Oświetlacz standardowy

Względne widmowe rozkłady mocy (SPD) oświetlaczy CIE A, B i C od 380 nm do 780 nm .

Oświetlacz standardowy jest teoretycznym źródłem światła widzialnego z opublikowanym widmowym rozkładem mocy . Standardowe źródła światła stanowią podstawę do porównania obrazów lub kolorów zarejestrowanych w różnym oświetleniu.

Oświetlacze CIE

Komisja Oświetleniowa (zwykle w skrócie CIE od nazwy francuskiej) jest organem odpowiedzialnym za publikowanie wszystkich znanych standardowych źródeł światła. Każdy z nich jest znany za pomocą litery lub kombinacji liter i cyfr.

Oświetlacze A, B i C zostały wprowadzone w 1931 roku z zamiarem odpowiednio reprezentowania średniego światła żarowego, bezpośredniego światła słonecznego i przeciętnego światła dziennego. Oświetlacze D reprezentują odmiany światła dziennego, oświetlacz E jest oświetlaczem o równej energii, podczas gdy oświetlacze F reprezentują świetlówki o różnym składzie.

Istnieją instrukcje, jak eksperymentalnie wytwarzać źródła światła („źródła standardowe”) odpowiadające starszym źródłom światła. W przypadku stosunkowo nowszych (takich jak seria D) eksperymentatorzy muszą zmierzyć profile swoich źródeł i porównać je z opublikowanymi widmami:

Obecnie żadne sztuczne źródło nie jest zalecane do realizacji standardowego oświetlacza CIE D65 lub jakiegokolwiek innego oświetlacza D o innym CCT. Istnieje nadzieja, że ​​nowe osiągnięcia w dziedzinie źródeł światła i filtrów ostatecznie zapewnią wystarczającą podstawę do zalecenia CIE.

— CIE, Technical Report (2004) Colorimetry, wyd. 3, Publikacja 15:2004, Biuro Centralne CIE, Wiedeń

Niemniej jednak dostarczają miary, zwanej wskaźnikiem metameryzmu , do oceny jakości symulatorów światła dziennego. Indeks metameryzmu sprawdza, jak dobrze pięć zestawów próbek metamerycznych pasuje do oświetlacza testowego i referencyjnego. W sposób podobny do wskaźnika oddawania barw oblicza się średnią różnicę między metamerami.

iluminator A

CIE definiuje źródło światła A w następujący sposób:

Standardowe źródło światła CIE A ma reprezentować typowe domowe oświetlenie z żarnikiem wolframowym. Jego względny widmowy rozkład mocy odpowiada promiennikowi Plancka w temperaturze około 2856 K. Oświetlacz standardowy CIE A powinien być używany we wszystkich zastosowaniach kolorymetrycznych obejmujących użycie oświetlenia żarowego, chyba że istnieją szczególne powody do zastosowania innego oświetlacza.

— CIE, CIE Standard Iluminants for Colorymetry

Widmowe promieniowanie wyjściowe ciała doskonale czarnego jest zgodne z prawem Plancka :

${\ Displaystyle M_ {e, \ lambda} (\ lambda, T) = {\ Frac {c_ {1} \ lambda ^ {-5}}} {\ exp \ lewo ({\ Frac {c_ {2}}} {\ lambda T}}\right)-1}}.}$

W czasie standaryzacji źródła światła A oba (co nie wpływa na względny SPD) ${\ Displaystyle c_ {1} = 2 \ pi \ cdot h \ cdot c ^ {2}}$ i do $\ Displaystyle c_ {2} = h \ cdot c/k}$ były różne. W 1968 oszacowanie c ₂ zostało zmienione z 0,01438 m·K do 0,014388 m·K (a wcześniej było to 0,01435 m·K, gdy oświetlacz A był standaryzowany). Ta różnica przesunęła Miejsce Plancka , zmieniające temperaturę barwową oświetlacza z nominalnej 2848 K na 2856 K:

