Standard-Leuchtmittel

Ein Standard-Leuchtmittel ist eine theoretische Quelle für sichtbares Licht mit einem Profil (seiner spektralen Leistungsverteilung), das veröffentlicht wird. Standard-Leuchtmittel bieten eine Grundlage für den Vergleich von Bildern oder Farben, die unter verschiedenen Lichtverhältnissen aufgenommen wurden.

CIE-Leuchtmittel
Die Internationale Beleuchtungskommission (in der Regel als CIE für ihren französischen Namen abgekürzt) ist die verantwortliche Stelle für die Veröffentlichung aller bekannten Standard-Leuchtmittel. Jede davon ist durch einen Buchstaben oder eine Buchstaben-Zahlen-Kombination bekannt.

Die Leuchtmittel A, B und C wurden 1931 mit der Absicht eingeführt, durchschnittliches Glühlicht, direktes Sonnenlicht und durchschnittliches Tageslicht zu repräsentieren. Die Leuchtmittel D stellen die Phasen des Tageslichts dar, das Leuchtmittel E ist das Leuchtmittel gleicher Energie, während die Leuchtmittel F Leuchtstofflampen verschiedener Zusammensetzung darstellen.

Es gibt Anweisungen, wie Lichtquellen („Standardquellen“), die den älteren Leuchtmitteln entsprechen, experimentell hergestellt werden können. Für die relativ neueren (wie zB die Serie D) müssen die Experimentatoren die Profile ihrer Quellen messen und sie mit den veröffentlichten Spektren vergleichen:

Gegenwärtig wird keine künstliche Quelle empfohlen, um CIE-Standardlichtart D65 oder irgendein anderes Leuchtmittel D von verschiedenen CCT zu realisieren. Es ist zu hoffen, dass neue Entwicklungen bei Lichtquellen und Filtern eine ausreichende Grundlage für eine CIE-Empfehlung bieten.

– CIE, Technischer Bericht (2004) Colorimetry, 3. Ausgabe, Publikation 15: 2004, CIE Central Bureau, Wien
Nichtsdestoweniger bieten sie eine Maßnahme, den Metamerismus-Index, um die Qualität von Tageslicht-Simulatoren zu bewerten.Der Metamerismus-Index testet, wie gut fünf Sätze metamerischer Proben unter der Test- und Referenzlichtart übereinstimmen. In ähnlicher Weise wie der Farbwiedergabeindex wird der durchschnittliche Unterschied zwischen den Metamern berechnet.

Leuchtmittel A
Die CIE definiert Leuchtmittel A wie folgt:

CIE-Normlichtart A soll typische, häusliche Wolframfadenbeleuchtung darstellen. Seine relative spektrale Leistungsverteilung ist die eines Planckschen Strahlers bei einer Temperatur von etwa 2856 K. Das CIE-Normlicht A sollte in allen Anwendungen der kolorimetrischen Beleuchtung verwendet werden, es sei denn, es gibt bestimmte Gründe für die Verwendung eines anderen Leuchtmittels.

– CIE, CIE Standard-Leuchtmittel für die Farbmessung
Die spektrale Strahlungsausstrahlung eines schwarzen Körpers folgt dem Planckschen Gesetz:

Zum Zeitpunkt der Standardisierung von Leuchtmittel A, beides  (was die relative SPD nicht beeinflusst) und  waren anders. 1968 wurde die Schätzung von c2 von 0,01438 m · K auf 0,014388 m · K revidiert (zuvor waren es 0,01435 m · K, wenn Leuchtmittel A standardisiert wurde). Dieser Unterschied verschiebt den Planckschen Locus und ändert die Farbtemperatur des Leuchtkörpers von seinen nominellen 2848 K auf 2856 K:

Um weitere mögliche Änderungen in der Farbtemperatur zu vermeiden, spezifiziert die CIE nun die SPD direkt basierend auf dem ursprünglichen (1931) Wert von c2:

Die Koeffizienten wurden so gewählt, dass ein Spitzen-SPD von 100 nm bei 560 nm erreicht wird. Die Normfarbwerte sind (X, Y, Z) = (109,85, 100,00, 35,58) und die Chromatizitätskoordinaten unter Verwendung des Standardbeobachters sind (x, y) = (0,447,58, 0,407,45).

