Стандартный источник света

Относительные спектральные распределения мощности (SPD) источников света CIE A, B и C от 380 нм до 780 нм .

Стандартный источник свет является теоретическим источником видимого света с профилем (его спектральное распределение мощности ) , который публикуется. Стандартные источники света служат основой для сравнения изображений или цветов, записанных при разном освещении.

Источники света CIE [ править ]

Международная комиссия по освещению (обычно сокращенно CIE для своего французского имени) является органом , ответственным за публикацию всех известных стандартных осветительных приборов. Каждый из них обозначается буквой или комбинацией букв и цифр.

Источники света A, B и C были введены в 1931 году с целью представления, соответственно, среднего света лампы накаливания, прямого солнечного света и среднего дневного света. Источники света D представляют фазы дневного света, Источники света E - это источники равной энергии, а Источники света F представляют собой люминесцентные лампы различного состава.

Есть инструкции о том, как экспериментально создать источники света («стандартные источники»), соответствующие более старым осветительным приборам. Для относительно новых источников (таких как серия D) экспериментаторам предоставляется возможность измерить профили своих источников и сравнить их с опубликованными спектрами: ^[1]

В настоящее время не рекомендуется использовать искусственный источник для реализации стандартного источника света D65 CIE или любого другого источника света D с другой CCT. Есть надежда, что новые разработки в источниках света и фильтрах в конечном итоге дадут достаточную основу для рекомендации CIE.

-  CIE, Технический отчет (2004) Колориметрия, 3-е изд., Публикация 15: 2004, Центральное бюро CIE, Вена

Тем не менее, они предоставляют показатель, называемый индексом метамеризма , для оценки качества имитаторов дневного света. ^{[2] [3]} Индекс метамерии проверяет, насколько хорошо пять наборов метамерных образцов соответствуют испытуемому и эталонному источнику света. Аналогично индексу цветопередачи вычисляется средняя разница между метамерами. ^[4]

Illuminant A [ править ]

CIE определяет источник света A в следующих терминах:

Стандартный источник света CIE A предназначен для освещения типового домашнего освещения с вольфрамовой нитью. Его относительное спектральное распределение мощности такое же, как у планковского излучателя при температуре приблизительно 2856 К. Стандартный источник света A CIE следует использовать во всех приложениях колориметрии, включающих использование лампы накаливания, если нет особых причин для использования другого источника света.

-  CIE, Стандартные осветители для колориметрии CIE

Спектральная излучательная светимость из черного тела следует закону Планка :

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

Во время стандартизации источника света A оба (что не влияет на относительное SPD) и были разными. В 1968 году оценка c ₂ была пересмотрена с 0,01438 м · К до 0,014388 м · К (а до этого она составляла 0,01435 м · К при стандартизации источника света А). Эта разница сместила планковский локус , изменив цветовую температуру источника света с номинальных 2848 K до 2856 K:${\displaystyle c_{1}=2\pi \cdot h\cdot c^{2}}$${\displaystyle c_{2}=h\cdot c/k}$

${\displaystyle T_{new}=T_{old}\times {\frac {1.4388}{1.435}}=2848\ {\text{K}}\times 1.002648=2855.54\ {\text{K}}.}$

Чтобы избежать дальнейших возможных изменений цветовой температуры, CIE теперь определяет SPD напрямую на основе исходного (1931 г.) значения c ₂ : ^[1]

${\displaystyle S_{A}(\lambda )=100\left({\frac {560}{\lambda }}\right)^{5}{\frac {\exp {\frac {1.435\times 10^{7}}{2848\times 560}}-1}{\exp {\frac {1.435\times 10^{7}}{2848\lambda }}-1}}.}$

Коэффициенты были выбраны для достижения нормализованного SPD 100 при 560 нм . Значения тристимула ( X , Y , Z ) = (109,85, 100,00, 35,58) , а координаты цветности с использованием стандартного наблюдателя: ( x , y ) = (0,44758, 0,40745) .

