Illuminante standard

Un illuminante standard è una fonte teorica di luce visibile con un profilo (la sua distribuzione di energia spettrale) che viene pubblicata. Gli illuminanti standard forniscono una base per il confronto di immagini o colori registrati in luce diversa.

Illuminanti CIE
La Commissione internazionale per l’illuminazione (solitamente CIE abbreviato per il suo nome francese) è l’organismo responsabile della pubblicazione di tutti i noti illuminanti standard. Ognuno di questi è conosciuto da una lettera o da una combinazione di numeri di lettere.

Gli illuminanti A, B e C furono introdotti nel 1931, con l’intenzione di rappresentare rispettivamente la luce a incandescenza media, la luce solare diretta e la luce diurna media. Gli illuminanti D rappresentano fasi della luce diurna, l’illuminante E è l’illuminante a energia uguale, mentre gli Illuminanti F rappresentano lampade fluorescenti di varia composizione.

Ci sono istruzioni su come produrre sperimentalmente sorgenti luminose (“fonti standard”) corrispondenti ai vecchi illuminanti. Per quelli relativamente più recenti (come la serie D), gli sperimentatori sono lasciati a misurare i profili delle loro fonti e confrontarli con gli spettri pubblicati:

Allo stato attuale non è raccomandata alcuna fonte artificiale per realizzare un illuminante standard C65 D65 o qualsiasi altro illuminante D di CCT diversi. Si spera che i nuovi sviluppi nelle fonti di luce e nei filtri finiranno per offrire una base sufficiente per una raccomandazione della CIE.

– CIE, Technical Report (2004) Colorimetry, 3a ed., Pubblicazione 15: 2004, Cie Central Bureau, Vienna
Ciononostante, forniscono una misura, chiamata Indice del metamerismo, per valutare la qualità dei simulatori di luce naturale. L’indice di metamerismo verifica quanto bene cinque insiemi di campioni metamerici coincidano con il illuminante di riferimento e di prova. In un modo simile all’indice di resa cromatica, viene calcolata la differenza media tra i metameri.

Illuminante A
Il CIE definisce l’illuminante A in questi termini:

L’illuminante standard CIE A è inteso per rappresentare l’illuminazione tipica, domestica, a filamento di tungsteno. La sua distribuzione di potenza spettrale relativa è quella di un radiatore di Planckian ad una temperatura di circa 2856 K. L’illuminante standard CIE A dovrebbe essere usato in tutte le applicazioni di colorimetria che implicano l’uso di luci a incandescenza, a meno che vi siano ragioni specifiche per l’uso di un diverso illuminante.

– Illuminanti standard CIE, CIE per Colorimetria
L’uscita spettrale radiante di un corpo nero segue la legge di Planck:
${\ displaystyle M_ {e, \ lambda} (\ lambda, T) = {\ frac {c_ {1} \ lambda ^ {- 5}} {\ exp \ left ({\ frac {c_ {2}} {\ lambda T}} \ right) -1}}.}$
Al momento della standardizzazione dell’illuminante A, entrambi $c_ {1} = 2 \ pi \ cdot h \ cdot c ^ {2}$ (che non influisce sul SPD relativo) e $c_ {2} = h \ cdot c / k$ erano diversi Nel 1968, la stima di c ₂ fu rivista da 0,01438 m · K a 0,014388 m · K (e prima di questo, era 0,01435 m · K quando l’illuminante A era standardizzato). Questa differenza ha spostato il locus Planckian, cambiando la temperatura del colore dell’illuminante dai suoi 2848 K a 2856 K nominali:
${\ displaystyle T_ {new} = T_ {vecchio} \ times {\ frac {1.438,8} {1.435}} = 2.848 \ {\ text {K}} \ times 1.002.648 = 2.855.54 \ {\ text {K} }.}$
Al fine di evitare ulteriori possibili variazioni della temperatura di colore, il CIE ora specifica direttamente l’SPD, in base al valore originale (1931) di c2:
${\ displaystyle S_ {A} (\ lambda) = 100 \ left ({\ frac {560} {\ lambda}} \ right) ^ {5} {\ frac {\ exp {\ frac {1.435 \ times 10 ^ { 7}} {2.848 \ times 560}} - 1} {\ exp {\ frac {1.435 \ times 10 ^ {7}} {2.848 \ lambda}} - 1}}}$
I coefficienti sono stati selezionati per raggiungere un picco SPD di 100 nm a 560 nm. I valori di tristimolo sono (X, Y, Z) = (109,85, 100,00, 35,58) e le coordinate cromatiche che utilizzano l’osservatore standard sono (x, y) = (0,447,58, 0,407,45).

