Standard ljuskälla

Relativa spektrala effektfördelningar (SPD) för CIE-belysningsämnen A, B och C från 380 nm till 780 nm .

En standardljuskälla är en teoretisk källa för synligt ljus med en spektral effektfördelning som publiceras. Standardljuskällor ger en grund för att jämföra bilder eller färger inspelade under olika belysning.

CIE belysningskällor

International Commission on Illumination (vanligtvis förkortat CIE för dess franska namn) är det organ som ansvarar för att publicera alla välkända standardbelysningskällor. Var och en av dessa är känd med en bokstav eller en kombination av bokstav och siffra.

Belysningsmedlen A, B och C introducerades 1931, med avsikten att representera genomsnittligt glödljus, direkt solljus och genomsnittligt dagsljus. Ljuskällorna D representerar variationer av dagsljus, belysningskällan E är ljuskällan med samma energi, medan belysningsämnena F representerar lysrör med olika sammansättning.

Det finns instruktioner om hur man experimentellt framställer ljuskällor ("standardkällor") motsvarande de äldre ljuskällorna. För de relativt nyare (som serie D) får experimentörer mäta till profiler för sina källor och jämföra dem med de publicerade spektra:

För närvarande rekommenderas ingen artificiell källa för att realisera CIE-standardljuskällan D65 eller någon annan belysningskälla D från olika CCT. Förhoppningen är att nya utvecklingar inom ljuskällor och filter så småningom kommer att ge tillräcklig grund för en CIE-rekommendation.

— CIE, Technical Report (2004) Colorimetry, 3:e upplagan, publikation 15:2004, CIE Central Bureau, Wien

Ändå tillhandahåller de ett mått, kallat metamerism index , för att bedöma kvaliteten på dagsljussimulatorer. Metamerism och referensljuskällan. På ett sätt som liknar färgåtergivningsindexet beräknas den genomsnittliga skillnaden mellan metamererna.

Ljuskälla A

CIE definierar ljuskälla A i dessa termer:

CIE-standardbelysning A är avsedd att representera typisk inhemsk belysning av volframglödtråd. Dess relativa spektrala effektfördelning är den för en Planckian-radiator vid en temperatur på cirka 2856 K. CIE-standardljuskälla A bör användas i alla tillämpningar av kolorimetri som involverar användning av glödlampsbelysning, såvida det inte finns särskilda skäl för att använda en annan ljuskälla.

— CIE, CIE standardljuskällor för kolorimetri

Den spektrala strålningsexitansen från en svart kropp följer Plancks lag :

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

Vid tidpunkten för standardisering av belysningskälla A, både $c_{1}=2\pi \cdot h\cdot c^{2}$ (vilket inte påverkar den relativa SPD) och $c_{2}=h\cdot c/k$ var olika. 1968 reviderades uppskattningen av c _{2 från 0,01438 m·K till 0,014388 m·K (och innan dess var den 0,01435 m·K när belysningskälla A standardiserades).} Denna skillnad skiftade det Planckiska lokuset och ändrade färgtemperaturen för ljuskällan från dess nominella 2848 K till 2856 K:

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

För att undvika ytterligare möjliga förändringar i färgtemperaturen specificerar CIE nu SPD direkt, baserat på det ursprungliga (1931) värdet på c ₂ :

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

Koefficienterna har valts ut för att uppnå en normaliserad SPD på 100 vid 560 nm . Tristimulusvärdena är ( X , Y , Z ) = (109,85, 100,00, 35,58) , och kromaticitetskoordinaterna med användning av standardobservatören är ( x , y ) = (0,44758, 0,40745) .

Ljuskällorna B och C

Belysningskällorna B och C är lätta att uppnå dagsljussimuleringar. De modifierar ljuskälla A genom att använda vätskefilter. B fungerade som en representant för middagssolljus, med en korrelerad färgtemperatur (CCT) på 4874 K, medan C representerade genomsnittligt dagsljus med en CCT på 6774 K. Tyvärr är de dåliga approximationer av alla faser av naturligt dagsljus, särskilt i synliga kortvågor och i de ultravioletta spektralområdena. När mer realistiska simuleringar var möjliga, förkastades ljuskällorna B och C till förmån för D-serien:. Belysningsskåp, som Spectralight III, som använder filtrerade glödlampor har bättre passform till D-ljuskällorna i intervallet 400 nm till 700 nm än de fluorescerande dagsljussimulatorerna.

Ljuskälla C har inte status som CIE-standardljuskällor men dess relativa spektrala effektfördelning, tristimulusvärden och kromaticitetskoordinater anges i tabell T.1 och tabell T.3, eftersom många praktiska mätinstrument och beräkningar fortfarande använder denna belysningskälla.