${\ Displaystyle T_ {nowy} = T_ {stary} \ razy {\ Frac {1,4388} {1,435}} = 2848 \ {\ tekst {K}} \ razy 1,002648 = 2855,54 \ {\ tekst {K}}.}$

Aby uniknąć dalszych możliwych zmian temperatury barwowej, CIE określa teraz SPD bezpośrednio, w oparciu o pierwotną (1931) wartość c ₂ :

${\ Displaystyle S_ {A} (\ lambda) = 100 \ lewo ({\ Frac {560} {\ lambda}} \ prawo) ^ {5} {\ Frac {\ exp {\ Frac {1,435 \ razy 10 ^ { 7}}{2848\razy 560}}-1}{\exp {\frac {1,435\razy 10^{7}}{2848\lambda}}-1}}.}$

Współczynniki zostały dobrane tak, aby uzyskać znormalizowaną SPD 100 przy 560 nm . Wartości trójchromatyczne to ( X , Y , Z ) = (109,85, 100,00, 35,58) , a współrzędne chromatyczności przy użyciu standardowego obserwatora to ( x , y ) = (0,44758, 0,40745) .

źródła światła B i C

Oświetlacze B i C to łatwo osiągalne symulacje światła dziennego. Modyfikują oświetlacz A za pomocą filtrów cieczy. B służyło jako reprezentatywne dla południowego światła słonecznego, ze skorelowaną temperaturą barwową (CCT) 4874 K, podczas gdy C reprezentowało średnie światło dzienne z CCT 6774 K. Niestety są to słabe przybliżenia dowolnej fazy naturalnego światła dziennego, szczególnie w krótkofalowe widzialne oraz w zakresie widma ultrafioletowego. Gdy możliwe było uzyskanie bardziej realistycznych symulacji, źródła światła B i C zostały wycofane na rzecz serii D:. Szafy oświetleniowe, takie jak Spectralight III, które wykorzystują żarówki z filtrem, lepiej pasują do źródeł światła D w 400 nm do 700 nm niż fluorescencyjne symulatory światła dziennego.

Oświetlacz C nie ma statusu oświetlaczy standardowych CIE, ale jego względny rozkład widmowy mocy, wartości trójchromatyczne i współrzędne chromatyczności podano w Tabeli T.1 i Tabeli T.3, ponieważ wiele praktycznych przyrządów pomiarowych i obliczeń nadal używa tego oświetlacza.

— CIE, Publikacja 15:2004

Illuminant B nie został tak uhonorowany w 2004 roku.

Filtry cieczy, zaprojektowane przez Raymonda Davisa Jr. i Kassona S. Gibsona w 1931 r., Mają stosunkowo wysoką absorbancję na czerwonym końcu widma, skutecznie zwiększając CCT żarówki do poziomu światła dziennego. Działa podobnie do kolorowego żelu CTO , którego używają dziś fotografowie i operatorzy, choć jest znacznie mniej wygodny.

Każdy filtr wykorzystuje parę roztworów zawierających określone ilości wody destylowanej, siarczanu miedzi , mannitu , pirydyny , kwasu siarkowego , kobaltu i siarczanu amonu . Roztwory są oddzielone taflą bezbarwnego szkła. Ilości składników są starannie dobrane, tak aby ich połączenie dało filtr konwersji temperatury barwowej; to znaczy przefiltrowane światło jest nadal białe.

Oświetlacz serii D

Zobacz też: CIE Standard Illuminant D65

Względny widmowy rozkład mocy oświetlacza D i ciała czarnego o tej samej skorelowanej temperaturze barwowej (w kolorze czerwonym), znormalizowany około 560 nm .

Oprawy oświetleniowe z serii D , opracowane przez Judda, MacAdama i Wyszeckiego, są skonstruowane tak, aby reprezentować naturalne światło dzienne. Trudno je wytworzyć sztucznie, ale łatwo scharakteryzować matematycznie.

