Standardní osvětlení - Standard illuminant

Relativní spektrální distribuce energie (SPD) světelných zdrojů CIE A, B a C z 380 nm na 780 nm.

A standardní osvětlení je teoretickým zdrojem viditelné světlo s profilem (jeho spektrální rozdělení energie ), který je zveřejněn. Standardní světelné zdroje poskytují základ pro porovnávání obrázků nebo barev zaznamenaných při jiném osvětlení.

CIE osvětlovače

The Mezinárodní komise pro osvětlení (obvykle zkráceno CIE pro jeho francouzský název) je orgán odpovědný za publikování všech známých standardních osvětlovačů. Každý z nich je známý písmenem nebo kombinací písmen a čísel.

Osvětlovače A, B a C byly představeny v roce 1931 s úmyslem reprezentovat průměrné žárovkové světlo, přímé sluneční světlo a průměrné denní světlo. Osvětlovače D představují fáze denního světla, osvětlovač E je osvětlovač se stejnou energií, zatímco osvětlovače F představují zářivky různého složení.

Existují pokyny, jak experimentálně vyrábět světelné zdroje („standardní zdroje“) odpovídající starším osvětlovačům. U relativně novějších (např. Série D) jsou experimentátoři ponecháni, aby změřili profily svých zdrojů a porovnali je se zveřejněnými spektry:^[1]

V současné době se nedoporučuje žádný umělý zdroj k realizaci standardního zdroje CIE D65 nebo jiného zdroje D různých CCT. Doufáme, že nový vývoj světelných zdrojů a filtrů nakonec nabídne dostatečný základ pro doporučení CIE.

— CIE, Technical Report (2004) Colorimetry, 3. vyd., Publikace 15: 2004, CIE Central Bureau, Vídeň

Poskytují však opatření zvané Index metamerismu, k posouzení kvality simulátorů denního světla.^[2][3] The Metamerismus Index testuje, jak dobře se shoduje pět sad metamerických vzorků pod testovacím a referenčním osvětlovačem. Podobným způsobem jako Index vykreslení barev, vypočítá se průměrný rozdíl mezi metamery.^[4]

Osvětlovač A

CIE definuje osvětlovač A takto:

Standardní osvětlení CIE A je určeno k reprezentaci typického domácího osvětlení s wolframovým vláknem. Jeho relativní distribuce spektrálního výkonu je u Planckianova zářiče při teplotě přibližně 2856 K. Standardní světelný zdroj CIE A by měl být používán ve všech aplikacích kolorimetrie zahrnujících použití žárovkového osvětlení, pokud neexistují konkrétní důvody pro použití jiného světelného zdroje.

— CIE, CIE Standard Illuminants for Colorimetry

The spektrální zářivý výstup a černé tělo následuje Planckův zákon:

${displaystyle M_ {e, lambda} (lambda, T) = {frac {c_ {1} lambda ^ {- 5}} {exp left ({frac {c_ {2}} {lambda T}} ight) -1} }.}$

V době standardizace osvětlení A, obojí ${displaystyle c_ {1} = 2pi cdot hcdot c ^ {2}}$ (který nemá vliv na relativní SPD) a ${displaystyle c_ {2} = hcdot c / k}$ byly jiné. V roce 1968 byl odhad c₂ byla revidována z 0,01438 mK na 0,014388 mK (a předtím to bylo 0,01435 mK, když byl standardizován světelný zdroj A). Tento rozdíl posunul Planckianův lokus, změna teploty barev osvětlovače z nominálních 2848 K na 2856 K:

${displaystyle T_ {new} = T_ {old} imes {frac {1.4388} {1.435}} = 2848 {ext {K}} imes 1,002648 = 2855,54 {ext {K}}.}$

Aby se zabránilo dalším možným změnám teploty barev, CIE nyní specifikuje SPD přímo na základě původní hodnoty (1931) c₂:^[1]

${displaystyle S_ {A} (lambda) = 100left ({frac {560} {lambda}} ight) ^ {5} {frac {exp {frac {1,435 imes 10 ^ {7}} {2848 imes 560}} - 1 } {exp {frac {1,435 obrázků 10 ^ {7}} {2848lambda}} - 1}}.}$

Byly vybrány koeficienty k dosažení normalizovaného SPD ve výši 100 na 560 nm. Hodnoty tristimulu jsou (X, Y, Z) = (109.85, 100.00, 35.58)a barevné souřadnice pomocí standardního pozorovatele jsou (X, y) = (0.44758, 0.40745).

Osvětlení B a C.