Источники света B и C [ править ]

Источники света B и C легко моделируются при дневном свете. Они модифицируют источник света A, используя жидкостные фильтры. B служил представителем полуденного солнечного света с коррелированной цветовой температурой (CCT) 4874 K, в то время как C представлял средний дневной свет с CCT 6774 K. К сожалению, они плохо приближались к любой фазе естественного дневного света, особенно в коротковолновый видимый и ультрафиолетовый диапазоны спектра. После того, как стало возможным более реалистичное моделирование, осветители B и C были устаревшими в пользу серии D :. ^[1] Осветительные шкафы, такие как Spectralight III, в которых используются лампы накаливания с фильтром, лучше подходят для источников света D в диапазоне от 400 до 700 нм, чем люминесцентные имитаторы дневного света.^[5]

Источник света C не имеет статуса стандартных источников света CIE, но его относительное спектральное распределение мощности, значения цветности и координаты цветности приведены в Таблице Т.1 и Таблице Т.3, так как многие практические измерительные приборы и вычисления все еще используют этот источник света.

-  CIE, публикация 15: 2004 ^[6]

В 2004 году Illuminant B не удостоился такой чести.

Жидкостные фильтры, разработанные Рэймондом Дэвисом-младшим и Кассоном С. Гибсоном в 1931 году ^[7], имеют относительно высокое поглощение в красном конце спектра, эффективно увеличивая CCT лампы накаливания до дневного света. По своим функциям он похож на цветной гель CTO, который сегодня используют фотографы и кинематографисты, хотя и гораздо менее удобен.

В каждом фильтре используется пара растворов, содержащих определенные количества дистиллированной воды, сульфата меди , маннита , пиридина , серной кислоты , кобальта и сульфата аммония . Растворы разделены листом неокрашенного стекла. Количество ингредиентов тщательно подбирается так, чтобы их комбинация давала фильтр преобразования цветовой температуры; то есть отфильтрованный свет остается белым.

Осветитель серии D [ править ]

Производный Джадд, брущатка, и Wyszecki, ^[8] в D серия из осветительных приборов построены для представления естественного дневного света. Их сложно создать искусственно, но их легко описать математически.

HW Budde из Национального исследовательского совета Канады в Оттаве , HR Кондит и Ф. Грум из Eastman Kodak Company в Рочестере, штат Нью-Йорк , ^[9], а также ST Хендерсон и Д. Ходжкисс из Thorn Electrical Industries в Энфилде ^[10] независимо друг от друга измерили спектральное распределение мощности (SPD) дневного света от 330 нм до 700 нм , всего из них 622 образца. Джадд и др. проанализировали эти образцы и обнаружили, что координаты цветности ( x , y ) имеют простую квадратичную зависимость:

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

Саймондс руководил анализом характеристических векторов SPD. ^{[11] [12]} Применение его метода показало, что SPD могут быть удовлетворительно аппроксимированы с помощью среднего (S ₀ ) и первых двух характеристических векторов (S ₁ и S ₂ ):

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

Проще говоря, SPD исследуемых образцов дневного света можно выразить как линейную комбинацию трех фиксированных SPD. Первый вектор (S ₀ ) - это среднее значение всех выборок SPD, которое является наилучшим воссозданным SPD, которое может быть сформировано только с фиксированным вектором. Второй вектор (S ₁ ) соответствует желто-синему изменению, учитывая изменения коррелированной цветовой температуры из-за наличия или отсутствия облаков или прямого солнечного света. ^[8] Третий вектор (S ₂ ) соответствует розово-зеленому изменению, вызванному присутствием воды в виде пара и дымки. ^[8]

Чтобы построить имитатор дневного света для конкретной коррелированной цветовой температуры, нужно просто знать коэффициенты M ₁ и M ₂ характеристических векторов S ₁ и S ₂ .