HW Budde z National Research Council of Canada w Ottawie , HR Condit i F. Grum z Eastman Kodak Company w Rochester w stanie Nowy Jork oraz ST Henderson i D. Hodgkiss z Thorn Electrical Industries w Enfield niezależnie zmierzyli widmowy rozkład mocy ( SPD) światła dziennego od 330 nm do 700 nm , w sumie 622 próbki. Judd i in. przeanalizował te próbki i stwierdził, że ( x , y ) współrzędne chromatyczności miały prostą, kwadratową zależność:

${\ Displaystyle y = 2,870x-3,000x ^ {2}-0,275.}$

₀ Simonds nadzorował charakterystyczną analizę wektorów SPD. Zastosowanie jego metody wykazało, że SPD można w zadowalający sposób przybliżyć za pomocą średniej (S ) i pierwszych dwóch wektorów charakterystycznych (S ₁ i S ₂ ):

${\ Displaystyle S (\ lambda) = S_ {0} (\ lambda) + M_ {1} S_ {1} (\ lambda) + M_ {2} S_ {2} (\ lambda).}$

₀ Mówiąc prościej, SPD badanych próbek światła dziennego można wyrazić jako liniową kombinację trzech stałych SPD. Pierwszy wektor (S ) jest średnią wszystkich próbek SPD, która jest najlepiej odtworzoną SPD, którą można utworzyć tylko z ustalonym wektorem. Drugi wektor (S ₁ ) odpowiada zmienności żółto-niebieskiej, odpowiadając za zmiany skorelowanej temperatury barwowej z powodu obecności lub braku chmur lub bezpośredniego światła słonecznego. Trzeci wektor (S ₂ ) odpowiada zmienności różowo-zielonej spowodowanej obecnością wody w postaci pary i zamglenia.

Aby zbudować symulator światła dziennego o określonej skorelowanej temperaturze barwowej, wystarczy znać współczynniki M ₁ i M ₂ wektorów charakterystycznych S ₁ i S ₂ .

Wektory charakterystyczne oświetlacza D; składowe SPD S0 (niebieski), S1 (zielony), S2 (czerwony).

Wyrażanie chromatyczności x i y jako:

${\ Displaystyle x = {\ Frac {X_ {0} + M_ {1} X_ {1} + M_ { 2}X_{2}}{S_{0}+M_{1}S_{1}+M_{2}S_{2}}}},}$

${\ Displaystyle y = {\ Frac {Y_ {0} + M_ {1} Y_ {1} + M_ {2} Y_ {2}} {S_ {0} + M_ {1} S_ {1} + M_{2}S_{2}}}}$

i wykorzystując znane wartości trójbodźcowe dla wektorów średnich, byli w stanie wyrazić M ₁ i M ₂ w następujący sposób:

Ryciny Kelly'ego przedstawiały linie stałej skorelowanej temperatury barwowej w przestrzeni UV na CIE 1960 UCS, jak pokazano tutaj, a także na znanym diagramie xy.

${\ Displaystyle M_ {1} = {\ Frac {-1,3515-1,7703x + 5,9114y} {0,0241 + 0,2562x-0,7341y} } ,}$

${\ Displaystyle M_ {2} = {\ Frac {0,0300-31,4424x + 30,0717y} {0,0241 + 0,2562x-0,7341y}}.}$

$problemem jest$ że pozostawiło to nierozwiązane obliczenie współrzędnej określonej fazy światła Judd i in. po prostu zestawili wartości niektórych współrzędnych chromatyczności, odpowiadających powszechnie używanym skorelowanym temperaturom barwowym, takim jak 5500 K, 6500 K i 7500 K. W przypadku innych temperatur barwowych można zapoznać się z liczbami wykonanymi przez Kelly'ego. Problem ten został rozwiązany w raporcie CIE, który sformalizował oświetlacz D, z przybliżeniem współrzędnej x pod względem odwrotnej temperatury barwowej, ważnej od 4000 K do 25000 K. Współrzędna y w trywialny sposób wynikała z kwadratowej relacji Judda.

