Iluminante padrão

Um iluminante padrão é uma fonte teórica de luz visível com um perfil (sua distribuição de potência espectral) que é publicada. Os iluminantes padrão fornecem uma base para comparar imagens ou cores gravadas sob iluminação diferente.

Iluminantes CIE
A Comissão Internacional de Iluminação (geralmente abreviada como CIE pelo seu nome em francês) é o órgão responsável pela publicação de todos os iluminantes padrão conhecidos. Cada um deles é conhecido por uma letra ou por uma combinação de números de letras.

Os iluminantes A, B e C foram introduzidos em 1931, com a intenção de, respectivamente, representar luz incandescente média, luz solar direta e luz natural média. Os iluminantes D representam fases da luz do dia, o iluminante E é o iluminante de energia igual, enquanto os iluminantes F representam lâmpadas fluorescentes de várias composições.

Há instruções sobre como produzir experimentalmente fontes de luz (“fontes padrão”) correspondentes aos iluminantes mais antigos. Para os relativamente mais novos (como a série D), os experimentadores são deixados para medir os perfis de suas fontes e compará-los com os espectros publicados:

Actualmente, não é recomendada nenhuma fonte artificial para realizar o iluminante padrão D65 CIE ou qualquer outro iluminante D de CCT diferente. Espera-se que novos desenvolvimentos em fontes de luz e filtros acabem por oferecer base suficiente para uma recomendação da CIE.

– CIE, Technical Report (2004) Colorimetria, 3ª ed., Publicação 15: 2004, CIE Central Bureau, Viena
No entanto, eles fornecem uma medida, chamada de Metamerism Index, para avaliar a qualidade dos simuladores de luz do dia. O Metamerism Index testa quão bem cinco conjuntos de amostras metaméricas correspondem ao iluminante de teste e referência.De maneira semelhante ao índice de reprodução de cores, a diferença média entre os metamers é calculada.

Iluminante A
O CIE define o iluminante A nestes termos:

O iluminador padrão A da CIE destina-se a representar a iluminação típica de filamentos de tungstênio doméstica. Sua distribuição de energia espectral relativa é a de um radiador Planckiano a uma temperatura de aproximadamente 2856 K. O iluminador padrão A da CIE deve ser usado em todas as aplicações de colorimetria envolvendo o uso de lâmpadas incandescentes, a menos que haja razões específicas para usar um iluminante diferente.

– CIE, CIE Iluminantes Padrão para Colorimetria
A saída radiante espectral de um corpo negro segue a lei de Planck:

No momento da padronização do iluminante A, tanto  (o que não afeta o SPD relativo) e  eram diferentes. Em 1968, a estimativa de c ₂ foi revisada de 0,01438 m · K para 0,014388 m · K (e antes disso, foi 0,01435 m · K quando o iluminante A foi padronizado). Essa diferença deslocou o loco de Planck, alterando a temperatura de cor do iluminante de seus valores nominais de 2848 K para 2856 K:

Para evitar mais possíveis alterações na temperatura de cor, o CIE agora especifica o SPD diretamente, com base no valor original (1931) de c2:

Os coeficientes foram selecionados para atingir um pico de SPD de 100 nm a 560 nm. Os valores tristimulares são (X, Y, Z) = (109,85, 100,00, 35,58), e as coordenadas de cromaticidade usando o observador padrão são (x, y) = (0,447,58, 0,407,45).

Iluminantes B e C
Os iluminantes B e C são facilmente obtidos em simulações de luz do dia. Eles modificam o iluminante A usando filtros de líquido.B serviu como um representante da luz solar do meio-dia, com uma temperatura de cor correlacionada (CCT) de 4874 K, enquanto C representou a luz média do dia com um CCT de 6774 K. Infelizmente, eles são aproximações pobres de qualquer fase da luz natural, particularmente no onda curta visível e nas faixas espectrais ultravioletas. Uma vez que simulações mais realistas foram alcançadas, os Iluminantes B e C foram preteridos em favor da série D :. Os gabinetes de iluminação, como o Spectralight III, que usam lâmpadas incandescentes filtradas têm melhor ajuste para os iluminantes D na faixa de 400 nm a 700 nm do que os simuladores fluorescentes de luz do dia.

O iluminante C não tem o status de iluminantes padrão CIE, mas sua distribuição de energia espectral relativa, valores tristimulares e coordenadas de cromaticidade são dados na Tabela T.1 e na Tabela T.3, já que muitos instrumentos e cálculos de medição práticos ainda usam esse iluminante.