Illuminanti B e C
Gli illuminanti B e C sono simulazioni di luce diurna facilmente ottenibili. Modificano l’illuminante A usando filtri liquidi. B era un rappresentante della luce del sole di mezzogiorno, con una temperatura di colore correlata (CCT) di 4874 K, mentre C rappresentava una luce diurna media con una CCT di 6774 K. Sfortunatamente, si tratta di approssimazioni approssimative di qualsiasi fase della luce naturale, in particolare nel visibile a onde corte e nelle gamme spettrali dell’ultravioletto. Una volta ottenute le simulazioni più realistiche, gli Illuminants B & C sono stati deprecati a favore della serie D :. Le cabine di illuminazione, come la Spectralight III, che utilizzano lampade ad incandescenza filtrata, si adattano meglio agli illuminanti D nella gamma da 400 nm a 700 nm rispetto ai simulatori di luce fluorescente.

L’illuminante C non ha lo stato degli illuminanti standard CIE, ma la relativa distribuzione della potenza spettrale, i valori tristimolo e le coordinate cromatiche sono indicate nella Tabella T.1 e nella Tabella T.3, poiché molti strumenti e calcoli di misurazione pratica usano ancora questo illuminante.

– CIE, pubblicazione 15: 2004

L’Illuminante B non fu così onorato nel 2004.
I filtri per liquidi, progettati da Raymond Davis, Jr. e Kasson S. Gibson nel 1931, hanno un’assorbanza relativamente elevata all’estremità rossa dello spettro, aumentando di fatto il CCT della lampada a incandescenza ai livelli di luce del giorno. Questo è simile in funzione a un gel colorato CTO che i fotografi e i cineasti usano oggi, anche se molto meno conveniente.

Ciascun filtro utilizza una coppia di soluzioni, comprendente quantità specifiche di acqua distillata, solfato di rame, mannite, piridina, acido solforico, cobalto e solfato di ammonio. Le soluzioni sono separate da un foglio di vetro non colorato. Le quantità degli ingredienti sono scelte attentamente in modo che la loro combinazione produca un filtro di conversione della temperatura del colore; cioè, la luce filtrata è ancora bianca.

Serie di illuminanti D
Derivato da Judd, MacAdam e Wyszecki, la serie D di illuminanti è costruita per rappresentare la luce naturale. Sono difficili da produrre artificialmente, ma sono facili da caratterizzare matematicamente.

HW Budde del Consiglio Nazionale delle Ricerche del Canada a Ottawa, HR Condit e F. Grum della Eastman Kodak Company di Rochester, New York, e ST Henderson e D. Hodgkiss della Thorn Electrical Industries di Enfield avevano misurato indipendentemente la distribuzione della potenza spettrale ( SPD) di luce da 330 nm a 700 nm, per un totale di 622 campioni. Judd et al. analizzato questi campioni e trovato che le coordinate cromatiche (x, y) avevano una relazione semplice e quadratica:
${\ displaystyle y = 2.870x-3.000x ^ {2} -0.275.}$

Simonds ha supervisionato l’analisi vettoriale caratteristica degli SPD. L’applicazione del suo metodo ha rivelato che gli SPD potevano essere approssimati in modo soddisfacente utilizzando la media (S0) e i primi due vettori caratteristici (S1 e S2):
${\ displaystyle S (\ lambda) = S_ {0} (\ lambda) + M_ {1} S_ {1} (\ lambda) + M_ {2} S_ {2} (\ lambda).}$

In termini più semplici, l’SPD dei campioni di luce diurna studiati può essere espresso come la combinazione lineare di tre SPD fissi. Il primo vettore (S0) è la media di tutti i campioni SPD, che è il miglior SPD ricostituito che può essere formato con un vettore fisso. Il secondo vettore (S1) corrisponde alla variazione giallo-blu, tenendo conto dei cambiamenti nella temperatura del colore correlata a causa della presenza o dell’assenza di nuvole o luce solare diretta. Il terzo vettore (S2) corrisponde alla variazione rosa-verde causata dalla presenza di acqua sotto forma di vapore e foschia.
Per costruire un simulatore di luce diurna di una particolare temperatura di colore correlata è sufficiente conoscere i coefficienti M1 e M2 dei vettori caratteristici S1 e S2.