Judd i in. następnie rozszerzył zrekonstytuowane SPD do 300 nm – 330 nm i 700 nm – 830 nm , wykorzystując dane absorbancji widmowej Księżyca w atmosferze ziemskiej.

Przedstawione dziś przez CIE tabelaryczne wartości SPD pochodzą z liniowej interpolacji danych 10 nm zestawionych do 5 nm .

Podobne badania przeprowadzono w innych częściach świata lub powtórzono za Juddem i in.”. s analizy z wykorzystaniem nowoczesnych metod obliczeniowych. W kilku z tych badań locus światła dziennego jest znacznie bliższe locus Plancka niż w Judd i in.

Miejsce światła dziennego w CIE 1960 UCS. Izotermy są prostopadłe do locus Plancka. Dwie sekcje locus światła dziennego, od 4000–7000 K i 7000–25000 K, są oznaczone kolorami. Zauważ, że te dwa loci są oddzielone dość równą odległością, około ${\ Displaystyle \ Delta _ {uv} = 0,003}$ .

Obliczenie

Względny widmowy rozkład mocy (SPD) $współrzędnych$ można wyprowadzić na podstawie jego w przestrzeni kolorów CIE , ${\ Displaystyle (x_ {D}, y_ {D})}$ :

${\ Displaystyle x_ {D} = {\ rozpocząć {przypadki} 0,244063 + 0,09911 {\ Frac {10 ^ {3}} {T}} + 2,9678 {\ Frac {10 ^ {6}} {T ^{2}}}-4,6070{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&4000\ \mathrm {K} \leq T\leq 7000\ \ \mathrm {K} \\0,237040+ 0,24748{\frac {10^{3}}{T}}+1,9018{\frac{10^{6}}{T^{2}}}-2,0064{\frac{10^{9}}{T^ {3}}} & 7000 \ \ operatorname {K} <T \ równoważnik 25000 \ \ operatorname {K} \ end {przypadków}}} y re = - 3,000$

$D }=-3,000x_{D}^{2}+2,870x_{D}-0,275}$

gdzie T jest CCT źródła światła. Mówi się, że współrzędne chromatyczności źródeł światła D tworzą locus światła dziennego CIE . Względne SPD jest podane przez:

${\ Displaystyle S_ {D} (\ lambda) = S_ {0} (\ lambda) + M_ { 1}S_{1}(\lambda )+M_{2}S_{2}(\lambda ),}$

${\ Displaystyle M_ {1} = (-1,3515-1,7703x_ {D} + 5,9114y_ {D}) / M,} M$

$\ Displaystyle M_ {2} = (0,0300-31,4424x_ {D} + 30,0717y_ {D}) / M,}$

${\ Displaystyle M = 0,0241 + 0,2562x_ {D} -0,7341y_ { D}}$

gdzie ${\ Displaystyle S_ {0} (\ lambda), S_ {1} (\ lambda), S_ {2} (\ lambda)}$ są średnie i pierwsze dwa SPD wektora własnego , przedstawione powyżej. Charakterystyczne wektory mają zero przy 560 nm , ponieważ wszystkie względne SPD zostały znormalizowane wokół tego punktu.

CCT kanonicznych oświetlaczy D ₅₀ , D ₅₅ , D ₆₅ i D ₇₅ różnią się nieco od tego, co sugerują ich nazwy. Na przykład D50 ma CCT 5003 K (światło „horyzontalne”), podczas gdy D65 ma CCT 6504 K (światło południowe). Jak wyjaśniono w poprzedniej sekcji, dzieje się tak, ponieważ wartości stałych w prawie Plancka zostały nieznacznie zmienione od czasu zdefiniowania tych kanonicznych oświetlaczy, których SPD są oparte na pierwotnych wartościach w prawie Plancka. W celu dopasowania wszystkich cyfr znaczących opublikowanych danych kanonicznych oświetlaczy wartości M ₁ i M ₂ należy przed obliczeniem SD zaokrąglić do trzech miejsc po _przecinku .