– CIE, Publicação 15: 2004
O Iluminante B não foi tão honrado em 2004.

Os filtros de líquido, projetados por Raymond Davis Jr. e Kasson S. Gibson em 1931, têm uma absorbância relativamente alta na extremidade vermelha do espectro, aumentando efetivamente o CCT da lâmpada incandescente para os níveis de luz do dia. Isto é similar em função de um gel de cor CTO que os fotógrafos e cineastas usam atualmente, embora seja muito menos conveniente.

Cada filtro usa um par de soluções, compreendendo quantidades específicas de água destilada, sulfato de cobre, manita, piridina, ácido sulfúrico, cobalto e sulfato de amônio. As soluções são separadas por uma folha de vidro sem cor. As quantidades dos ingredientes são cuidadosamente escolhidas de modo que a sua combinação produza um filtro de conversão de temperatura de cor; isto é, a luz filtrada ainda é branca.

Série iluminante D
Derivadas por Judd, MacAdam e Wyszecki, a série D de iluminantes é construída para representar a luz natural do dia. Eles são difíceis de produzir artificialmente, mas são fáceis de caracterizar matematicamente.

HW Budde do Conselho Nacional de Pesquisa do Canadá em Ottawa, HR Condit e F. Grum da Eastman Kodak Company em Rochester, Nova York, e ST Henderson e D. Hodgkiss da Thorn Electrical Industries em Enfield mediram independentemente a distribuição de energia espectral ( SPD) da luz do dia de 330 nm a 700 nm, totalizando 622 amostras. Judd et al. analisamos essas amostras e descobrimos que as coordenadas de cromaticidade (x, y) tinham uma relação quadrática simples:

Simonds supervisionou a análise de vetores característicos dos SPDs. A aplicação de seu método revelou que os SPDs poderiam ser satisfatoriamente aproximados usando a média (S0) e os dois primeiros vetores característicos (S1 e S2):

Em termos mais simples, o SPD das amostras de luz diurna estudadas pode ser expresso como a combinação linear de três SPDs fixos. O primeiro vetor (S0) é a média de todas as amostras de SPD, que é o melhor SPD reconstituído que pode ser formado apenas com um vetor fixo. O segundo vetor (S1) corresponde à variação amarelo-azul, responsável por mudanças na temperatura de cor correlacionada devido à presença ou ausência de nuvens ou luz solar direta. O terceiro vetor (S2) corresponde à variação rosa-verde causada pela presença de água na forma de vapor e neblina.

Para construir um simulador de luz do dia de uma determinada temperatura de cor correlacionada, basta conhecer os coeficientes M1 e M2 dos vetores característicos S1 e S2.

Expressando as cromaticidades x e y como:

e fazendo uso de valores tristimulares conhecidos para os vetores médios, eles foram capazes de expressar M1 e M2 da seguinte forma:

O único problema é que isso deixou sem solução o cálculo da coordenada (x, y) para uma fase específica da luz do dia. Judd et al.simplesmente tabulava os valores de certas coordenadas de cromaticidade, correspondendo a temperaturas de cor correlacionadas comumente usadas, como 5500 K, 6500 K e 7500 K. Para outras temperaturas de cor, podia-se consultar figuras feitas por Kelly. Esse problema foi abordado no relatório da CIE que iluminou formalmente D, com uma aproximação da coordenada x em termos da temperatura de cor recíproca, válida de 4000 K a 25.000 K. A coordenada y seguiu trivialmente a relação quadrática de Judd.

Judd et al. em seguida, estenderam os SPDs reconstituídos para 300 nm – 330 nm e 700 nm – 830 nm usando dados de absorvância espectral da Lua da atmosfera da Terra.

Os SPDs tabelados apresentados pela CIE hoje são derivados por interpolação linear dos dados de 10 nm até 5 nm. A natureza limitada dos dados fotométricos não é um impedimento para o cálculo dos valores tristimulares CIEXYZ, uma vez que as funções de correspondência de cores do observador colorimétrico padrão CIE são tabuladas apenas de 380 a 780 nm em incrementos de 5 nm.

Estudos semelhantes foram realizados em outras partes do mundo, ou repetindo a análise de Judd et al. Com métodos computacionais modernos. Em vários desses estudos, o locus da luz do dia é notavelmente mais próximo do locus de Planck, do que em Judd et al.

Computação
A distribuição de potência espectral relativa (SPD)  de um iluminante série D pode ser derivado de suas coordenadas de cromaticidade no espaço de cor CIE 1931,  :

onde T é o CCT do iluminante. As coordenadas de cromaticidade dos Illuminants D formam o CIE Daylight Locus. O SPD relativo é dado por:

   
Onde  são a média e os dois primeiros SPDs de autovetor, descritos acima. Os vetores característicos têm um zero a 560 nm, uma vez que todos os SPDs relativos foram normalizados sobre este ponto.