— CIE, publikation 15:2004

Illuminant B blev inte så hedrad 2004.

Vätskefiltren, designade av Raymond Davis, Jr. och Kasson S. Gibson 1931, har en relativt hög absorbans i den röda änden av spektrumet, vilket effektivt ökar glödlampans CCT till dagsljusnivåer. Detta liknar sin funktion till en CTO- färggelé som fotografer och filmfotografer använder idag, om än mycket mindre bekväm.

Varje filter använder ett par lösningar som består av specifika mängder destillerat vatten, kopparsulfat , mannit , pyridin , svavelsyra , kobolt och ammoniumsulfat . Lösningarna separeras av en skiva av ofärgat glas. Mängderna av ingredienserna är noggrant utvalda så att deras kombination ger ett färgtemperaturkonverteringsfilter; det vill säga det filtrerade ljuset är fortfarande vitt.

Illuminant serie D

Se även: CIE Standard Illuminant D65

Relativ spektral effektfördelning av belysningskälla D och en svart kropp med samma korrelerade färgtemperatur (i rött), normaliserade omkring 560 nm .

Härledd av Judd, MacAdam och Wyszecki, är D -serien av ljuskällor konstruerade för att representera naturligt dagsljus. De är svåra att framställa på konstgjord väg, men är lätta att karakterisera matematiskt.

HW Budde från National Research Council of Canada i Ottawa , HR Condit och F. Grum från Eastman Kodak Company i Rochester, New York , och ST Henderson och D. Hodgkiss från Thorn Electrical Industries i Enfield hade oberoende mätt den spektrala kraftfördelningen ( SPD) av dagsljus från 330 nm till 700 nm , totalt 622 prover. Judd et al. analyserade dessa prover och fann att ( x , y ) kromaticitetskoordinaterna hade en enkel kvadratisk relation:

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

₀ Simonds övervakade den karakteristiska vektoranalysen av SPD:erna. Tillämpning av hans metod avslöjade att SPD:erna kunde approximeras på ett tillfredsställande sätt genom att använda medelvärdet (S ) och de två första karakteristiska vektorerna (S ₁ och S ₂ ):

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

₀ I enklare termer kan SPD för de studerade dagsljusproven uttryckas som den linjära kombinationen av tre fasta SPD. Den första vektorn (S ) är medelvärdet av alla SPD-prover, vilket är den bäst rekonstituerade SPD som kan bildas med endast en fixerad vektor. Den andra vektorn (S ₁ ) motsvarar gul–blå variation, vilket står för förändringar i den korrelerade färgtemperaturen på grund av närvaro eller frånvaro av moln eller direkt solljus. Den tredje vektorn (S ₂ ) motsvarar rosa-grön variation orsakad av närvaron av vatten i form av ånga och dis.

För att konstruera en dagsljussimulator för en speciell korrelerad färgtemperatur behöver man bara känna till koefficienterna M ₁ och M ₂ för de karakteristiska vektorerna S ₁ och S ₂ .

Karakteristiska vektorer för ljuskälla D; komponent SPD:er S0 (blå), S1 (grön), S2 (röd).

Uttrycker kromaticiteterna x och y som:

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

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

och genom att använda kända tristimulusvärden för medelvektorerna kunde de uttrycka M ₁ och M ₂ enligt följande:

Kellys figurer avbildade linjerna med konstant korrelerad färgtemperatur i uv-rymden på CIE 1960 UCS, som visas här, såväl som på det välbekanta xy-diagrammet.

$}$

$M_{1}={\frac {-1,3515-1,7703xy. y}$

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

Det enda problemet är att detta lämnade olöst beräkningen av koordinaten $(x,y)$ för en viss fas av dagsljus. Judd et al. helt enkelt tabulerade värdena för vissa kromaticitetskoordinater, motsvarande vanliga korrelerade färgtemperaturer, såsom 5500 K, 6500 K och 7500 K. För andra färgtemperaturer kan man konsultera figurer gjorda av Kelly. Detta problem togs upp i CIE-rapporten som formaliserade belysningskällan D, med en approximation av x-koordinaten i termer av den reciproka färgtemperaturen, giltig från 4000 K till 25000 K. Y-koordinaten följde trivialt från Judds kvadratiska relation.

Judd et al. utökade sedan de rekonstituerade SPD:erna till 300 nm – 330 nm och 700 nm – 830 nm genom att använda Månens spektrala absorbansdata för jordens atmosfär.

De tabellerade SPD:erna som presenteras av CIE idag är härledda genom linjär interpolation av 10 nm data som är nedsatta till 5 nm .