Выражая цветности x и y как:

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

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

и используя известные значения тристимула для средних векторов, они смогли выразить M ₁ и M ₂ следующим образом:

${\displaystyle M_{1}={\frac {-1.3515-1.7703x+5.9114y}{0.0241+0.2562x-0.7341y}},}$

${\displaystyle M_{2}={\frac {0.0300-31.4424x+30.0717y}{0.0241+0.2562x-0.7341y}}.}$

Единственная проблема в том, что это оставило нерешенным вычисление координаты для определенной фазы дневного света. Джадд и др. просто табулировали значения определенных координат цветности, соответствующих обычно используемым коррелированным цветовым температурам, таким как 5500 K, 6500 K и 7500 K. Для других цветовых температур можно было обратиться к цифрам, сделанным Келли. ^[13] Эта проблема была рассмотрена в отчете CIE, который формализовал источник света D с аппроксимацией координаты x в терминах обратной цветовой температуры, действительной от 4000 K до 25000 K. ^[14] Координата y тривиально вытекала из квадратичного уравнения Джадда. связь.${\displaystyle (x,y)}$

Джадд и др. затем расширили восстановленные СОП до 300 нм - 330 нм и 700 нм - 830 нм , используя спектральные данные оптической плотности лунные атмосферы Земли. ^[15]

Табличные значения SPD, представленные сегодня CIE, получены путем линейной интерполяции данных 10 нм с точностью до 5 нм . ^[16]

Подобные исследования проводились в других частях мира или повторяются Judd et al. s анализ современными вычислительными методами. В некоторых из этих исследований локус дневного света заметно ближе к планковскому локусу, чем в Judd et al. ^{[17] [18]}

Локус дневного света в CIE 1960 UCS. Изотермы перпендикулярны планковскому локусу. Два участка дневного локуса, от 4000–7000 К и 7000–25000 К, обозначены цветом. Обратите внимание, что два локуса разделены довольно равномерным расстоянием, примерно .${\displaystyle \Delta _{uv}=0.003}$

Вычисление

Относительное спектральное распределение мощности (СПД) из серии D осветителя может быть получен из его координат цветности в цветовом пространстве CIE 1931 , : ^[19]${\displaystyle S_{D}(\lambda )}$${\displaystyle (x_{D},y_{D})}$

${\displaystyle x_{D}={\begin{cases}0.244063+0.09911{\frac {10^{3}}{T}}+2.9678{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-4.6070{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&4000\ \mathrm {K} \leq T\leq 7000\ \ \mathrm {K} \\0.237040+0.24748{\frac {10^{3}}{T}}+1.9018{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-2.0064{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&7000\ \mathrm {K} <T\leq 25000\ \mathrm {K} \end{cases}}}$

${\displaystyle y_{D}=-3.000x_{D}^{2}+2.870x_{D}-0.275}$

где T - CCT источника света. Считается, что координаты цветности Источников D образуют Локус дневного света CIE . Относительное SPD определяется как:

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

${\displaystyle M_{1}=(-1.3515-1.7703x_{D}+5.9114y_{D})/M,}$

${\displaystyle M_{2}=(0.03000-31.4424x_{D}+30.0717y_{D})/M,}$

${\displaystyle M=0.0241+0.2562x_{D}-0.7341y_{D}}$

где - среднее значение и первые два собственных вектора SPD, изображенные выше. ^[19] Оба характеристических вектора имеют ноль на 560 нм , так как все относительные SPD были нормализованы относительно этой точки.${\displaystyle S_{0}(\lambda ),S_{1}(\lambda ),S_{2}(\lambda )}$

CCT канонических источников света, D ₅₀ , D ₅₅ , D ₆₅ и D ₇₅ , немного отличаются от того, что предполагают их названия. Например, для D50 CCT составляет 5003 K (свет "горизонт"), а для D65 - цветовая температура 6504 K (полуденный свет). Как объяснялось в предыдущем разделе, это связано с тем, что значение констант в законе Планка было немного изменено с момента определения этих канонических источников света, SPD которых основаны на исходных значениях в законе Планка. Чтобы соответствовать всем значащим цифрам опубликованных данных канонических источников света, значения M ₁ и M ₂ должны быть округлены до трех десятичных знаков перед вычислением S _D.. ^[1]

