Цветовая температура

Цветовая температура источника света — это температура идеального излучателя черного тела, излучающего свет, сравнимый с цветом источника света. Цветовая температура является характеристикой видимого света, который имеет важные применения в освещении, фотографии, видеографии, издательском деле, производстве, астрофизике, садоводстве и других областях. На практике цветовая температура имеет смысл только для источников света, которые на самом деле несколько близки к излучению какого-либо черного тела, т. Е. На линии от красновато-оранжевого через желтый и более или менее белый до синевато-белого цвета; не имеет смысла говорить о цветовой температуре, например, зеленого или пурпурного света. Цветовая температура условно выражается в кельвине, используя символ K, единицу измерения для абсолютной температуры.

Цветовые температуры более 5000 K называются «холодными цветами» (голубовато-белый), а более низкие цветовые температуры (2700-3000 K) называются «теплыми цветами» (желтовато-белый — красный). «Теплый» в этом контексте является аналогом излучаемого теплового потока традиционного накаливания, а не температуры. Спектральный пик теплого цвета близок к инфракрасному, и большинство естественных теплых цветных источников света излучают значительное инфракрасное излучение. Тот факт, что «теплое» освещение в этом смысле фактически имеет «более холодную» цветовую частоту, часто приводит к путанице.

Категоризация различного освещения
Цветовая температура электромагнитного излучения, испускаемого идеальным черным телом, определяется как его температура поверхности в кельвинах или, альтернативно, в потухах (микропереходные кельвины). Это позволяет определить стандарт, по которому сравниваются источники света.

В той степени, в которой горячая поверхность излучает тепловое излучение, но не является идеальным излучателем черного тела, цветовая температура света не является фактической температурой поверхности. Свет лампы накаливания — это тепловое излучение, а лампа приближается к идеальному излучателю черного тела, поэтому его цветовая температура — это, по существу, температура нити накала. Таким образом, относительно низкая температура испускает тусклый красный цвет, а высокая температура испускает почти белый цвет традиционной лампы накаливания. Металлисты могут судить о температуре горячих металлов по цвету: от темно-красного до оранжево-белого, а затем белого (см. Красное тепло).

Многие другие источники света, такие как люминесцентные лампы или светодиоды (светоизлучающие диоды) излучают свет в основном за счет других процессов, кроме теплового излучения. Это означает, что излучаемое излучение не следует форме спектра черного тела. Этим источникам назначается так называемая коррелированная цветовая температура (CCT). CCT — это цветовая температура излучателя черного тела, который для восприятия цвета человека наиболее близко соответствует свету от лампы. Поскольку такое приближение не требуется для ламп накаливания, CCT для лампы накаливания — это просто его нескорректированная температура, полученная по сравнению с радиатором черного тела.

Солнце
Солнце близко приближается к радиатору черного тела. Эффективная температура, определяемая общей радиационной мощностью на квадратный блок, составляет около 5780 К. Цветовая температура солнечного света над атмосферой составляет около 5900 K.

Когда Солнце пересекает небо, оно может казаться красным, оранжевым, желтым или белым, в зависимости от его положения. Меняющийся цвет Солнца в течение дня является главным образом результатом рассеяния света и не обусловлен изменениями излучения черного тела. Синий цвет неба вызван рэлеевским рассеянием солнечного света на атмосферу, которая имеет тенденцию рассеивать голубой свет больше, чем красный свет.

Некоторое раннее утреннее и вечернее освещение (золотые часы) имеет более низкую цветовую температуру из-за увеличения рассеяния света с низкой длиной волны на эффект Тиндалла. Этот эффект был особенно выражен из-за увеличения мелких частиц пыли в атмосфере после извержений горы Тамбора в 1815 году и Кракатау в 1883 году, что вызвало сильные красные закаты во всем мире.

Дневной свет имеет спектр, аналогичный спектру черного тела с коррелированной цветовой температурой 6500 K (стандарт просмотра D65) или 5500 K (стандарт дневной светной фотопленки).

Приложения

Осветительные приборы
Для освещения интерьеров зданий часто важно учитывать цветовую температуру освещения. Более теплый свет (например, более низкая цветовая температура) часто используется в общественных местах, чтобы способствовать расслаблению, в то время как более прохладный (более высокая цветовая температура) свет используется для усиления концентрации, например, в школах и офисах.