Os CCTs dos iluminantes canônicos, D50, D55, D65 e D75, diferem ligeiramente do que seus nomes sugerem. Por exemplo, o D50 tem um CCT de 5003 K (luz “horizon”), enquanto o D65 tem um CCT de 6504 K (luz do meio-dia). Como explicado em uma seção anterior, isso ocorre porque o valor das constantes na lei de Planck foi ligeiramente alterado desde a definição desses iluminantes canônicos, cujos SPDs são baseados nos valores originais da lei de Planck. Para corresponder a todos os dígitos significativos dos dados publicados dos iluminantes canônicos, os valores de M1 e M2 devem ser arredondados para três casas decimais antes do cálculo do SD.

Iluminante E
O iluminante E é um radiador de energia igual; tem um SPD constante dentro do espectro visível. É útil como referência teórica;um iluminante que dá igual peso a todos os comprimentos de onda, apresentando uma cor uniforme. Também possui valores tristimulares CIE XYZ iguais, assim suas coordenadas de cromaticidade são (x, y) = (1 / 3,1 / 3). Isso é por design; as funções de correspondência de cores XYZ são normalizadas de modo que suas integrais sobre o espectro visível sejam as mesmas.

O iluminante E não é um corpo preto, portanto não tem uma temperatura de cor, mas pode ser aproximado por um iluminante série D com um CCT de 5455 K. (Dos iluminantes canônicos, D55 é o mais próximo.) Fabricantes às vezes comparam a luz fontes contra o Iluminante E para calcular a pureza da excitação.

Série iluminante F
A série F de iluminantes representa vários tipos de iluminação fluorescente.

As lâmpadas fluorescentes “padrão” F1 – F6 consistem em duas emissões semi-banda larga de ativações de antimônio e manganês no fósforo de halofosfato de cálcio. F4 é de particular interesse, uma vez que foi usado para calibrar o índice de reprodução de cor CIE (a fórmula CRI foi escolhida de tal forma que F4 teria um CRI de 51). F7 – F9 são lâmpadas fluorescentes de “banda larga” (luz de espectro total) com vários fósforos e CRIs mais altos. Finalmente, F10-F12 são iluminantes de tribandos estreitos que consistem em três emissões de “banda estreita” (causadas por composições ternárias de fósforos de terras raras) nas regiões R, G e B do espectro visível. Os pesos de fósforo podem ser ajustados para alcançar o CCT desejado.

Os espectros destes iluminantes são publicados na Publicação 15: 2004.

• 

  FL 1–6 : padrão

• 

  FL 7–9 : banda larga

• 

  FL 10–12 : banda estreita

Série iluminadora L
A publicação de uma série L de iluminantes está prevista para meados de 2018. Ele irá representar vários tipos de iluminação LED.

Ponto branco

O espectro de um iluminante padrão, como qualquer outro perfil de luz, pode ser convertido em valores tristimulares. O conjunto de três coordenadas tristimulares de um iluminante é chamado ponto branco. Se o perfil estiver normalizado, o ponto branco pode ser expresso de forma equivalente como um par de coordenadas de cromaticidade.

Se uma imagem for gravada em coordenadas tristimulares (ou em valores que possam ser convertidos para e a partir deles), o ponto branco do iluminante usado fornecerá o valor máximo das coordenadas tristimulares que serão gravadas em qualquer ponto da imagem, em a ausência de fluorescência. É chamado o ponto branco da imagem.

O processo de calcular o ponto branco descarta uma grande quantidade de informações sobre o perfil do iluminante, e assim, embora seja verdade que para cada iluminante o ponto branco exato pode ser calculado, não é o caso de saber o ponto branco de um iluminante. imagem só diz muito sobre o iluminante que foi usado para gravá-lo.

Uma lista de iluminantes padronizados, suas coordenadas de cromaticidade CIE (x, y) de um difusor perfeitamente refletivo (ou transmissor) e suas temperaturas de cor correlacionadas (CCTs) são dadas abaixo. As coordenadas de cromaticidade da CIE são dadas tanto para o campo de visão de 2 graus (1931) quanto para o campo de visão de 10 graus (1964). As amostras de cores representam o matiz e o RGB de cada ponto branco, calculados com a luminância Y = 0,54 e o observador padrão, assumindo a calibração correta do monitor sRGB.