Svítidla B a C lze snadno dosáhnout simulací denního světla. Upravují Illuminant A pomocí kapalinových filtrů. B sloužil jako zástupce poledního slunečního světla, s korelovaná teplota barev (CCT) 4874 K, zatímco C představovalo průměrné denní světlo s CCT 6774 K. Bohužel se jedná o špatnou aproximaci jakékoli fáze přirozeného denního světla, zejména ve viditelných krátkých vlnách a v ultrafialovém spektrálním rozsahu. Jakmile bylo možné dosáhnout realističtějších simulací, byla podpora Illuminants B & C ve prospěch série D:^[1]. Osvětlovací skříňky, jako je Spectralight III, které používají filtrované žárovky, se lépe hodí k osvětlením D v 400 nm na 700 nm dosah než simulátory fluorescenčního denního světla.^[5]

Osvětlovač C nemá status standardních osvětlovačů CIE, ale jeho relativní rozložení spektrálního výkonu, hodnoty tristimulu a souřadnice chromatičnosti jsou uvedeny v tabulce T.1 a tabulce T.3, protože mnoho praktických měřicích přístrojů a výpočtů stále používá toto osvětlení.

— CIE, publikace 15: 2004^[6]

Illuminant B nebyl v roce 2004 tak poctěn.

Kapalinové filtry, navržené uživatelem Raymond Davis, Jr. a Kasson S.Gibson v roce 1931,^[7] mají relativně vysokou absorbanci na červeném konci spektra, což účinně zvyšuje CCT v žárovka na úrovně denního světla. Funguje podobně jako CTO barevný gel které dnes používají fotografové a kameramani, i když mnohem méně pohodlné.

Každý filtr používá dvojici roztoků, které obsahují konkrétní množství destilované vody, síran měďnatý, mannite, pyridin, kyselina sírová, kobalt, a síran amonný. Roztoky jsou odděleny tabulí nezbarveného skla. Množství přísad je pečlivě voleno tak, aby jejich kombinace poskytla konverzní filtr barevné teploty; to znamená, že filtrované světlo je stále bílé.

Řada Illuminant D

Relativní spektrální rozložení výkonu osvětlovacího prostředku D a černého tělesa se stejnou korelovanou teplotou barev (červeně), normalizované asi 560 nm.

Odvozené Juddem, MacAdamem a Wyszeckim,^[8] the D řada světelných zdrojů je konstruována tak, aby představovala přirozené denní světlo. Je obtížné je uměle vyrobit, ale lze je snadno matematicky charakterizovat.

H. W. Budde z Kanadská národní rada pro výzkum v Ottawa, H. R. Condit a F. Grum z Eastman Kodak Company v Rochester, New York,^[9] a S. T. Henderson a D. Hodgkiss z Thorn Electrical Industries v Enfield^[10] nezávisle měřil spektrální distribuci energie (SPD) denního světla od 330 nm na 700 nm, z toho celkem 622 vzorků. Judd et al. analyzoval tyto vzorky a zjistil, že (X, y) souřadnice chromatičnosti měly jednoduchý, kvadratický vztah:

${displaystyle y = 2.870x-3.000x ^ {2} -0.275.}$

Simonds dohlížel na charakteristická vektorová analýza SPD.^[11][12] Aplikace jeho metody odhalila, že SPD lze uspokojivě aproximovat použitím průměru (S₀) a první dva charakteristické vektory (S₁ a S.₂):

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

Jednodušeji lze SPD studovaných vzorků denního světla vyjádřit jako lineární kombinace ze tří, pevných SPD. První vektor (S₀) je průměr všech vzorků SPD, což je nejlépe rekonstituovaný SPD, který lze vytvořit pouze s fixním vektorem. Druhý vektor (S₁) odpovídá žluto-modré variaci, což odpovídá změnám korelované teploty barev v důsledku přítomnosti nebo nepřítomnosti mraků nebo přímého slunečního záření.^[8] Třetí vektor (S₂) odpovídá růžovo-zelené variaci způsobené přítomností vody ve formě par a mlhy.^[8]

Pro konstrukci simulátoru denního světla konkrétní korelované teploty barev stačí znát koeficienty M₁ a M.₂ charakteristických vektorů S₁ a S.₂.

Charakteristické vektory osvětlovače D; komponentní SPD S0 (modrá), S1 (zelená), S2 (červená).

