Стандартный источник света — это теоретический источник видимого света с опубликованным спектральным распределением мощности . Стандартные источники света служат основой для сравнения изображений или цветов, записанных при разном освещении.
Международная комиссия по освещению (обычно сокращенно CIE по французскому названию) является органом, ответственным за публикацию всех известных стандартных источников света. Каждый из них известен по букве или по буквенно-цифровой комбинации.
Источники света A, B и C были представлены в 1931 году с намерением соответственно представить средний свет ламп накаливания, прямой солнечный свет и средний дневной свет. Источники света D (1967) представляют собой вариации дневного света, источник света E представляет собой источник света равной энергии, а источники света F (2004) представляют собой люминесцентные лампы различного состава.
Есть инструкции, как экспериментально изготовить источники света («стандартные источники»), соответствующие старым осветительным приборам. Что касается относительно новых источников (таких как серия D), экспериментаторам приходится измерять профили своих источников и сравнивать их с опубликованными спектрами: [1]
В настоящее время не рекомендуется использовать какой-либо искусственный источник для освещения стандарта CIE D65 или любого другого источника света D с другой CCT. Есть надежда, что новые разработки в области источников света и фильтров в конечном итоге дадут достаточную основу для рекомендации CIE.
- CIE, Технический отчет (2004 г.) Колориметрия, 3-е изд., Публикация 15:2004, Центральное бюро CIE, Вена.
Тем не менее, они предоставляют показатель, называемый индексом метамерии , для оценки качества симуляторов дневного света. [2] [3] Индекс метамерии проверяет, насколько хорошо пять наборов метамерных образцов соответствуют тестируемому и эталонному осветителю. Аналогично индексу цветопередачи рассчитывается средняя разница между метамерами. [4]
CIE определяет источник света А следующим образом:
Стандартный источник света CIE A предназначен для типичного бытового освещения с вольфрамовой нитью. Его относительное спектральное распределение мощности такое же, как у планковского излучателя при температуре примерно 2856 К. Стандартный источник света CIE A следует использовать во всех приложениях колориметрии, включающих использование ламп накаливания, если нет особых причин для использования другого источника света.
— CIE, Стандартные осветители CIE для колориметрии
Спектральная яркость излучения черного тела подчиняется закону Планка :
На момент стандартизации источника света А оба (что не влияет на относительную СПД) и были разными. В 1968 году оценка c 2 была пересмотрена с 0,01438 м·К до 0,014388 м·К (а до этого при стандартизации источника света А она составляла 0,01435 м·К). Эта разница сместила планковский локус , изменив цветовую температуру источника света с номинальных 2848 К до 2856 К:
Чтобы избежать дальнейших возможных изменений цветовой температуры, CIE теперь определяет SPD напрямую, на основе исходного (1931 г.) значения c 2 : [1]
Коэффициенты были выбраны для достижения нормализованного значения SPD, равного 100 при длине волны 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 легко моделируют дневной свет. Они модифицируют источник света А, используя жидкостные фильтры. B служила представителем полуденного солнечного света с коррелированной цветовой температурой (CCT) 4874 K, тогда как C представляла средний дневной свет с CCT 6774 K. К сожалению, они плохо аппроксимируют любую фазу естественного дневного света, особенно в коротковолновый видимый и ультрафиолетовый диапазоны спектра. Как только стало возможным более реалистичное моделирование, источники света B и C были заменены серией D. [1]
Источник света C не имеет статуса стандартных источников света CIE, но его относительное спектральное распределение мощности, трехцветные значения и координаты цветности приведены в таблице T.1 и таблице T.3, поскольку во многих практических измерительных приборах и вычислениях до сих пор используется этот источник света.
- CIE, Публикация 15:2004 [5]
В 2004 году источник света B не был удостоен такой чести.
Жидкостные фильтры, разработанные Рэймондом Дэвисом-младшим и Кассоном С. Гибсоном в 1931 году [6] , имеют относительно высокое поглощение в красном конце спектра, эффективно увеличивая ЦКТ лампы накаливания до уровня дневного света. По функциям он похож на цветной гель CTB , который сегодня используют фотографы и кинематографисты, хотя и гораздо менее удобен.
В каждом фильтре используется пара растворов, содержащих определенное количество дистиллированной воды, сульфата меди , маннита , пиридина , серной кислоты , кобальта и сульфата аммония . Растворы разделены листом неокрашенного стекла. Количества ингредиентов тщательно выбираются таким образом, чтобы их комбинация давала фильтр преобразования цветовой температуры; то есть отфильтрованный свет по-прежнему остается белым.
