onda di picco o dominante. L'illustrazione seguente mostra le regioni di colore approssimative; i suoi confini sono descrittivi, non costituiscono specifiche di acquisto.

I nomi dei colori hanno limiti approssimativi e talvolta si sovrappongono. Le ampie gamme visibili riportate di seguito descrivono i colori; gli esempi più specifici descrivono i prodotti a LED. Non utilizzare un termine di paragone con l'altro quando si confrontano i fornitori.

1. Luce visibile: Include viola, blu, verde, giallo, arancione e rosso. I display RGB mescolano la luce rossa, verde e blu per produrre molti colori.
2. Radiazioni invisibili: L'ultravioletto si trova oltre l'estremità a lunghezza d'onda corta dello spettro della luce visibile; l'infrarosso si trova oltre l'estremità a lunghezza d'onda lunga.

RGB sta per rosso, verde e blu: i colori primari additivi utilizzati dagli schermi LED a colori. Ogni canale contribuisce con il proprio spettro. Modificando le loro uscite relative si creano colori misti, incluso il bianco; non si trasformano in un nuovo emettitore a singola lunghezza d'onda.

I LED rossi sono comunemente utilizzati in indicatori, cartelli e display. Ad esempio, la tabella colori LUXEON Rebel di Lumileds elenca prodotti rossi con lunghezze d'onda comprese tra 620 e 645 nm e prodotti rosso intenso con lunghezze d'onda comprese tra 650 e 670 nm. Si tratta di intervalli di prodotto, non di definizioni universali né di prove che il rosso sia sempre la scelta più efficiente.

Anche la luce rosso scuro intorno ai 660 nm viene utilizzata nell'illuminazione orticola. Contribuisce alla fotosintesi, ma la sola scelta di questa lunghezza d'onda non garantisce la fioritura o una maggiore resa. È necessario considerare l'intero spettro, l'apporto di fotoni, la coltura e il programma di illuminazione.

I LED blu supportano i display RGB e molti LED bianchi a conversione di fosforo. Lumileds, ad esempio, elenca prodotti blu a 460-485 nm e blu royal a 440-460 nm. In un LED bianco, un fosforo converte parte della luce di eccitazione in lunghezze d'onda maggiori; lo spettro combinato può apparire bianco.

Altri usi: le sorgenti viola o blu possono attivare fotoiniziatori adatti nei sistemi di polimerizzazione. Una sorgente nominale a 415 nm viene solitamente descritta come viola, ma non si tratta di una specifica di polimerizzazione universale. È necessario adattare l'assorbimento, l'irradianza, il tempo di esposizione e la geometria del materiale al processo validato dal fornitore dell'apparecchiatura.

I LED verdi operano comunemente a lunghezze d'onda comprese tra 520 e 540 nm; 455 nm corrisponde al blu. La risposta fotopica standard utilizzata per la visione diurna raggiunge il picco a circa 555 nm, nella regione giallo-verde. Consultare i dati sull'efficienza spettrale fotopica della CIE.

Luminosità percepita: una potenza radiante uguale a diverse lunghezze d'onda non produce un'emissione luminosa uguale. La luce più vicina al picco di sensibilità fotopica riceve un peso maggiore. Il confronto con una potenza elettrica uguale è diverso perché anche l'efficienza di conversione dei LED varia.

Gamma cromatica del display: il verde è uno dei tre colori primari RGB. La cromaticità di tutti e tre i canali, il punto di bianco selezionato e la calibrazione determinano la gamma cromatica utilizzabile; la sola lunghezza d'onda del verde non può garantire immagini realistiche.

Confrontate la luminosità e la potenza alla temperatura di esercizio prevista, non in base al nome del colore. Il grafico RGB sottostante è illustrativo: le curve del blu, del verde e del rosso raggiungono il picco a circa 450, 520 e 630 nm. L'asse verticale è espresso in unità arbitrarie (UA); altezze di picco uguali non implicano necessariamente watt, lumen o efficienza elettrica uguali.