Leuchtmittel B und C
Die Leuchtmittel B und C sind leicht zu simulierende Tageslichtsimulationen. Sie modifizieren Illuminant A unter Verwendung von Flüssigkeitsfiltern. B diente als Repräsentant des Mittagssonnenlichts mit einer korrelierten Farbtemperatur (CCT) von 4874 K, während C durchschnittliches Tageslicht mit einer CCT von 6774 K darstellte. Leider sind dies schlechte Annäherungen an jede Phase des natürlichen Tageslichts, insbesondere in der kurzwellige sichtbare und im ultravioletten Spektralbereich. Sobald realistischere Simulationen realisierbar waren, wurden die Illuminants B & C zugunsten der D-Serie abgelöst:Beleuchtungsschränke wie das Spectralight III, die gefilterte Glühlampen verwenden, passen besser zu den D-Leuchtmitteln im Bereich 400 nm bis 700 nm als die Fluoreszenz-Tageslicht-Simulatoren.

Das Leuchtmittel C hat nicht den Status von CIE-Standard-Leuchtmitteln, aber seine relative spektrale Leistungsverteilung, Tristimulus-Werte und Farbwertkoordinaten sind in Tabelle T.1 und Tabelle T.3 angegeben, da viele praktische Messinstrumente und Berechnungen immer noch dieses Leuchtmittel verwenden.

– CIE, Publikation 15: 2004
Lichtart B wurde 2004 nicht so geehrt.

Die Flüssigkeitsfilter, die 1931 von Raymond Davis, Jr. und Kasson S. Gibson entworfen wurden, haben eine relativ hohe Extinktion am roten Ende des Spektrums, wodurch die CCT der Glühlampe effektiv auf Tageslichtniveau erhöht wird. Dies ähnelt in der Funktion einem CTO-Farbgel, das heute von Fotografen und Kameramännern verwendet wird, wenn auch viel weniger bequem.

Jeder Filter verwendet ein Paar von Lösungen, die spezifische Mengen an destilliertem Wasser, Kupfersulfat, Mannit, Pyridin, Schwefelsäure, Cobalt und Ammoniumsulfat umfassen. Die Lösungen sind durch eine Folie aus ungefärbtem Glas getrennt. Die Mengen der Bestandteile werden sorgfältig ausgewählt, so dass ihre Kombination einen Farbtemperatur-Konversionsfilter ergibt;Das heißt, das gefilterte Licht ist immer noch weiß.

Leuchtmittelserie D
Die D-Serie wurde von Judd, MacAdam und Wyszecki entwickelt und ist so konstruiert, dass sie natürliches Tageslicht darstellt. Sie sind künstlich schwer herzustellen, aber mathematisch einfach zu charakterisieren.

HW Budde vom National Research Council von Kanada in Ottawa, HR Condit und F. Grum von der Eastman Kodak Company in Rochester, New York, und ST Henderson und D. Hodgkiss von Thorn Electrical Industries in Enfield hatten unabhängig voneinander die spektrale Energieverteilung gemessen ( SPD) von 330 nm bis 700 nm, insgesamt 622 Proben. Judd et al.analysierten diese Proben und fanden heraus, dass die (x, y) Farbartkoordinaten eine einfache, quadratische Beziehung hatten:

Simonds überwachte die charakteristische Vektoranalyse der SPDs. Die Anwendung seiner Methode ergab, dass die SPDs zufriedenstellend approximiert werden konnten, indem der Mittelwert (S0) und die ersten beiden charakteristischen Vektoren (S1 und S2) verwendet wurden:

Vereinfacht ausgedrückt kann die SPD der untersuchten Tageslichtproben als Linearkombination von drei festen SPDs ausgedrückt werden. Der erste Vektor (S0) ist der Mittelwert aller SPD-Proben, was die beste rekonstituierte SPD ist, die mit nur einem festen Vektor gebildet werden kann. Der zweite Vektor (S1) entspricht einer Gelb-Blau-Variation, wobei Änderungen in der korrelierten Farbtemperatur aufgrund des Vorhandenseins oder Fehlens von Wolken oder direktem Sonnenlicht berücksichtigt werden. Der dritte Vektor (S2) entspricht einer rosa-grünen Variation, die durch die Anwesenheit von Wasser in Form von Dampf und Trübung verursacht wird.