Серия светильников D разработана для отражения естественного дневного света и расположена вдоль локуса дневного света . Их трудно получить искусственно, но легко охарактеризовать математически.
К 1964 году несколько спектральных распределений мощности (SPD) дневного света были измерены независимо Х. В. Баддом из Национального исследовательского совета Канады в Оттаве , Х. Р. Кондитом и Ф. Грумом из компании Eastman Kodak в Рочестере, штат Нью-Йорк , [7] и С.Т. Хендерсон и Д. Ходжкисс из Thorn Electrical Industries в Энфилде (северный Лондон) [8] , в общей сложности среди них 622 образца. Дин Б. Джадд , Дэвид Макадам и Гюнтер Вышекки проанализировали эти образцы и обнаружили, что координаты цветности ( x , y ) подчиняются простому квадратичному соотношению, позже известному как локус дневного света: [9]
Анализ характеристических векторов показал, что SPD могут быть удовлетворительно аппроксимированы с использованием среднего значения (S 0 ) и первых двух характеристических векторов (S 1 и S 2 ): [10] [11]
Проще говоря, SPD изученных образцов дневного света можно выразить как линейную комбинацию трех фиксированных SPD. Первый вектор (S 0 ) представляет собой среднее значение всех выборок SPD, которое представляет собой наилучший восстановленный SPD, который можно сформировать только с помощью фиксированного вектора. Второй вектор (S 1 ) соответствует желто-синей вариации (вдоль локуса), учитывающей изменения коррелированной цветовой температуры за счет соотношения непрямого и прямого солнечного света. [9] Третий вектор (S 2 ) соответствует розово-зеленому варианту (по локусу), вызванному присутствием воды в виде пара и дымки. [9]
К тому времени, когда D-серия была формализована CIE, [12] было включено вычисление цветности для конкретной изотермы. [13] Джадд и др. затем расширил восстановленные SPD до 300–330 нм и 700–830 нм , используя данные спектрального поглощения Луны в атмосфере Земли. [14] Табличные значения SPD, представленные сегодня CIE, получены путем линейной интерполяции данных для длины волны 10 нм до 5 нм . [15]
Подобные исследования были предприняты в других частях мира или повторили Джадда и др.' анализ с использованием современных вычислительных методов. В некоторых из этих исследований локус дневного света заметно ближе к планковскому локусу, чем у Джадда и др. [16] [17]
Относительное спектральное распределение мощности (SPD) источника света серии D можно получить из его координат цветности в цветовом пространстве CIE 1931 . [18] Сначала необходимо определить координаты цветности:
где T — CCT источника света. Обратите внимание, что CCT канонических источников света D 50 , D 55 , D 65 и D 75 немного отличаются от того, что следует из их названий. Например, D50 имеет CCT 5003 К («горизонтный» свет), а D65 имеет CCT 6504 K (дневной свет). Как объяснялось в предыдущем разделе, это связано с тем, что значения констант в законе Планка были немного изменены со времени определения этих канонических источников света, чьи значения SPD основаны на исходных значениях закона Планка. Для определения СПД D-серии (SD ) , соответствующего этим координатам, определяются коэффициенты M 1 и M 2 характеристических векторов S 1 и S 2 :
где среднее значение и первые два собственных вектора SPD, изображенные на рисунке. [18] Оба характеристических вектора имеют ноль при 560 нм , поскольку все относительные SPD были нормализованы относительно этой точки. Для соответствия всем значащим цифрам опубликованных данных канонических источников света значения M 1 и M 2 перед расчетом SD необходимо округлить до трех десятичных знаков . [1]
Создание практичного источника света, имитирующего осветительный прибор серии D, является сложной задачей. Цветность можно воспроизвести, просто взяв хорошо известный источник света и применив фильтры, такие как Spectralight III, в которых используются лампы накаливания с фильтром. [19] Однако SPD этих источников отличаются от SPD серии D, что приводит к низкому индексу цветопередачи (CRI). Лучшие источники были достигнуты в 2010-х годах с помощью белых светодиодов с люминофорным покрытием , которые могут легко имитировать источники света A, D и E с высоким индексом цветопередачи. [20]
Источник света E — излучатель равной энергии; он имеет постоянную СПД внутри видимого спектра . Это полезно в качестве теоретического справочника; источник света, который придает равный вес всем длинам волн. Он также имеет равные значения тристимула CIE XYZ , поэтому его координаты цветности: (x,y) = (1/3,1/3). Это сделано намеренно; функции сопоставления цветов XYZ нормализованы таким образом, что их интегралы по видимому спектру одинаковы. [1]
Осветитель Е не является черным телом, поэтому не имеет цветовой температуры, но его можно аппроксимировать осветителем серии D с ЦТТ 5455 К. (Из канонических осветителей наиболее близким является D 55. ) Производители иногда сравнивают. источники света относительно источника света E для расчета чистоты возбуждения . [21]
Серия светильников F представляет собой различные типы люминесцентного освещения .