Il giallo e l'arancione possono essere colori spettrali o miscele. Il viola è una miscela piuttosto che una singola lunghezza d'onda spettrale, mentre il bianco richiede una combinazione di lunghezze d'onda. Queste distinzioni evitano specifiche fuorvianti.

1. LED giallo: Nell'illustrazione, la lunghezza d'onda del giallo è approssimativamente compresa tra 570 e 590 nm. I prodotti a emissione diretta e quelli a conversione di fosforo possono avere spettri diversi. Un chip blu con fosforo giallo produce in genere luce bianca quando la luce blu rimane in uscita; tuttavia, questa sola caratteristica non definisce un LED giallo. Verificare le coordinate cromatiche misurate.
2. LED arancione: Nell'illustrazione, la lunghezza d'onda del colore arancione è di circa 590-610 nm, mentre le etichette dei prodotti nei colori ambra e rosso-arancio variano a seconda del produttore. Gli indicatori e la segnaletica devono essere specificati in base alla misurazione del colore e ai requisiti applicabili, piuttosto che utilizzando solo il nome del colore.
3. LED viola: La luce rossa e blu mescolate possono apparire viola. Non esiste una singola lunghezza d'onda viola. Il violetto è un colore spettrale vicino all'estremità a lunghezza d'onda corta della luce visibile; 365 nm è ultravioletto, non luce visibile viola. Un prodotto dall'aspetto viola dovrebbe essere descritto in base al suo spettro di componenti o alla sua cromaticità.
4. LED bianco: La conversione al fosforo o la miscelazione additiva dei colori crea luce bianca. Specificare la temperatura di colore correlata (CCT), la cromaticità o Duv e le relative misure di resa cromatica per l'illuminazione. Due prodotti con la stessa CCT possono comunque differire per tinta, spettro e aspetto degli oggetti illuminati.

I LED ultravioletti e infrarossi vanno oltre i colori visibili. Specificare la banda spettrale e la potenza ottica richieste, nonché la compatibilità con i rilevatori, i limiti di esposizione e i test applicativi.

• UV: La regione ultravioletta si estende approssimativamente tra 100 e 400 nm, ma ciò non significa che i prodotti a LED coprano ogni singola lunghezza d'onda al suo interno. Le sorgenti UVC vengono utilizzate nei sistemi di disinfezione; la sola lunghezza d'onda non è sufficiente a dimostrare la dose o il risultato della disinfezione. Le linee guida della FDA avvertono che l'esposizione ai raggi UVC può danneggiare occhi e pelle..
• IR: I LED a infrarossi vicini sono utilizzati nei telecomandi, nei sensori e nell'illuminazione delle telecamere. È necessario adattare lo spettro dell'emettitore alla sensibilità del ricevitore. L'emissione invisibile non deve essere considerata innocua solo perché l'occhio umano non la percepisce.

Due schede tecniche possono riportare valori in nanometri simili pur descrivendo misurazioni diverse. Confermare la definizione della lunghezza d'onda prima di scegliere i bin o approvare un componente sostitutivo.

La lunghezza d'onda di picco e quella dominante descrivono proprietà diverse di un LED colorato:

• Lunghezza d'onda di picco (λp): la lunghezza d'onda corrispondente al massimo della sua distribuzione spettrale di potenza.
• Lunghezza d'onda dominante (λd): Una descrizione colorimetrica derivata dalla cromaticità e da un punto di bianco di riferimento, piuttosto che dalla posizione del picco spettrale.

Luminus spiega la distinzione e perché i LED bianchi dovrebbero utilizzare CCT e Duv invece della lunghezza d'onda dominante.

Per un confronto dei colori di un display, richiedete la cromaticità e la definizione dei bin del fornitore. Per un rivelatore, un filtro o un processo fotochimico, esaminate l'intero spettro e la larghezza di banda. Non date mai per scontato che i valori di lunghezza d'onda di picco e dominante siano intercambiabili.