Rozświetlacz E

Oświetlacz E znajduje się poniżej locus Plancka i mniej więcej w CCT D ₅₅ .

Oświetlacz E jest promiennikiem o równej energii; ma stałą SPD wewnątrz widzialnego widma . Jest to przydatne jako odniesienie teoretyczne; oświetlacz, który daje równą wagę wszystkim długościom fal. Ma również równe wartości trójchromatyczne CIE XYZ , stąd jego współrzędne chromatyczności wynoszą (x,y)=(1/3,1/3). To jest zgodne z projektem; funkcje dopasowywania kolorów XYZ są znormalizowane w taki sposób, że ich całki w widmie widzialnym są takie same.

Oświetlacz E nie jest ciałem czarnym, więc nie ma temperatury barwowej, ale można go przybliżyć oświetlaczem serii D o CCT 5455 K. (Z kanonicznych oświetlaczy D 55 jest _najbliższy ). Producenci czasami porównują źródła światła w stosunku do źródła światła E, aby obliczyć czystość wzbudzenia .

Oświetlacz serii F

Oświetlacze serii F reprezentują różne rodzaje oświetlenia jarzeniowego .

„Standardowe” lampy fluorescencyjne F1 – F6 składają się z dwóch półszerokopasmowych emisji aktywacji antymonu i manganu w luminoforze halofosforanowym wapnia . F4 jest szczególnie interesujący, ponieważ został użyty do kalibracji wskaźnika oddawania barw CIE (wzór CRI został wybrany tak, aby F4 miał CRI równy 51). F7 – F9 to „szerokopasmowe” ( światło o pełnym spektrum ) lampy fluorescencyjne z wieloma luminoforami i wyższymi współczynnikami CRI. Wreszcie, F10 – F12 to wąskopasmowe źródła światła składające się z trzech „wąskopasmowych” emisji (spowodowanych trójskładnikowymi składami luminoforów ziem rzadkich) w obszarach R, G, B widma widzialnego. Wagi luminoforu można dostroić w celu uzyskania pożądanego CCT.

Widma tych oświetlaczy są opublikowane w Publikacji 15:2004.

• 

  FL 1–6 : standardowy

• 

  FL 7–9 : łącze szerokopasmowe

• 

  FL 10–12 : wąskopasmowy

Oświetlacz serii LED

Publikacja 15:2018 wprowadza nowe źródła światła dla różnych typów diod LED o CCT w zakresie od ok. 2700 K do 6600 K.

Biały punkt

Główny artykuł: Biały punkt

Widmo standardowego źródła światła, podobnie jak każdy inny profil światła, można przeliczyć na wartości trójchromatyczne . Zbiór trzech współrzędnych trójchromatycznych źródła światła nazywamy punktem bieli . Jeśli profil jest znormalizowany , wówczas punkt bieli można równoważnie wyrazić jako parę współrzędnych chromatyczności .

Jeżeli obraz jest zapisywany we współrzędnych trójchromatycznych (lub w wartościach, które można na nie przeliczyć), wówczas punkt bieli użytego oświetlacza daje maksymalną wartość współrzędnych trójchromatycznych, które zostaną zarejestrowane w dowolnym punkcie obrazu, w brak fluorescencji . Nazywa się to białym punktem obrazu.

Proces obliczania punktu bieli pomija wiele informacji o profilu źródła światła, więc chociaż prawdą jest, że dla każdego źródła światła można obliczyć dokładny punkt bieli, to nie jest tak, że znając punkt bieli sam obraz mówi wiele o oświetleniu, które zostało użyte do jego zarejestrowania.

