Стандартный источник света — это теоретический источник видимого света с опубликованным спектральным распределением мощности . Стандартные источники света обеспечивают основу для сравнения изображений или цветов, записанных при различном освещении.
Международная комиссия по освещению (обычно сокращенно CIE по французскому названию) — это орган, ответственный за публикацию всех известных стандартных источников света. Каждый из них обозначен буквой или комбинацией букв и цифр.
Источники света A, B и C были введены в 1931 году с намерением соответственно представлять средний свет лампы накаливания, прямой солнечный свет и средний дневной свет. Источники света D (1967) представляют вариации дневного света, источник света E — источник света с равной энергией, а источники света F (2004) представляют люминесцентные лампы различного состава.
Существуют инструкции о том, как экспериментально изготавливать источники света («стандартные источники»), соответствующие старым источникам света. Для относительно новых источников (таких как серия D) экспериментаторам остается только измерить профили своих источников и сравнить их с опубликованными спектрами: [1]
В настоящее время не рекомендуется использовать искусственный источник для реализации стандартного источника света CIE D65 или любого другого источника света D с другой цветовой температурой CCT. Есть надежда, что новые разработки в области источников света и фильтров в конечном итоге предоставят 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 меру, называемую индексом метамеризма , для оценки качества имитаторов дневного света. [2] [3] Индекс метамеризма проверяет, насколько хорошо пять наборов метамерных образцов соответствуют тестовому и эталонному источнику света. Аналогично индексу цветопередачи , вычисляется средняя разница между метамерами. [4]
CIE определяет источник света А следующим образом:
Стандартный источник света CIE A предназначен для представления типичного бытового освещения с вольфрамовой нитью накаливания. Его относительное спектральное распределение мощности соответствует планковскому излучателю при температуре около 2856 К. Стандартный источник света CIE A следует использовать во всех приложениях колориметрии, включающих использование ламп накаливания, если только нет особых причин для использования другого источника света.
— CIE, Стандартные источники света CIE для колориметрии
Спектральная светимость черного тела подчиняется закону Планка :
Во время стандартизации источника света A оба (что не влияет на относительную 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, когда источник света A был стандартизирован). Эта разница сместила планковское место точек , изменив цветовую температуру источника света с номинальных 2848 К до 2856 К:
Чтобы избежать дальнейших возможных изменений цветовой температуры, CIE теперь определяет SPD напрямую, основываясь на первоначальном (1931) значении c 2 : [1]
Коэффициенты были выбраны для достижения нормализованного SPD 100 при 560 нм . Значения трехцветного цвета составляют ( X , Y , Z ) = (109,85, 100,00, 35,58) , а координаты цветности с использованием стандартного наблюдателя составляют ( x , y ) = (0,44758, 0,40745) .
Источники света B и C — это легко достижимые имитации дневного света. Они изменяют источник света A с помощью жидких фильтров. Источник света B служил представителем полуденного солнечного света с коррелированной цветовой температурой (CCT) 4874 K, тогда как C представлял средний дневной свет с CCT 6774 K. К сожалению, они являются плохими приближениями любой фазы естественного дневного света, особенно в коротковолновом видимом и ультрафиолетовом спектральных диапазонах. Как только стало возможным более реалистичное моделирование, источники света B и C были заменены серией D. [1]
Источник света C не имеет статуса стандартного источника света CIE, но его относительное распределение спектральной мощности, трехцветные значения и координаты цветности приведены в Таблице T.1 и Таблице T.3, поскольку во многих практических измерительных приборах и расчетах по-прежнему используется этот источник света.
— CIE, публикация 15:2004 [5]
В 2004 году осветитель B не был столь отмечен.
Жидкостные фильтры, разработанные Рэймондом Дэвисом-младшим и Кассоном С. Гибсоном в 1931 году [6], имеют относительно высокую поглощательную способность на красном конце спектра, эффективно увеличивая КЦТ лампы накаливания до уровня дневного света. Это похоже по своей функции на цветной гель CTB , который фотографы и кинематографисты используют сегодня, хотя и гораздо менее удобно.
Каждый фильтр использует пару растворов, содержащих определенное количество дистиллированной воды, сульфата меди , маннита , пиридина , серной кислоты , кобальта и сульфата аммония . Растворы разделены листом неокрашенного стекла. Количества ингредиентов тщательно подобраны так, чтобы их сочетание давало фильтр преобразования цветовой температуры; то есть отфильтрованный свет по-прежнему белый.
Серия D осветительных приборов разработана для представления естественного дневного света и располагается вдоль локуса дневного света. Их трудно создать искусственно, но их легко охарактеризовать математически.