Esprimendo le cromaticità xey come:
${\ displaystyle x = {\ frac {X_ {0} + M_ {1} X_ {1} + M_ {2} X_ {2}} {S_ {0} + M_ {1} S_ {1} + M_ {2 } S_ {2}}},}$
${\ displaystyle y = {\ frac {Y_ {0} + M_ {1} Y_ {1} + M_ {2} Y_ {2}} {S_ {0} + M_ {1} S_ {1} + M_ {2 } S_ {2}}}}$

e facendo uso di valori tristimolo noti per i vettori medi, erano in grado di esprimere M1 e M2 come segue:
${\ displaystyle M_ {1} = {\ frac {-1.351,5-1.770,3x + 5.911,4y} {0.024,1 + 0.256,2x-0.734,1y}},}$ ${\ displaystyle M_ {2} = {\ frac {0.030,0-31.442,4x + 30.071,7y} {0.024,1 + 0.256,2x-0.734,1y}}}$
L’unico problema è che questo non ha risolto il calcolo della coordinata (x, y) per una particolare fase di luce diurna. Judd et al. semplicemente tabulato i valori di alcune coordinate cromatiche, corrispondenti alle temperature di colore correlate comunemente utilizzate, come 5500 K, 6500 K e 7500 K. Per altre temperature di colore, si potrebbero consultare le cifre fatte da Kelly. Questo problema è stato affrontato nel rapporto CIE che l’illuminante formalizzato D, con un’approssimazione della coordinata x in termini della temperatura reciproca del colore, valida da 4000 K a 25.000 K. La coordinata y è stata banalmente seguita dalla relazione quadratica di Judd.

Judd et al. quindi ha esteso gli SPD ricostituiti a 300 nm-330 nm e 700 nm-830 nm utilizzando i dati di assorbanza spettrale della Luna dell’atmosfera terrestre.
Gli SPD tabulati presentati dal CIE oggi sono derivati dall’interpolazione lineare del set di dati 10 nm fino a 5 nm. La natura limitata dei dati fotometrici non è un impedimento al calcolo dei valori di tristimolo CIEXYZ poiché le funzioni di corrispondenza dei colori dell’osservatore colorimetrico standard CIE sono solo tabulate da 380 a 780 nm con incrementi di 5 nm.

Studi simili sono stati condotti in altre parti del mondo, o ripetendo l’analisi di Judd ed altri con i moderni metodi computazionali. In molti di questi studi, il locus diurno è notevolmente più vicino al locus planckiano che in Judd et al.
Calcolo

La relativa distribuzione di potenza spettrale (SPD) $S_ {D} (\ lambda)$ di un illuminante della serie D può essere ricavato dalle sue coordinate cromatiche nello spazio cromatico CIE 1931, $(X_ {D}, {y_ D})$ :
${\ displaystyle x_ {D} = {\ begin {cases} 0.244.063 + 0.09911 {\ frac {10 ^ {3}} {T}} + 2.967,8 {\ frac {10 ^ {6}} {T ^ {2}}} - 4.607,0 {\ frac {10 ^ {9}} {T ^ {3}}} e 4.000 \ \ mathrm {K} \ leq T \ leq 7.000 \ \ \ mathrm {K} \ \ 0.237.040 + 0.24748 {\ frac {10 ^ {3}} {T}} + 1.901,8 {\ frac {10 ^ {6}} {T ^ {2}}} - 2.006,4 {\ frac { 10 ^ {9}} {T ^ {3}}} e 7.000 \ \ mathrm {K} <T \ leq 25.000 \ \ mathrm {K} \ end {casi}}}$ $y_ {D} = - 3.000x_ {D} ^ {2} + 2.870x_ {} D -0,275$