La composizione dei semiconduttori influenza sia l'emissione che il comportamento elettrico, ma la tensione diretta non è un misuratore di lunghezza d'onda. Gli emettitori rossi hanno spesso una tensione diretta inferiore rispetto agli emettitori blu o verdi; i valori effettivi dipendono dal componente, dalla corrente e dalla temperatura. Dimensionare il driver utilizzando l'intervallo di tensione diretta e i limiti di corrente indicati nel datasheet, non una regola basata sul colore.

Nelle applicazioni biologiche, la lunghezza d'onda è solo una parte delle specifiche di esposizione complete. L'intensità erogata, la durata, la distanza e le prove relative al dispositivo o al sistema di coltivazione effettivo sono altrettanto importanti.

• Trattamenti cutanei con luce blu: Alcuni dispositivi trattano l'acne infiammatoria, ma i risultati variano e la luce non tratta tutti i tipi di acne. Linee guida sull'acne dell'Accademia americana di dermatologia descrive queste limitazioni.
• Trattamenti con luce rossa: La ricerca include dispositivi a infrarossi rossi e vicini per problemi della pelle, ma i risultati di un dispositivo o di un protocollo non stabiliscono i benefici per ogni LED a una lunghezza d'onda simile. Le linee guida di AAD sui semafori rossi rileva le lacune nelle prove rimanenti.

Scegliete un dispositivo con indicazioni appropriate e seguite le relative istruzioni e i consigli del professionista. Le specifiche dei LED di visualizzazione non costituiscono una prescrizione medica.

I sistemi orticoli combinano comunemente il blu e il rosso, a volte con il bianco ad ampio spettro o altre bande.

• Blu intorno ai 450 nm: Contribuisce alla fotosintesi e allo sviluppo delle piante.
• Rosso intorno ai 660 nm: Contribuisce alla fotosintesi, con risposte che dipendono dalla combinazione completa delle condizioni di illuminazione.

Anche la luce verde contribuisce alla crescita delle piante; non viene semplicemente sprecata solo perché le foglie appaiono verdi.

Valutare la densità del flusso fotonico fotosintetico della chioma (PPFD), l'integrale di luce giornaliero (DLI), l'uniformità e il consumo energetico. Gli esperimenti sulle piantine condotti dalla Michigan State University dimostrano perché lo spettro e la risposta della coltura devono essere valutati congiuntamente. Convalidare la ricetta con la coltura e le condizioni di crescita effettive prima di prevedere la resa o il ritorno sull'investimento.

Un LED produce luce tramite elettroluminescenza : l'iniezione elettrica permette agli elettroni e alle lacune di ricombinarsi nella regione attiva di un semiconduttore, rilasciando parte della loro energia sotto forma di fotoni.

La giunzione di base contiene:

1. Materiale di tipo N: dove gli elettroni sono i portatori di carica maggioritari.
2. Materiale di tipo P: dove le lacune sono i portatori di carica maggioritari.

Con la polarizzazione diretta, i portatori di carica vengono iniettati verso la regione attiva. Le moderne strutture LED sono progettate per favorire la ricombinazione radiativa. Non tutta l'energia elettrica fornita si trasforma in luce; anche i processi non radiativi e le perdite elettriche generano calore.

• La struttura a bande del semiconduttore influenza le energie dei fotoni che possono essere emessi.
• I fotoni ad alta energia corrispondono a lunghezze d'onda più corte; i fotoni a bassa energia corrispondono a lunghezze d'onda più lunghe.

La relazione tra energia e fotone è E = hc/λ . Utilizzando gli elettronvolt per l'energia e i nanometri per la lunghezza d'onda si ottiene:

λ (nm) ≈ 1239.84 / E (eV)

Qui, λ è la lunghezza d'onda, E è l'energia del fotone , h è la costante di Planck e c è la velocità della luce nel vuoto. La conversione segue le costanti fondamentali del NIST ; 1240 è un numeratore arrotondato di convenienza.