Liknande studier har genomförts i andra delar av världen, eller upprepade Judd et al.' s analys med moderna beräkningsmetoder. I flera av dessa studier är dagsljuslokuset anmärkningsvärt närmare det Planckiska lokuset än i Judd et al.

Dagsljusplats i CIE 1960 UCS. Isotermerna är vinkelräta mot det Planckiska lokuset. De två sektionerna av dagsljusplatsen, från 4000–7000 K och 7000–25000 K, är färgkodade. Observera att de två platserna är åtskilda av ett ganska jämnt avstånd, runt $\Delta _{uv}=0,003$ .

Beräkning

Den relativa spektrala effektfördelningen (SPD) $S_{D}(\lambda )$ för en ljuskälla i D-serien kan härledas från dess kromaticitetskoordinater i CIE 1931-färgrymden , $(x_{D},y_{D})$ :

${\displaystyle x_{D}={\begin{cases}0,244063+0,09911{\frac {10^{3}}{T}}+2,9678{\frac {10^{6}}{T^ {2}}}-4.6070{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&4000\ \mathrm {K} \leq T\leq 7000\ \ \mathrm {K} \\0.237040+0.24748 {\frac {10^{3}}{T}}+1,9018{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-2,0064{\frac {10^{9}}{T^{ 3}}}&7000\ \mathrm {K} <T\leq 25000\ \mathrm {K} \end{cases}}} y D = − 3,000 x$

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

där T är ljuskällans CCT. Kromaticitetskoordinaterna för belysningsämnena D sägs bilda CIE:s dagsljuslokus . Den relativa SPD ges av:

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

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

$\displaystyle M_{2}=(0,1402-0,1402 x_{D}+30,0717y_{D})/M,}$

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

där $S_{0}(\lambda),S_{1}(\lambda),S_{2}(\lambda)$ är medelvärdet och första två egenvektor -SPD:er, avbildade ovan. De karakteristiska vektorerna har båda en noll vid 560 nm , eftersom alla relativa SPD har normaliserats omkring denna punkt.

CCT för de kanoniska ljuskällorna, D ₅₀ , D ₅₅ , D ₆₅ och D ₇₅ , skiljer sig något från vad deras namn antyder. Till exempel har D50 en CCT på 5003 K ("horizon"-ljus), medan D65 har en CCT på 6504 K (middagsljus). Som förklarats i ett tidigare avsnitt beror detta på att värdet på konstanterna i Plancks lag har ändrats något sedan definitionen av dessa kanoniska ljuskällor, vars SPD:er är baserade på de ursprungliga värdena i Plancks lag. För att matcha alla signifikanta siffror i de publicerade data för de kanoniska ljuskällorna måste värdena för M ₁ och M ₂ avrundas till tre decimaler innan beräkning av S _D .

Illuminant E

Ljuskällan E är under det Planckiska lokuset och ungefär vid CCT av D ₅₅ .

Illuminant E är en radiator med lika energi; den har en konstant SPD inom det synliga spektrumet . Den är användbar som en teoretisk referens; en ljuskälla som ger lika stor vikt åt alla våglängder. Den har också lika CIE XYZ tristimulusvärden, så dess kromaticitetskoordinater är (x,y)=(1/3,1/3). Detta är designat; XYZ-färgmatchningsfunktionerna är normaliserade så att deras integraler över det synliga spektrumet är desamma.

Belysningskälla E är inte en svart kropp, så den har ingen färgtemperatur, men den kan uppskattas av en belysningskälla i D-serien med en CCT på 5455 K. (Av de kanoniska belysningsämnena är D 55 _närmast .) Tillverkare jämför ibland ljuskällor mot ljuskälla E för att beräkna excitationsrenheten .

Illuminant serie F

F - serien av ljuskällor representerar olika typer av lysrörsbelysning .

" lysrör består av två halvbredbandsutsläpp av antimon- och manganaktiveringar i kalciumhalofosfatfosfor . F4 är av särskilt intresse eftersom det användes för att kalibrera CIE- färgåtergivningsindex (CRI-formeln valdes så att F4 skulle ha en CRI på 51). F7–F9 är "bredbands" ( fullspektrumljus ) lysrör med flera fosforer och högre CRI. Slutligen är F10–F12 smala tribandsljuskällor som består av tre "smalbandiga" emissioner (orsakade av ternära sammansättningar av fosforer från sällsynta jordartsmetaller) i R,G,B-områdena i det synliga spektrumet. Fosforvikterna kan ställas in för att uppnå önskad CCT.

Spektra för dessa ljuskällor publiceras i publikation 15:2004.

• 

  FL 1–6 : Standard

• 

  FL 7–9 : Bredband

• 

  FL 10–12 : Smalband

Belysningsserie LED

Publikation 15:2018 introducerar nya belysningskällor för olika LED- typer med CCT från ca. 2700 K till 6600 K.