Białe punkty standardowych oświetlaczy

Lista znormalizowanych źródeł światła, ich współrzędne chromatyczności CIE (x, y) doskonale odbijającego (lub transmitującego) dyfuzora oraz ich skorelowane temperatury barwowe (CCT) podano poniżej. Współrzędne chromatyczności CIE podano zarówno dla 2-stopniowego pola widzenia (1931), jak i 10-stopniowego pola widzenia (1964). Próbki kolorów przedstawiają kolor każdego punktu bieli, obliczony dla luminancji Y=0,52 i standardowego obserwatora 2 stopnie, przy założeniu prawidłowej kalibracji wyświetlacza sRGB .

Białe punkty standardowych oświetlaczy

Nazwa	CIE 1931 2°		CIE 1964 10°		CCT ( K )	Kolor	Notatka
	x 2°	y 2°	x 10°	y 10°
A	0,44757	0,40745	0,45117	0,40594	2856		żarowe / wolframowe
B	0,34842	0,35161	0,34980	0,35270	4874		przestarzałe, bezpośrednie światło słoneczne w południe
C	0,31006	0,31616	0,31039	0,31905	6774		przestarzałe, średnie / North sky daylight / NTSC 1953 , PAL-M
D50	0,34567	0,35850	0,34773	0,35952	5003		horyzont świetlny, profil ICC PCS
D55	0,33242	0,34743	0,33411	0,34877	5503		światło dzienne w środku poranka/południa
D65	0,31271	0,32902	0,31382	0,33100	6504		południe światło dzienne: telewizja , przestrzeń barw sRGB
D75	0,29902	0,31485	0,29968	0,31740	7504		Światło dzienne nieba północnego
D93	0,28315	0,29711	0,28327	0,30043	9305		wysokowydajne monitory z niebieskim luminoforem, BT.2035
mi	0,33333	0,33333	0,33333	0,33333	5454		jednakowa energia
F1	0,31310	0,33727	0,31811	0,33559	6430		światło dzienne fluorescencyjne
F2	0,37208	0,37529	0,37925	0,36733	4230		chłodny biały fluorescencyjny
F3	0,40910	0,39430	0,41761	0,38324	3450		biały fluorescencyjny
F4	0,44018	0,40329	0,44920	0,39074	2940		ciepła biała fluorescencyjna
F5	0,31379	0,34531	0,31975	0,34246	6350		światło dzienne fluorescencyjne
F6	0,37790	0,38835	0,38660	0,37847	4150		jasnobiały fluorescencyjny
F7	0,31292	0,32933	0,31569	0,32960	6500		Symulator D65 , symulator światła dziennego
F8	0,34588	0,35875	0,34902	0,35939	5000		Symulator D50, Sylvania F40 Design 50
F9	0,37417	0,37281	0,37829	0,37045	4150		chłodna biała fluorescencyjna deluxe
F10	0,34609	0,35986	0,35090	0,35444	5000		Philips TL85, Ultralume 50
F11	0,38052	0,37713	0,38541	0,37123	4000		Philips TL84, Ultralume 40
F12	0,43695	0,40441	0,44256	0,39717	3000		Philips TL83, Ultralume 30
LED-B1	0,4560	0,4078			2733		niebieski z konwersją luminoforu
LED-B2	0,4357	0,4012			2998		niebieski z konwersją luminoforu
LED-B3	0,3756	0,3723			4103		niebieski z konwersją luminoforu
LED-B4	0,3422	0,3502			5109		niebieski z konwersją luminoforu
LED-B5	0,3118	0,3236			6598		niebieski z konwersją luminoforu
LED-BH1	0,4474	0,4066			2851		mieszanie przekształconej w luminofor niebieskiej diody LED i czerwonej diody LED (niebieska hybryda)
LED-RGB1	0,4557	0,4211			2840		mieszanie czerwonych, zielonych i niebieskich diod LED
LED-V1	0,4560	0,4548			2724		fiolet z konwersją luminoforu
LED-V2	0,3781	0,3775			4070		fiolet z konwersją luminoforu

Linki zewnętrzne

• Wybrane tabele kolorymetryczne w Excelu , opublikowane w CIE 15:2004
• Konica Minolta Sensing: Źródła światła i źródła światła