Esempio: un fotone da 2.00 eV ha una lunghezza d'onda di circa 620 nm. Questo calcolo converte l'energia di un fotone in lunghezza d'onda; non prevede l'esatta gamma di produzione di un LED.

Il bandgap di un semiconduttore può fornire un'indicazione approssimativa dell'energia di emissione, ma la struttura del dispositivo e le condizioni operative influenzano lo spettro misurato. Non inserire direttamente la tensione diretta del LED nella formula dell'energia dei fotoni.

I produttori utilizzano diverse leghe di semiconduttori e diverse configurazioni della regione attiva per ottenere colori differenti. La variazione della composizione modifica le transizioni elettroniche disponibili.

• Nitruro di indio e gallio (InGaN): Ampiamente utilizzato per emettitori blu e verdi.
• Fosfuro di alluminio, gallio e indio (AlGaInP): Ampiamente utilizzato per emettitori rossi, arancioni e ambra.

I nomi dei materiali spiegano l'approccio sottostante, ma la scheda tecnica del componente e lo spettro misurato rimangono i criteri di selezione. I fosfori possono ulteriormente modificare lo spettro di uscita finale.

Un grafico della distribuzione spettrale di potenza (SPD) mostra come la potenza ottica in uscita si distribuisce lungo la lunghezza d'onda. Esso rivela la larghezza di banda, le molteplici bande di emissione e le differenze nascoste da una singola lunghezza d'onda nominale o etichetta di colore.

• Asse orizzontale: lunghezza d'onda, solitamente espressa in nm.
• Asse verticale: Uscita spettrale, con unità di misura quali W/nm o una scala relativa/normalizzata. Leggere l'etichetta.
• Picco e larghezza: identificare il valore massimo e, se specificato, la larghezza a metà altezza (FWHM).
• Luce bianca: Molti LED a conversione di fosforo mostrano un picco blu oltre a un'emissione più ampia a lunghezze d'onda maggiori.

• Precisione: confrontare gli spettri misurati nelle condizioni di corrente e temperatura indicate.
• Classificazione: Utilizzare le tabelle di lunghezza d'onda, cromaticità e intervalli di output fornite dal produttore; un'immagine SPD da sola non definisce i limiti di accettazione.
• Abbinamento di colore: Spettri diversi possono produrre coordinate cromatiche simili, ma comportarsi in modo diverso con fotocamere, filtri o materiali illuminati. Testa l'applicazione completa.

1. Definisci l'obiettivo: colore del display, illuminazione, rilevamento, illuminazione delle piante o un trattamento/processo convalidato.
2. Specificare correttamente l'aspetto: Utilizzare la cromaticità e le tolleranze per la corrispondenza dei colori; aggiungere i criteri CCT e di tinta per la luce bianca.
3. Richiedi la scheda tecnica completa: Confermare la lunghezza d'onda di picco rispetto a quella dominante, SPD, larghezza di banda, uscita, corrente e temperatura di prova.
4. Concordare una strategia per i contenitori: Scegliere tolleranze che soddisfino le esigenze del progetto e il piano di scorte di ricambio. Non è detto che sia necessario utilizzare automaticamente il contenitore più ristretto disponibile.
5. Verificare la stabilità operativa: Eseguire il test alla temperatura e al livello di pilotaggio previsti, inclusi la regolazione della luminosità e la stabilizzazione termica.
6. Impostare i controlli di accettazione del fornitore: Approvare i campioni, registrare i riferimenti dei componenti/contenitori e verificare l'uniformità e la calibrazione del display assemblato.

La lunghezza d'onda dei LED è un utile punto di partenza per specificare le prestazioni cromatiche e spettrali. Una selezione affidabile richiede anche la corretta definizione della misura, delle tolleranze, delle condizioni operative e dei test applicativi. Confrontate le specifiche complete anziché le promesse legate a un singolo valore in nanometri.

Per un display, è necessario valutare sia lo schermo calibrato che i singoli componenti LED.

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