«Стандартные» люминесцентные лампы F1–F6 состоят из двух полуширокополосных излучений активации сурьмы и марганца в люминофоре галофосфата кальция . [22] 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 высоким индексом цветопередачи. Наконец, F10–F12 представляют собой узкие трехдиапазонные источники света, состоящие из трех «узкополосных» излучений (вызванных тройными составами редкоземельных люминофоров) в областях R, G, B видимого спектра. Вес люминофора можно настроить для достижения желаемой CCT.
Спектры этих источников света опубликованы в Публикации 15:2004. [5] [23]
Публикация 15:2018 представляет новые источники света для различных типов белых светодиодов с CCT в диапазоне от прибл. от 2700 К до 6600 К.
LED-B1–B5 определяют светодиоды с синим светом, преобразованным люминофором. LED-BH1 представляет собой смесь преобразованного люминофором синего и красного светодиода. LED-RGB1 определяет белый свет, создаваемый трехцветной светодиодной смесью. LED-V1 и V2 определяют светодиоды с фиолетовым светом, преобразованным люминофором.
Спектр стандартного источника света, как и любой другой профиль света, можно преобразовать в трехстимульные значения . Набор из трех трехцветных координат источника света называется белой точкой . Если профиль нормализован , то точка белого может быть эквивалентно выражена как пара координат цветности .
Если изображение записано в трехстимульных координатах (или в значениях, которые можно преобразовать в них и обратно), то точка белого используемого источника света дает максимальное значение трехстимульных координат, которое будет записано в любой точке изображения, в отсутствие флуоресценции . Она называется белой точкой изображения.
Процесс расчета точки белого отбрасывает большую часть информации о профиле источника света, поэтому, хотя верно, что для каждого источника света можно вычислить точную точку белого, это не тот случай, когда знание точки белого источника света Одно только изображение многое расскажет вам об источнике света, который использовался для его записи.
Список стандартизированных источников света, их координаты цветности CIE (x,y) идеально отражающего (или пропускающего) рассеивателя и их коррелированные цветовые температуры (CCT) приведены ниже. Координаты цветности CIE даны как для поля зрения 2 градуса (1931 г.), так и для поля зрения 10 градусов (1964 г.). [24] Образцы цвета представляют цвет каждой точки белого, автоматически рассчитываемый Википедией с использованием шаблона цветовой температуры .
Представлен метод оценки пригодности тестового источника в качестве имитатора стандартных источников света CIE D55, D65 или D75. Дополнение, подготовленное в 1999 году, добавляет источник света CIE D50 к линейке источников света, к которым может быть применен этот метод. Для каждого из этих стандартных источников света данные спектрального коэффициента яркости предоставляются для пяти пар нефлуоресцентных образцов, которые соответствуют метамерам. Колориметрические различия пяти пар рассчитываются для тестового источника света; среднее значение этих разностей принимается за индекс метамерии видимого диапазона и используется как мера качества тестируемого источника света в качестве имитатора для нефлуоресцентных образцов. Для флуоресцентных образцов качество дополнительно оценивается с точки зрения индекса метамерии ультрафиолетового диапазона, определяемого как среднее колориметрических различий, вычисленных с помощью тестируемого источника света для трех дополнительных пар образцов, каждая пара состоит из флуоресцентного и нефлуоресцентного образца, которые метамерный под стандартный источник света.
Было обнаружено, что полученные значения цветности намного ближе к полному локусу излучателя, чем опубликованные ранее, полученные в северном полушарии.
CIE определил цветовые координаты нескольких различных белых источников света, но в Lumileds для всех расчетов цвета используется источник CIE E.