Точечное торможение CCT для светодиодной технологии рассматривается как сложная задача, так как эффекты биннинга, возраста и температуры дрейфа светодиодов изменяют фактическое значение цветового значения. Здесь системы обратной связи используются, например, с цветовыми датчиками, для активного мониторинга и контроля цветовой мощности нескольких светодиодов смешивания цветов.

аквакультура
При хранении рыбы цветовая температура имеет различные функции и фокусы в различных отраслях.

В пресноводных аквариумах цветовая температура обычно вызывает озабоченность только для создания более привлекательного дисплея. Свет, как правило, предназначен для создания привлекательного спектра, иногда с вторичным вниманием к сохранению растений в аквариумах.

В аквариуме с морской водой / рифом цветовая температура является неотъемлемой частью здоровья танка. В пределах от 400 до 3000 нанометров свет с более короткой длиной волны может проникать глубже в воду, чем более длинные волны, обеспечивая основные источники энергии для водорослей, размещенных в (и поддерживающих) кораллах. Это эквивалентно увеличению цветовой температуры с глубиной воды в этом спектральном диапазоне. Поскольку кораллы обычно живут на мелководье и получают интенсивный прямой тропический солнечный свет, фокус когда-то был имитирован этой ситуацией с огнями 6500 K. Тем временем более высокие температуры источников света стали более популярными, сначала с 10000 К и совсем недавно 16000 К и 20000 К. Актинное освещение на фиолетовом конце видимого диапазона (420-460 нм) используется для ночного просмотра без увеличения количества водорослей цветения или улучшения фотосинтеза, а также сделать несколько флуоресцентных цветов многих кораллов и «поп» рыб, создавая яркие дисплеи.

Цифровая фотография
В цифровой фотографии термин цветовая температура иногда используется взаимозаменяемо с балансом белого, что позволяет переназначить значения цвета для имитации изменений цветовой температуры окружающей среды. Большинство цифровых фотоаппаратов и программного обеспечения RAW-изображений предоставляют пресеты, имитирующие определенные значения окружающей среды (например, солнечный, облачный, вольфрамовый и т. Д.), В то время как другие позволяют явно вводить значения баланса белого в кельвинах. Эти настройки изменяют значения цвета вдоль сине-желтой оси, в то время как некоторое программное обеспечение включает дополнительные элементы управления (иногда обозначенные как «оттенок»), добавляя ось пурпурного зеленого цвета, и в какой-то степени произвольны и являются предметом художественной интерпретации. Использование абсолютных значений цветовой температуры вряд ли будет популярным среди цифровых фотографов, так как те, у кого есть физические науки, заметят. Однако общая идея высоких К (сине-белых) и низких К (красно-оранжевых) сообщит всем, кто стремится экспериментировать со своим собственным оборудованием и программным обеспечением.

Фотопленка
Фотоэмульсионная пленка иногда, кажется, преувеличивает цвет света, так как она не реагирует на цвет освещения в способе визуального восприятия человека. Объект, который кажется глазу белым, может оказаться очень синим или оранжевым на фотографии. Для достижения нейтральной цветной печати может потребоваться корректировка цветового баланса во время печати. Степень этой коррекции ограничена, поскольку цветная пленка обычно имеет три слоя, чувствительных к разным цветам, а при использовании под «неправильным» источником света каждый слой может не реагировать пропорционально, что дает нечетные оттенки цвета в тени, хотя средние тона могут были правильно сбалансированы по белому под увеличителем. Источники света с прерывистыми спектрами, такие как флуоресцентные лампы, не могут быть полностью исправлены при печати, так как один из слоев едва ли может записать изображение вообще.

Фотографическая пленка предназначена для конкретных источников света (чаще всего для дневной пленки и вольфрамовой пленки), и, используя ее правильно, создаст нейтральную цветную печать. Согласование чувствительности пленки к цветовой температуре источника света является одним из способов баланса цвета. Если вольфрамовую пленку использовать в помещении с лампами накаливания, желтовато-оранжевый свет ламп накаливания вольфрама будет выглядеть белым (3200 K) на фотографии. Цветная негативная пленка почти всегда сбалансирована по дневному свету, так как предполагается, что цвет можно отрегулировать при печати (с ограничениями, см. Выше). Цветная прозрачная пленка, являющаяся конечным артефактом в процессе, должна быть сопоставлена ​​с источником света, или фильтры должны использоваться для коррекции цвета.