dove T è il CCT dell’illuminante. Le coordinate cromatiche degli Illuminanti D sono dette per formare il CIE Daylight Locus. L’SPD relativo è dato da:
${\ displaystyle S_ {D} (\ lambda) = S_ {0} (\ lambda) + M_ {1} S_ {1} (\ lambda) + M_ {2} S_ {2} (\ lambda),}$ ${\ displaystyle M_ {1} = (- 1.351,5-1.770,3x_ {D} + 5.911,4y_ {D}) / M,}$ ${\ displaystyle M_ {2} = (0.030,00-31.442,4x_ {D} + 30.071,7y_ {D}) / M,}$ ${\ displaystyle M = 0.024,1 + 0.256,2x_ {D} -0.734,1y_ {D}}$

dove $S_ {0} (\ lambda), S_ {1} (\ lambda), S_ {2} (\ lambda)$ sono i primi e due SPD di autovalori illustrati sopra. Entrambi i vettori caratteristici hanno uno zero a 560 nm, poiché tutti gli SPD relativi sono stati normalizzati su questo punto.

I CCT degli illuminanti canonici, D50, D55, D65 e D75, differiscono leggermente da ciò che suggeriscono i loro nomi. Ad esempio, D50 ha un CCT di 5003 K (luce “orizzonte”), mentre D65 ha un CCT di 6504 K (luce del mezzogiorno). Come spiegato in una sezione precedente, ciò è dovuto al fatto che il valore delle costanti nella legge di Planck è stato leggermente modificato dalla definizione di questi illuminanti canonici, i cui DOCUP si basano sui valori originali della legge di Planck. Per abbinare tutte le cifre significative dei dati pubblicati degli illuminanti canonici, i valori di M1 e M2 devono essere arrotondati a tre cifre decimali prima del calcolo della SD.

Illuminante E
L’illuminante E è un radiatore di uguale energia; ha un SPD costante all’interno dello spettro visibile.È utile come riferimento teorico; un illuminante che dà uguale peso a tutte le lunghezze d’onda, presentando un colore uniforme. Ha anche valori di tristimolo CIE XYZ uguali, quindi le sue coordinate cromatiche sono (x, y) = (1 / 3,1 / 3). Questo è di design; le funzioni di corrispondenza dei colori XYZ sono normalizzate in modo tale che i loro integrali rispetto allo spettro visibile siano gli stessi.

L’illuminante E non è un corpo nero, quindi non ha una temperatura di colore, ma può essere approssimato da un illuminante della serie D con un CCT di 5455 K. (Degli illuminanti canonici, D55 è il più vicino). I produttori a volte confrontano la luce fonti contro l’illuminante E per calcolare la purezza di eccitazione.

Serie di illuminanti F
La serie F di illuminanti rappresenta vari tipi di illuminazione fluorescente.
Le lampade fluorescenti “standard” F1-F6 consistono in due emissioni semi-larghe di attivazioni di antimonio e manganese in fosforo di calcio alofosfato. F4 è di particolare interesse poiché è stato usato per calibrare l’indice di resa del colore CIE (la formula CRI è stata scelta in modo tale che F4 avrebbe avuto un CRI di 51). F7-F9 sono lampade fluorescenti a “banda larga” (a spettro completo) con più fosfori e CRI più elevati. Infine, gli F10-F12 sono illuminanti tribali stretti costituiti da tre emissioni “a banda stretta” (causate da composizioni ternarie di fosfori di terre rare) nelle regioni R, G, B dello spettro visibile. I pesi di fosforo possono essere regolati per ottenere il CCT desiderato.

Gli spettri di questi illuminanti sono pubblicati nella Pubblicazione 15: 2004.

FL 1-6 : standard
FL 7-9 : banda larga
FL 10-12 : banda stretta

Serie di illuminanti L
La pubblicazione di una serie L di illuminanti è prevista per la metà del 2018. Rappresenterà vari tipi di illuminazione a LED.