Illuminant E [ править ]

Illuminant E - излучатель равной энергии; он имеет постоянное SPD в видимом спектре . Это полезно в качестве теоретического справочника; источник света, который придает одинаковый вес всем длинам волн и имеет равномерный цвет. Он также имеет равные значения цветности CIE XYZ , поэтому его координаты цветности (x, y) = (1 / 3,1 / 3). Это сделано намеренно; функции согласования цветов XYZ нормализованы таким образом, что их интегралы по видимому спектру совпадают. ^[1]

Источник света E не является черным телом, поэтому у него нет цветовой температуры, но он может быть приближен к источнику света серии D с CCT 5455 K. (Из канонических источников света наиболее близким является D ₅₅ ). Производители иногда сравнивают источники света против источника света E для расчета чистоты возбуждения . ^[20]

Осветитель серии F [ править ]

Источники света серии F представляют собой различные типы люминесцентного освещения .

«Стандартные» люминесцентные лампы F1 – F6 состоят из двух полуширокополосных излучений активаций сурьмы и марганца в галофосфатном люминофоре кальция . ^[21] F4 представляет особый интерес, поскольку он использовался для калибровки индекса цветопередачи CIE (формула CRI была выбрана таким образом, чтобы F4 имел CRI 51). F7 – F9 - это «широкополосные» ( полный спектр света ) люминесцентные лампы с несколькими люминофорами и более высокими индексами цветопередачи. Наконец, F10 – F12 - это узкополосные источники света, состоящие из трех «узкополосных» излучений (вызванных тройным составом редкоземельных люминофоров) в R, G, B областях видимого спектра. Вес люминофора можно регулировать для достижения желаемой цветовой температуры.

Спектры этих источников света опубликованы в Публикации 15: 2004. ^{[6] [22]}

• FL 1–6 : Стандарт

• FL 7–9 : широкополосный доступ

• FL 10–12 : узкополосный

Светодиодный светильник серии [ править ]

Публикация 15: 2018 представляет новые источники света для различных типов светодиодов с CCT от прибл. От 2700 К до 6600 К.

Белая точка [ править ]

Спектр стандартного источника света, как и любой другой профиль света, может быть преобразован в трехцветные значения . Набор из трех трехцветных координат источника света называется белой точкой . Если профиль нормализован , то белая точка может быть эквивалентно выражена как пара координат цветности .

Если изображение записано в трехцветных координатах (или в значениях, которые могут быть преобразованы в них и из них), то белая точка используемого источника света дает максимальное значение трехцветных координат, которое будет записано в любой точке изображения в отсутствие флуоресценции . Это называется белой точкой изображения.

Процесс вычисления точки белого отбрасывает большую часть информации о профиле источника света, поэтому, хотя верно то, что для каждого источника света можно вычислить точную точку белого, это не тот случай, когда зная точку белого света Само по себе изображение многое расскажет об источнике света, который использовался для его записи.

Белые точки стандартных источников света [ править ]

Список стандартизированных источников света, их координаты цветности (x, y) CIE идеально отражающего (или пропускающего) диффузора и их коррелированные цветовые температуры (CCT) приведены ниже. Координаты цветности CIE приведены как для поля зрения 2 градуса (1931 г.), так и поля зрения 10 градусов (1964 г.). Образцы цвета представляют оттенок и RGB каждой точки белого, рассчитанные с яркостью Y = 0,54 и стандартным наблюдателем, предполагая правильную калибровку дисплея sRGB . ^[23]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Избранные колориметрические таблицы в Excel , опубликованные в CIE 15: 2004
• Konica Minolta Sensing: источники света и осветительные приборы