К 1964 году несколько спектральных распределений мощности (SPD) дневного света были измерены независимо друг от друга HW Budde из Национального исследовательского совета Канады в Оттаве , HR Condit и F. Grum из Eastman Kodak Company в Рочестере, штат Нью-Йорк , [7] и ST Henderson и D. Hodgkiss из Thorn Electrical Industries в Энфилде (север Лондона) , [8] в общей сложности 622 образца. Дин Б. Джадд , Дэвид МакАдам и Гюнтер Вышецкий проанализировали эти образцы и обнаружили, что координаты цветности ( x , y ) следовали простому квадратичному соотношению, позже известному как локус дневного света: [9]
Анализ характеристического вектора показал, что СПМ 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 ) является средним значением всех образцов SPD, что является наилучшим восстановленным SPD, который может быть сформирован только с фиксированным вектором. Второй вектор (S 1 ) соответствует желто-синей вариации (вдоль локуса), учитывая изменения в коррелированной цветовой температуре из-за пропорции непрямого и прямого солнечного света. [9] Третий вектор (S 2 ) соответствует розово-зеленой вариации (поперек локуса), вызванной 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 расширили восстановленные SPD до 300 нм – 330 нм и 700 нм – 830 нм , используя данные о спектральном поглощении Луны атмосферой Земли. [14] Табличные SPD, представленные CIE сегодня, получены путем линейной интерполяции данных 10 нм , уменьшенных до 5 нм . [15] Однако есть предложение использовать вместо этого сплайн-интерполяцию . [16]
Похожие исследования были проведены в других частях света или повторили анализ Джадда и др. с использованием современных вычислительных методов. В нескольких из этих исследований дневной локус заметно ближе к планковскому локусу, чем у Джадда и др. [17] [18]
CIE позиционирует D65 как стандартный источник дневного света:
[D65] предназначен для представления среднего дневного света и имеет коррелированную цветовую температуру приблизительно 6500 К. Стандартный источник света CIE D65 следует использовать во всех колориметрических расчетах, требующих репрезентативного дневного света, если только нет особых причин для использования другого источника света. Известно, что происходят изменения в относительном распределении спектральной мощности дневного света, особенно в ультрафиолетовой области спектра, в зависимости от сезона, времени суток и географического положения.
— ISO 10526:1999/CIE S005/E-1998, Стандартные источники света CIE для колориметрии [19]
Относительное спектральное распределение мощности (SPD) осветительного прибора серии D можно вывести из его координат цветности в цветовом пространстве CIE 1931. [20] Сначала необходимо определить координаты цветности:
где T — цветовая температура источника света. Обратите внимание, что цветовая температура канонических источников света D 50 , D 55 , D 65 и D 75 немного отличается от того, что следует из их названий. Например, D50 имеет цветовую температуру 5003 K («горизонтальный» свет), а D65 имеет цветовую температуру 6504 K (полуденный свет). Это связано с тем, что значения констант в законе Планка были немного изменены с момента определения этих канонических источников света, чьи SPD основаны на исходных значениях в законе Планка. [1] Такое же расхождение применимо ко всем источникам света в серии D — D 50 , D 55 , D 65 , D 75 — и может быть «исправлено» путем умножения номинальной цветовой температуры на ; например, для D 65 .
Для определения СПД серии D (S D ), 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. [20] Оба характеристических вектора имеют ноль при 560 нм , поскольку все относительные SPD были нормализованы относительно этой точки. Для того чтобы сопоставить все значимые цифры опубликованных данных канонических источников света, значения M 1 и M 2 должны быть округлены до трех десятичных знаков перед расчетом SD . [ 1]
При использовании стандартного 2° наблюдателя координаты цветности цветового пространства CIE 1931 D65 равны [21]
и трехцветные значения XYZ (нормализованные к Y = 100 ), являются
Для дополнительного наблюдателя 10° , [ требуется ссылка ]
и соответствующие трехцветные значения XYZ равны
Поскольку D65 представляет белый свет, его координаты также являются белой точкой , соответствующей коррелированной цветовой температуре 6504 К. Rec. 709 , используемый в системах HDTV , усекает координаты CIE 1931 до x=0,3127, y=0,329.
Нет никаких реальных источников дневного света, только имитаторы. Создание практического источника света, который имитирует осветительный прибор серии D, является сложной проблемой. Хроматичность можно просто воспроизвести, взяв известный источник света и применив фильтры, такие как Spectralight III, который использовал фильтрованные лампы накаливания. [22] Однако SPD этих источников отклоняются от SPD серии D, что приводит к плохим показателям по индексу метамерии CIE . [23] [24] Лучшие источники были достигнуты в 2010-х годах с использованием покрытых люминофором белых светодиодов , которые могут легко имитировать осветительные приборы A, D и E с высоким CRI. [25]
Источник света E — это равноэнергетический излучатель; он имеет постоянную SPD внутри видимого спектра . Он полезен в качестве теоретического эталона; источник света, который придает одинаковый вес всем длинам волн. Он также имеет равные трехцветные значения CIE XYZ , поэтому его координаты цветности равны (x,y)=(1/3,1/3). Это сделано намеренно; функции цветового соответствия XYZ нормализованы таким образом, что их интегралы по видимому спектру одинаковы. [1]
Источник света E не является черным телом, поэтому у него нет цветовой температуры, но его можно аппроксимировать источником света серии D с цветовой температурой 5455 К. (Из канонических источников света D 55 является наиболее близким.) Производители иногда сравнивают источники света с источником света E, чтобы рассчитать чистоту возбуждения . [26]
Серия светильников F представляет собой различные типы люминесцентного освещения .