Punto bianco
Lo spettro di un illuminante standard, come qualsiasi altro profilo di luce, può essere convertito in valori di tristimolo. L’insieme di tre coordinate tristimolo di un illuminante è chiamato punto bianco. Se il profilo è normalizzato, allora il punto bianco può essere espresso in modo equivalente come una coppia di coordinate cromatiche.
Se un’immagine è registrata in coordinate tristimolo (o in valori che possono essere convertiti da e verso di essi), il punto bianco dell’illuminante usato fornisce il valore massimo delle coordinate tristimolo che verranno registrate in qualsiasi punto dell’immagine, in l’assenza di fluorescenza. Si chiama il punto bianco dell’immagine.
Il processo di calcolo del punto bianco scarta una grande quantità di informazioni sul profilo dell’illuminante, e quindi anche se è vero che per ogni illuminante si può calcolare il punto bianco esatto, non è il caso di conoscere il punto bianco di un l’immagine da sola ti dice molto sull’illuminante che è stato usato per registrarlo.

**Punti bianchi di illuminanti standard**
Nome	CIE 1931 2 °		CIE 1964 10 °		CCT (K)	colore	RGB	Nota
Nome	x ₂	y ₂	x ₁₀	y ₁₀	CCT (K)	colore	RGB	Nota
UN	0,44,757 mila	0,40,745 mila	0,45,117 mila	0,40,594 mila	2856			Incandescente / tungsteno
B	0,34,842 mila	0,35,161 mila	0,34,98 mila	0,35,27 mila	4874			{obsoleto} Luce solare diretta a mezzogiorno
C	0,31,006 mila	0,31,616 mila	0,31,039 mila	0,31,905 mila	6774			{obsoleto} Luce del giorno media / nord del cielo
D50	0,34,567 mila	0,35,85 mila	0,34,773 mila	0,35,952 mila	5003			Horizon Light. PCC profilo ICC
D55	0,33,242 mila	0,34,743 mila	0,33,411 mila	0,34,877 mila	5503			Mid-morning / Mid-afternoon Daylight
D65	0,31,271 mila	0,32,902 mila	0,31,382 mila	0,33,1 mila	6504			Mezzogiorno Daylight: televisione, spazio colore sRGB
D75	0,29,902 mila	0,31,485 mila	0,29,968 mila	0,31,74 mila	7504			North sky Daylight
E	1/3	1/3	1/3	1/3	5454			Energia uguale
F1	0,31,31 mila	0,33,727 mila	0,31,811 mila	0,33,559 mila	6430			Luce del giorno fluorescente
F2	0,37,208 mila	0,37,529 mila	0,37,925 mila	0,36,733 mila	4230			Cool White Fluorescent
F3	0,40,91 mila	0,39,43 mila	0,41,761 mila	0,38,324 mila	3450			Fluorescente bianco
F4	0,44,018 mila	0,40,329 mila	0,44,92 mila	0,39,074 mila	2940			Caldo bianco fluorescente
F5	0,31,379 mila	0,34,531 mila	0,31,975 mila	0,34,246 mila	6350			Luce del giorno fluorescente
F6	0,37,79 mila	0,38,835 mila	0,38,66 mila	0,37,847 mila	4150			Lite bianco fluorescente
F7	0,31,292 mila	0,32,933 mila	0,31,569 mila	0,32,96 mila	6500			Simulatore D65, simulatore di luce naturale
F8	0,34,588 mila	0,35,875 mila	0,34,902 mila	0,35,939 mila	5000			Simulatore D50, Sylvania F40 Design 50
F9	0,37,417 mila	0,37,281 mila	0,37,829 mila	0,37,045 mila	4150			Cool White Deluxe Fluorescent
F10	0,34,609 mila	0,35,986 mila	0,35,09 mila	0,35,444 mila	5000			Philips TL85, Ultralume 50
F11	0,38,052 mila	0,37,713 mila	0,38,541 mila	0,37,123 mila	4000			Philips TL84, Ultralume 40
F12	0,43,695 mila	0,40,441 mila	0,44,256 mila	0,39,717 mila	3000			Philips TL83, Ultralume 30

Di seguito viene fornito un elenco di illuminanti standardizzati, le loro coordinate di cromaticità CIE (x, y) di un diffusore perfettamente riflettente (o trasmittente) e le loro temperature di colore correlate (CCT). Le coordinate cromatiche CIE sono fornite sia per il campo visivo di 2 gradi (1931) che per il campo visivo di 10 gradi (1964). I campioni di colore rappresentano la tonalità e l’RGB di ciascun punto bianco, calcolato con la luminanza Y = 0,54 e l’osservatore standard, presupponendo la corretta calibrazione del display sRGB.

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