Vyjádření barevnosti x a y jako:

${displaystyle x = {frac {X_ {0} + M_ {1} X_ {1} + M_ {2} X_ {2}} {S_ {0} + M_ {1} S_ {1} + M_ {2} S_ {2}}},}$

${displaystyle y = {frac {Y_ {0} + M_ {1} Y_ {1} + M_ {2} Y_ {2}} {S_ {0} + M_ {1} S_ {1} + M_ {2} S_ {2}}}}$

a s využitím známých tristimulových hodnot pro střední vektory byli schopni vyjádřit M.₁ a M.₂ jak následuje:

Kellyho čísla zobrazovaly čáry konstantní korelované teploty barev na CIE 1960 UCS, jak je zde ukázáno, stejně jako známý xy diagram.

${displaystyle M_ {1} = {frac {-1,3515-1,7703x + 5,9114y} {0,0241 + 0,2562x-0,7341y}},}$

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

Jediným problémem je, že to nevyřešilo výpočet souřadnice ${displaystyle (x, y)}$ pro konkrétní fázi denního světla. Judd et al. jednoduše tabeluje hodnoty určitých souřadnic chromatičnosti, což odpovídá běžně používaným korelovaným teplotám barev, jako jsou 5500 K, 6500 K a 7500 K. U jiných barevných teplot lze konzultovat údaje od Kellyho.^[13] Tímto problémem se zabývala zpráva CIE, která formalizovala iluminátor D s přibližnou souřadnicí x, pokud jde o reciproční teplotu barev, platnou od 4000 K do 25000 K.^[14] Souřadnice y triviálně vyplývala z Juddova kvadratického vztahu.

Judd et al. pak prodloužil rekonstituované SPD na 300 nm–330 nm a 700 nm–830 nm pomocí údajů o měsíční spektrální absorbanci zemské atmosféry.^[15]

Tabulkové SPD prezentované dnes CIE jsou odvozeny od lineární interpolace z 10 nm data nastavena na 5 nm. ^[16]

Podobné studie byly provedeny v jiných částech světa, nebo opakování Judda a kol. “Analýza pomocí moderních výpočetních metod. V několika z těchto studií je místo denního světla výrazně blíže planckiánskému místu než v Juddu et al.^[17][18]

Místo denního světla v CIE 1960 UCS. Izotermy jsou kolmé k planckiánskému místu. Dvě části lokusu denního světla, od 4 000–7 000 K a 7 000–25 000 K, jsou barevně odlišeny. Všimněte si, že dva lokusy jsou odděleny poměrně rovnoměrnou vzdáleností kolem ${displaystyle Delta _ {uv} = 0,003}$.

Výpočet

Příbuzný spektrální rozdělení energie (SPD) ${displaystyle S_ {D} (lambda)}$ světelného zdroje řady D lze odvodit z jeho chromatické souřadnice v Barevný prostor CIE 1931, ${displaystyle (x_ {D}, y_ {D})}$:^[19]

${displaystyle x_ {D} = {egin {cases} 0,244063 + 0,09911 {frac {10 ^ {3}} {T}} + 2,9678 {frac {10 ^ {6}} {T ^ {2}}} - 4,6070 { frac {10 ^ {9}} {T ^ {3}}} a 4000 mathrm {K} leq Tleq 7000 mathrm {K} 0.237040 + 0,24748 {frac {10 ^ {3}} {T}} + 1,9018 {frac { 10 ^ {6}} {T ^ {2}}} - 2,0064 {frac {10 ^ {9}} {T ^ {3}}} a 7000 mathrm {K}$

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

kde T je CCT osvětlovače. Chromatologické souřadnice Iluminantů D údajně tvoří CIE denní světlo. Relativní SPD je dán vztahem:

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

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

${displaystyle M_ {2} = (0,03000-31,4424x_ {D} + 30,0717y_ {D}) / M,}$

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

kde ${displaystyle S_ {0} (lambda), S_ {1} (lambda), S_ {2} (lambda)}$ jsou průměrní a první dva vlastní vektor SPD, zobrazené výše.^[19] Oba charakteristické vektory mají nulu v 560 nm, protože všechny relativní SPD byly v tomto bodě normalizovány.

CCT kanonických osvětlovačů, D₅₀, D₅₅, D₆₅a D.₇₅se mírně liší od toho, co naznačují jejich jména. Například D50 má CCT 5003 K („horizontální“ světlo), zatímco D65 má CCT 6504 K (polední světlo). Jak bylo vysvětleno v předchozí části, je to proto, že hodnota konstant v Planckově zákoně se od definice těchto kanonických iluminantů, jejichž SPD vycházejí z původních hodnot v Planckově zákoně, mírně změnila. Aby se shodovaly všechny významné číslice publikovaných údajů kanonických iluminátorů, byly hodnoty M₁ a M.₂ musí být před výpočtem zaokrouhleno na tři desetinná místa S_D.^[1]

Osvětlovač E.