Для коррекции цветового баланса можно использовать фильтры на объективе камеры или цветные гели над источником (источниками) света. При съемке с источником голубоватого света (высокой цветовой температуры), например, в пасмурный день, в тени, в оконном свете или при использовании вольфрамовой пленки с белым или синим светом, желтый-оранжевый фильтр исправит это. Для съемки с дневной пленкой (калиброванной до 5600 K) при более теплой (низкая цветовая температура) источники света, такие как закаты, свечи или вольфрамовое освещение, может использоваться синеватый (например, # 80A) фильтр. Для устранения разницы между, скажем, 3200 K и 3400 K лампами накаливания необходимы более тонкие фильтры или для коррекции слегка голубого оттенка некоторых ламп накаливания, которые могут составлять 6000 K.

Если имеется более одного источника света с различными цветовыми температурами, одним из способов сбалансировать цвет является использование пленки дневного света и установка фильтров для коррекции цвета для каждого источника света.

Фотографы иногда используют цветовые термометры. Обычно они предназначены для чтения только двух областей по видимому спектру (красный и синий); более дорогие читают три региона (красный, зеленый и синий). Однако они неэффективны с такими источниками, как флуоресцентные или разрядные лампы, чей свет изменяется по цвету и может быть сложнее исправить. Поскольку этот свет часто зеленоватый, пурпурный фильтр может его исправить. Более сложные колориметрические инструменты могут использоваться, если такие счетчики отсутствуют.

Настольная издательская система
В индустрии настольных издательских систем важно знать цветовую температуру монитора. Программное обеспечение для сопоставления цветов, такое как Apple ColorSync для Mac OS, измеряет цветовую температуру монитора, а затем соответствующим образом корректирует его настройки. Это позволяет цвету на экране больше соответствовать цвету печати. Общие цветовые температуры монитора вместе с соответствующими стандартными источниками света в круглых скобках заключаются в следующем:

5000 K (D50)
5500 K (D55)
6500 K (D65)
7500 К (D75)
9300 К

D50 — научная стенограмма стандартного источника света: спектр дневного света при коррелированной цветовой температуре 5000 K. Аналогичные определения существуют для D55, D65 и D75. Такие обозначения, как D50, используются для классификации цветовых температур световых столов и смотровых площадок. При просмотре цветного слайда на светлом столе важно правильно сбалансировать свет, чтобы цвета не смещались в сторону красного или синего.

Цифровые камеры, веб-графика, DVD и т. Д., Как правило, предназначены для цветовой температуры 6500 К. Стандарт sRGB, обычно используемый для изображений в Интернете, предусматривает (помимо прочего) 6500 K отображение белой точки.

Телевизионные, видео и цифровые фотоаппараты
Стандарты NTSC и PAL TV требуют, чтобы экран телевизора соответствовал телевизору с отображением электрически черного и белого сигналов (минимальная насыщенность цвета) при цветовой температуре 6500 K. На многих телевизорах потребительского класса наблюдается очень заметное отклонение от этого требования. Однако более качественные телевизоры высшего класса могут иметь цветовую температуру до 6500 K, используя предварительно запрограммированную настройку или пользовательскую калибровку. Текущие версии ATSC явно требуют включения данных цветовой температуры в поток данных, но старые версии ATSC позволили исключить эти данные. В этом случае текущие версии ATSC ссылаются на стандартные стандарты колориметрии в зависимости от формата. Оба приведенных стандарта определяют 6500 K цветовую температуру.

Большинство видео и цифровых фотокамер могут регулировать цветовую температуру, увеличивая ее до белого или нейтрального цветного объекта и устанавливая ручной баланс белого (сообщая камере, что «этот объект белый»); затем камера показывает истинную белую, как белый, и соответственно корректирует все остальные цвета. Белая балансировка необходима, особенно в помещении под флуоресцентным освещением и при перемещении камеры из одной ситуации освещения в другую. У большинства камер также есть функция автоматического баланса белого, которая пытается определить цвет света и соответствующим образом корректировать. Хотя эти настройки некогда были ненадежными, они значительно улучшились в современных цифровых камерах и обеспечивают точный баланс белого в самых разных ситуациях освещения.

