Assessment of color quality and energy effciency : new insights for modern lighting. Part I : color quality in general lighting applications. Part II : mesopic photometry and street lighting

Abstract

This dissertation is divided in two parts: The first one deal with two main characteristics of the light sources for general lighting: Color quality and luminous efficacy. The second one deals with technical aspects of the mesopic photometry applied in street lighting. The first part begins by proposing a method to generate a new color rendering index, consisting of a three-dimensional visual index, which was named 3D-CRM. In order to illustrate the use of this method and index, three examples of lighting application were performed: Artwork, meat and fruit. The results show the goodness of the visual index 3D-CRM, that is also accompanied by a numeric index that indicates how the light source tested fits with the gamut of colors required by the specific lighting application. Complementing the preceding proposal, a statistical analysis was performed in order to define the parameters that make up the color quality of light sources. This statistical study was based on a collection of more than 100 real and ideal spectra of light sources. As a result, it was found that there is another variable that can complement the CRI index to indicate the color quality. This is the proposed index Oc (Optimal Color), which is based on the calculation of volumes generated with the spectrum of test source and several ideal spectra of reflectance to get optimal colors (high saturated colors) at different luminance levels. This fisrt part of the dissertation ends by proposing an index to generate a classification of light sources according to the requirements of the lighting application and the parameters such as correlated color temperature (CCT), luminous efficacy of radiation (LER) and color quality (CQ). It was demonstrated that the new proposed index called ECQ (Efficacy and Color Quality), is able to generate a useful ranking when assessing a collection of spectra, by giving a desired CCT and the weight that efficacy and color quality have in the lighting application studied. By using some examples of different lighting applications (i.e. different weights for color quality and efficacy) it was demonstrated how versatile and useful the ECQ index is. In the second part of this dissertation, a comparison of laboratory measurements between two different types of goniophotometers is made. The first one is a standard and photometer-based one, which uses the far-field for measurement. The second one has a more recent technology, uses a CCD camera and photometer as sensors, as well as the near field for measurement. This comparison exercise validates the measurements from the near-field goniophotometer, since up to moment, for this type of measurement and type of sensor (CCD camera), there are no laboratories with international traceability that can verify or calibrate this measurement system. The comparison exercise shows that there is a very good fit between both measures performed to standard light bulbs; therefore results of the near-field goniophotometer are validated. In recent measures performed at the Light and lighting laboratory of K.U. Leuven in Ghent, it was found that near field goniophotometer has a reduced luminous intensity dynamic range, for this reason exists an error measuring low luminous intensities in a luminarie with a sharp LID such as PAR30 Spot light bulb. After that, some aspects of the Recommended System for Mesopic Photometry Based on Visual Performance, CIE191:2010 are analysed. Finally it is presented a proposal of a new metrics called Energy Consumption Index (Qsa) intended to assessing possible energy savings on street lighting systems. In this chapter, by using the Energy Consumption Index an evaluation of three different hypothetical scenarios for a typical city is performed to demonstrate how flexible and intuitive this index is. These scenarios assess different characteristics of the light system such as light sources types, dimming systems and also the use of photopic and mesopic photometry.

Esta tesis se divide en dos partes: La primera trata con dos características principales de las fuentes de luz para la iluminación general: la calidad del color y de eficacia luminosa. El segundo se ocupa de los aspectos técnicos de la fotometría mesópica aplicada en el alumbrado público. La primera parte comienza proponiendo un procedimiento para generar un nuevo índice de rendimiento de color, que consiste en un índice visual tridimensional, llamado 3D-CRM. Con el fin de ilustrar el uso de este índice, se realizaron tres ejemplos de aplicación de iluminación: Arte, carnes y frutas. Los resultados muestran la bondad del índice visual 3D-CRM, que también se acompaña de un índice numérico que indica que tan bien una fuente de luz bajo prueba repolores la gama de colores para una aplicación de iluminación específica. Como complemento de la propuesta anterior, se realizó un análisis estadístico con el fin de definir los parámetros que componen la calidad de color de fuentes de luz. Este estudio estadístico se basa en una colección de más de 100 espectros reales e ideales de fuentes de luz. Como resultado, se encontró que hay otra variable que puede complementar el índice CRI para indicar la calidad del color. Este es el índice propuesto Oc (óptima del color), que se basa en el cálculo de los volúmenes generados con el espectro de la fuente de prueba y varios espectros ideal de reflectancia para obtener colores óptimos (colores de alta saturación) a diferentes niveles de luminancia. Esta primera parte termina proponiendo un índice para generar una clasificación de las fuentes de luz de acuerdo con los requisitos de la aplicación de iluminación y los parámetros tales como la temperatura de color correlacionada (CCT), la eficacia lumínica de radiación (LER) y la calidad de color (CQ ). Se demostró que el nuevo índice propuesto llamada ECQ (eficacia y calidad del color), es capaz de generar una clasificación útil en la evaluación de una colección de espectros, dando un CCT deseado y el peso que la eficacia y la calidad del color tienen en la aplicación de iluminación estudiado . Mediante el uso de algunos ejemplos de diferentes aplicaciones de iluminación (es decir, diferentes pesos para la calidad del color y la eficacia lumínica) se demostró la versatilidad y utilidad de este indicador. En la segunda parte de esta tesis, se hace una comparación de mediciones de laboratorio entre dos tipos diferentes de Goniofotómetros. El primero es uno estándar basada en el fotómetro, que utiliza el campo lejano para la medición. El segundo tiene una tecnología más reciente, utiliza una cámara CCD y fotómetro como sensores, así como el campo cercano para la medición. Este ejercicio de comparación valida las mediciones de la goniofotómetro de campo cercano, ya que hasta el momento, para este tipo de medición y el tipo de sensor (cámara CCD), no hay laboratorios con trazabilidad internacional que puede verificar o calibrar este sistema de medición. El ejercicio de comparación muestra que hay un muy buen ajuste entre las dos medidas realizadas a las bombillas estándar; Por lo tanto, los resultados del Goniofotómetro de campo cercano se validan. En recientes medidas realizadas en el laboratorio de luz e iluminación de K.U. Lovaina en Gante, se encontró que Goniofotómetro de campo cercano tiene un rango dinámico limitado para medición de intensidad luminosa, por esta razón existe un error de medición de bajas intensidades luminosas en una luminaria con una distribución aguda como por ejemplo un proyector de luz. Posteriormente se analizan, algunos aspectos del sistema recomendado para fotometría mesópica basado en el rendimiento visual, CIE191: 2010. Por último se presenta una propuesta de una nueva métrica llamada Índice de Consumo de Energía (Qsa) destinado a evaluar los posibles ahorros de energía en los sistemas de alumbrado público