Vit punkt

Huvudartikel: Vit punkt

Spektrumet för en standardbelysning kan, precis som alla andra ljusprofiler, omvandlas till tristimulusvärden . Uppsättningen av tre tristimuluskoordinater för en ljuskälla kallas en vit punkt . Om profilen är normaliserad kan vitpunkten på motsvarande sätt uttryckas som ett par kromatiska koordinater .

Om en bild är inspelad i tristimuluskoordinater (eller i värden som kan konverteras till och från dem), så ger vitpunkten på den använda belysningskällan det maximala värdet av tristimuluskoordinaterna som kommer att registreras vid vilken punkt som helst i bilden, i frånvaron av fluorescens . Det kallas bildens vita punkt.

Processen att beräkna vitpunkten kastar bort en hel del information om belysningskällans profil, och även om det är sant att den exakta vitpunkten för varje ljuskälla kan beräknas, är det inte så att man känner till vitpunkten för en Enbart bilden säger en hel del om ljuskällan som användes för att spela in den.

Vita punkter på standardljuskällor

En lista över standardiserade ljuskällor, deras CIE-kromaticitetskoordinater (x,y) för en perfekt reflekterande (eller sändande) diffusor och deras korrelerade färgtemperaturer (CCT) ges nedan. CIE-kromaticitetskoordinaterna ges för både 2 graders synfält (1931) och 10 graders synfält (1964). Färgproverna representerar färgen på varje vit punkt, beräknad med luminans Y=0,52 och 2 graders standardobservatör, förutsatt korrekt sRGB- displaykalibrering.

Vita punkter på standardljuskällor

namn	CIE 1931 2°		CIE 1964 10°		CCT ( K )	Färg	Notera
	x 2°	y 2°	x 10°	y 10°
A	0,44757	0,40745	0,45117	0,40594	2856		glödlampa / volfram
B	0,34842	0,35161	0,34980	0,35270	4874		föråldrad, direkt solljus vid middagstid
C	0,31006	0,31616	0,31039	0,31905	6774		föråldrad, genomsnittlig / Nordhimlen dagsljus / NTSC 1953 , PAL -M
D50	0,34567	0,35850	0,34773	0,35952	5003		horisontljus, ICC-profil PCS
D55	0,33242	0,34743	0,33411	0,34877	5503		mitt på morgonen / mitt på eftermiddagen dagsljus
D65	0,31271	0,32902	0,31382	0,33100	6504		middag dagsljus: TV , sRGB färgrymd
D75	0,29902	0,31485	0,29968	0,31740	7504		Norra himlen dagsljus
D93	0,28315	0,29711	0,28327	0,30043	9305		högeffektiva blå fosformonitorer, BT.2035
E	0,33333	0,33333	0,33333	0,33333	5454		lika energi
F1	0,31310	0,33727	0,31811	0,33559	6430		dagsljus fluorescerande
F2	0,37208	0,37529	0,37925	0,36733	4230		kall vit fluorescerande
F3	0,40910	0,39430	0,41761	0,38324	3450		vitt fluorescerande
F4	0,44018	0,40329	0,44920	0,39074	2940		varmvitt fluorescerande
F5	0,31379	0,34531	0,31975	0,34246	6350		dagsljus fluorescerande
F6	0,37790	0,38835	0,38660	0,37847	4150		ljust vitt fluorescerande
F7	0,31292	0,32933	0,31569	0,32960	6500		D65 simulator, dagsljussimulator
F8	0,34588	0,35875	0,34902	0,35939	5 000		D50-simulator, Sylvania F40 Design 50
F9	0,37417	0,37281	0,37829	0,37045	4150		kall vit deluxe fluorescerande
F10	0,34609	0,35986	0,35090	0,35444	5 000		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		fosforkonverterad blå
LED-B2	0,4357	0,4012			2998		fosforkonverterad blå
LED-B3	0,3756	0,3723			4103		fosforkonverterad blå
LED-B4	0,3422	0,3502			5109		fosforkonverterad blå
LED-B5	0,3118	0,3236			6598		fosforkonverterad blå
LED-BH1	0,4474	0,4066			2851		blandning av fosforkonverterad blå LED och röd LED (blå-hybrid)
LED-RGB1	0,4557	0,4211			2840		blandning av röda, gröna och blå lysdioder
LED-V1	0,4560	0,4548			2724		fosforomvandlad viol
LED-V2	0,3781	0,3775			4070		fosforomvandlad viol

externa länkar

• Valda kolorimetriska tabeller i Excel , publicerade i CIE 15:2004
• Konica Minolta Sensing: Ljuskällor och ljuskällor