Художественное применение посредством контроля цветовой температуры

Операторы видеокамеры могут иметь белые объекты баланса, которые не являются белыми, преуменьшая цвет объекта, используемого для балансировки белого. Например, они могут принести больше тепла в изображение, белая — балансирует с чего-то голубого, такого как выцветшая синяя джинсовая ткань; таким образом, балансировка белого может заменить фильтр или осветляющий гель, когда они недоступны.

Кинематографисты не «уравновешивают баланс белого» так же, как операторы видеокамеры; они используют такие методы, как фильтры, выбор запаса пленки, предварительное мигание и, после съемки, сортировку цветов, как путем экспозиции в лабораториях, так и в цифровом виде. Кинематографисты также тесно сотрудничают с дизайнерами и световыми бригадами для достижения желаемых цветовых эффектов.

Для художников большинство пигментов и бумаг имеют прохладный или теплый оттенок, так как человеческий глаз может обнаружить даже минимальное количество насыщения. Серый, смешанный с желтым, оранжевым или красным, «теплый серый». Зеленый, синий или фиолетовый создают «крутые серые». Обратите внимание, что это чувство температуры обратное тому, что имеет реальную температуру; bluer описывается как «более холодный», хотя он соответствует более высокотемпературному черному телу.

Дизайнеры освещения иногда выбирают фильтры по цветовой температуре, обычно соответствуют свету, который теоретически является белым. Поскольку светильники, использующие лампы разрядного типа, производят свет значительно более высокой цветовой температуры, чем вольфрамовые лампы, использование двух в сочетании может потенциально вызвать резкий контраст, поэтому иногда устанавливаются светильники с HID-лампами, обычно выпускающими свет 6000-7000 K с фильтрами 3200 K для эмуляции вольфрамового света. Светильники с функциями цветного смешивания или с несколькими цветами (включая 3200 K) также способны создавать вольфрамообразный свет. Цветовая температура также может быть фактором при выборе ламп, поскольку каждая из них, вероятно, будет иметь разную цветовую температуру.

Индекс цветопередачи
Индекс цветопередачи CIE (CHI) является методом определения того, насколько хорошо освещенность источника света из восьми выборочных патчей сравнивается с освещением, обеспечиваемым опорным источником. Цитированные вместе, CRI и CCT дают количественную оценку того, какой опорный (идеальный) источник света наилучшим образом приближается к определенному искусственному свету, и в чем разница.

Спектральное распределение мощности
Источники света и источники света могут характеризоваться спектральным распределением мощности (SPD). Относительные кривые SPD, предоставленные многими производителями, могут быть получены с использованием импульсов 10 нм или более на их спектрорадиометре. В результате получается более плавное распределение мощности («более полный спектр»), чем на самом деле. Из-за их остроконечного распределения гораздо более мелкие приращения целесообразны для измерения флуоресцентных ламп, и для этого требуется более дорогое оборудование.
Цветовая температура в астрономии

Характеристическое распределение спектральной мощности звезды A0V (Teff = 9501 К, см. Вега) по сравнению с спектрами черного тела. Спектр черного тела 15000 К (пунктирная линия) соответствует видимой части звездного SPD намного лучше, чем черный корпус 9500 K. Все спектры нормированы на пересечение на 555 нм.

В астрономии цветовая температура определяется локальным наклоном СПД на заданной длине волны или, на практике, диапазоном длин волн. Учитывая, например, цветовые величины B и V, которые калибруются равными для звезды A0V (например, Vega), звездная цветовая температура T_ {C} определяется температурой, для которой индекс цвета BV черного тела радиатор соответствует звездному. Помимо B-V можно использовать и другие цветовые индексы. Цветовая температура может сильно отличаться от эффективной температуры, определяемой радиационным потоком поверхности звезды. Например, цветовая температура звезды A0V составляет около 15000 К по сравнению с эффективной температурой около 9500 К.