Illuminant E je rovnoměrný zářič; má konstantní SPD uvnitř viditelné spektrum. Je to užitečné jako teoretický odkaz; osvětlovač, který dává stejnou váhu všem vlnovým délkám a představuje rovnoměrnou barvu. Má také stejné CIE XYZ hodnoty tristimulu, tedy jeho souřadnice chromatičnosti jsou (x, y) = (1 / 3,1 / 3). Toto je záměrné; funkce přizpůsobení barev XYZ jsou normalizovány tak, že jejich integrály přes viditelné spektrum jsou stejné.^[1]

Illuminant E je pod Planckianovým lokusem a zhruba izotermický s D₅₅.

Illuminant E není černé těleso, takže nemá barevnou teplotu, ale lze jej aproximovat osvětlením řady D s CCT 5455 K. (Z kanonických osvětlovačů D₅₅ je nejblíže.) Výrobci pro výpočet hodnoty světelného zdroje někdy porovnávají světelné zdroje s osvětlením E. excitační čistota.^[20]

Řada Illuminant F

The F řada světelných zdrojů představuje různé typy zářivkové osvětlení.

„Standardní“ zářivky F1 – F6 se skládají ze dvou částečně širokopásmových emisí antimon a mangan aktivace v halofosforečnanu vápenatém fosfor.^[21] F4 je zvláště zajímavý, protože byl použit pro kalibraci CIE Index vykreslení barev (vzorec CRI byl zvolen tak, aby F4 měl CRI 51). F7 – F9 jsou „širokopásmové“ (celé spektrum světla ) zářivky s více fosfory a vyššími CRI. A konečně, F10 – F12 jsou úzkopásmové osvětlovače skládající se ze tří „úzkopásmových“ emisí (způsobených ternárními složkami fosforů vzácných zemin) v oblastech R, G, B viditelného spektra. Fosforová závaží lze vyladit tak, aby bylo dosaženo požadovaného CCT.

Spektra těchto osvětlovačů jsou zveřejněna v publikaci 15: 2004.^[6][22]

• 

  FL 1–6: Standard

• 

  FL 7–9: Širokopásmové připojení

• 

  FL 10–12: Úzké pásmo

Série LED osvětlení

Publikace 15: 2018 zavádí nové osvětlovací prostředky pro různé VEDENÝ typy s CCT v rozmezí od cca. 2700 K až 6600 K.

Bílý bod

Spektrum standardního osvětlovače, jako každý jiný světelný profil, lze převést na hodnoty tristimulu. Sada tří tristimulusových souřadnic osvětlovače se nazývá a bílý bod. Pokud je profil normalizováno, pak lze bílý bod ekvivalentně vyjádřit jako pár chromatické souřadnice.

Pokud je obraz zaznamenán v souřadnicích tristimulus (nebo v hodnotách, které lze převést na az nich), pak bílý bod použitého osvětlení poskytuje maximální hodnotu souřadnic tristimulus, která bude zaznamenána v jakémkoli bodě obrazu, v Nepřítomnost fluorescence. Říká se tomu bílý bod obrazu.

Proces výpočtu bílého bodu zahodí velké množství informací o profilu osvětlovače, a tak i když je pravda, že pro každý osvětlovač lze vypočítat přesný bílý bod, není pravda, že znát bílý bod samotný obrázek vám hodně řekne o osvětlovači, který byl použit k jeho záznamu.

Bílé body standardních osvětlovačů

Seznam standardizovaných světelných zdrojů, jejich souřadnic chromatičnosti CIE (x, y) dokonale odrážejícího (nebo vysílajícího) difuzoru a jejich korelované teploty barev (CCT) jsou uvedeny níže. Souřadnice chromatičnosti CIE jsou uvedeny jak pro 2stupňové zorné pole (1931), tak pro 10stupňové zorné pole (1964). Vzorník barev představuje odstín a RGB každého bílého bodu, počítáno s jas Y = 0,54 a standardní pozorovatel, za předpokladu, že je to správné sRGB kalibrace displeje.^[23]

Reference

externí odkazy

• Vybrané kolorimetrické tabulky v aplikaci Excel, jak bylo zveřejněno v CIE 15: 2004
• Konica Minolta Sensing: Světelné zdroje a osvětlení