F1–F6 «стандартные» люминесцентные лампы состоят из двух полуширокополосных излучений активаций сурьмы и марганца в кальцийгалогенфосфатном люминофоре . [27] 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» ( полноспектральные ) люминесцентные лампы с несколькими люминофорами и более высокими CRI. Наконец, F10–F12 — это узкие трехполосные источники света, состоящие из трех «узкополосных» излучений (вызванных тройными композициями редкоземельных люминофоров) в областях R, G, B видимого спектра. Вес люминофора можно настраивать для достижения желаемого CCT.
Спектры этих источников света опубликованы в издании 15:2004. [5] [28]
В публикации 15:2018 представлены новые осветительные приборы для различных типов белых светодиодов с КЦТ в диапазоне приблизительно от 2700 К до 6600 К.
LED-B1 — B5 определяют светодиоды с синим светом, преобразованным фосфором. LED-BH1 определяет смесь синего света, преобразованного фосфором, и красного светодиода. LED-RGB1 определяет белый свет, создаваемый трехцветной светодиодной смесью. LED-V1 и V2 определяют светодиоды с фиолетовым светом, преобразованным фосфором.
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 координатах трехцветного цвета (или в значениях, которые можно преобразовать в них и из них), то белая точка используемого источника света дает максимальное значение координат трехцветного цвета, которое будет записано в любой точке изображения при отсутствии флуоресценции . Она называется белой точкой изображения.
Процесс расчета точки белого исключает значительную часть информации о профиле источника света, и хотя верно, что для каждого источника света можно рассчитать точную точку белого, знание только точки белого изображения не скажет вам многого 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 в 2 градуса (1931), так и для поля зрения в 10 градусов (1964). [29] Образцы цвета представляют цвет каждой белой точки, автоматически рассчитанный Википедией с использованием шаблона цветовой температуры .
Предоставляется 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 в линейку источников света, к которым может быть применен этот метод. Для каждого из этих стандартных источников света предоставляются данные о спектральном коэффициенте яркости для пяти пар нефлуоресцентных образцов, которые являются метамерными соответствиями. Колориметрические различия пяти пар вычисляются для тестового источника света; среднее значение этих различий принимается за индекс метамерии видимого диапазона и используется в качестве меры качества тестового источника света в качестве имитатора для нефлуоресцентных образцов. Для флуоресцентных образцов качество дополнительно оценивается с точки зрения индекса метамерии в ультрафиолетовом диапазоне, определяемого как среднее значение колориметрических разностей, вычисленных с помощью тестового источника света для трех дополнительных пар образцов, каждая пара которых состоит из флуоресцентного и нефлуоресцентного образца, которые являются метамерными при стандартном источнике света.
Позднее функции
S
0
(
λ
),
S
1
(
λ
) и
S
2
(
λ
) были линейно интерполированы с шагом 5 нм, а для еще более мелкого размера шага также была рекомендована линейная интерполяция.
Полученные значения цветности оказались гораздо ближе к полному геометрическому месту излучателя, чем ранее опубликованные значения, полученные в северном полушарии.
Предоставляется 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 в линейку источников света, к которым может быть применен этот метод. Для каждого из этих стандартных источников света предоставляются данные о спектральном коэффициенте яркости для пяти пар нефлуоресцентных образцов, которые являются метамерными соответствиями. Колориметрические различия пяти пар вычисляются для тестового источника света; среднее значение этих различий принимается за индекс метамерии видимого диапазона и используется в качестве меры качества тестового источника света в качестве имитатора для нефлуоресцентных образцов. Для флуоресцентных образцов качество дополнительно оценивается с точки зрения индекса метамерии в ультрафиолетовом диапазоне, определяемого как среднее значение колориметрических разностей, вычисленных с помощью тестового источника света для трех дополнительных пар образцов, каждая пара которых состоит из флуоресцентного и нефлуоресцентного образца, которые являются метамерными при стандартном источнике света.
CIE определила цветовые координаты нескольких различных белых источников света, но в Lumileds для всех цветовых расчетов используется источник света E CIE.
стандартно, что эталонный белый цвет соответствует свету, имеющему спектральные и/или колориметрические свойства источника света CIE D65 (за исключением Японии, где эталонный белый цвет составляет 9300 К).
Японии цветность студийных мониторов настроена на D-белый при 9 300 К.
«D93: D93は9,305 K色温度であり、日本におけるモニタの基準白色として使用されている。» [D93 представляет цветовую температуру 9305 К, и это эталон белого цвета, используемый для мониторов в Японии.]