Um einen Tageslichtsimulator einer bestimmten korrelierten Farbtemperatur zu konstruieren, müssen lediglich die Koeffizienten M1 und M2 der charakteristischen Vektoren S1 und S2 bekannt sein.

Ausdrücken der Farbwerte x und y als:

und unter Verwendung bekannter Tristimulus-Werte für die mittleren Vektoren konnten sie M1 und M2 wie folgt ausdrücken:

Das einzige Problem ist, dass dies die Berechnung der Koordinate (x, y) für eine bestimmte Phase des Tageslichts nicht gelöst hat.Judd et al. tabellierte einfach die Werte bestimmter Farbartkoordinaten, die üblicherweise verwendeten korrelierten Farbtemperaturen wie 5500 K, 6500 K und 7500 K entsprechen. Für andere Farbtemperaturen kann man sich auf von Kelly erstellte Zahlen beziehen. Dieses Problem wurde im CIE-Bericht behandelt, der die Lichtart D mit einer Näherung der x-Koordinate in Bezug auf die reziproke Farbtemperatur von 4000 K bis 25000 K formalisierte. Die y-Koordinate folgte trivial aus Judds quadratischer Beziehung.

Judd et al. Dann wurden die rekonstituierten SPDs auf 300 nm-330 nm und 700 nm-830 nm erweitert, indem die Spektralabsorptionsdaten der Erdatmosphäre verwendet wurden.

Die tabellierten SPDs, die heute von der CIE vorgestellt werden, werden durch lineare Interpolation des 10 nm-Datensatzes auf 5 nm abgeleitet. Die beschränkte Natur der photometrischen Daten ist kein Hindernis für die Berechnung der CIEXYZ-Farbwerte, da die Farbanpassungsfunktionen des CIE-Farbmessstandards nur in Schritten von 5 nm von 380 bis 780 nm tabelliert werden.

Ähnliche Studien wurden in anderen Teilen der Welt durchgeführt oder die Analyse von Judd et al. Mit modernen computergestützten Methoden wiederholt. In einigen dieser Studien ist der Tageslicht-Locus merklich näher am Planckschen Locus als in Judd et al.

Berechnung
Die relative spektrale Leistungsverteilung (SPD)  eines D-Serie-Leuchtmittels kann aus seinen Farbwertkoordinaten im CIE 1931-Farbraum abgeleitet werden,  :

wo T der CCT des Leuchtmittels ist. Die Chromatizitätskoordinaten der Leuchtmittel D sollen den CIE Daylight Locus bilden. Die relative SPD ist gegeben durch:

   
woher  sind die mittleren und ersten zwei Eigenvektor-SPDs, die oben dargestellt sind. Die charakteristischen Vektoren haben beide eine Null bei 560 nm, da alle relativen SPDs über diesen Punkt normalisiert worden sind.

Die CCTs der kanonischen Lichtarten D50, D55, D65 und D75 unterscheiden sich geringfügig von dem, was ihre Namen andeuten.Zum Beispiel hat D50 eine CCT von 5003 K („Horizontlicht“), während D65 eine CCT von 6504 K (Mittagshell) hat. Wie in einem vorhergehenden Abschnitt erklärt, liegt dies daran, dass der Wert der Konstanten im Planckschen Gesetz seit der Definition dieser kanonischen Lichtarten, deren SPDs auf den ursprünglichen Werten im Planckschen Gesetz beruhen, leicht geändert wurde. Um alle signifikanten Ziffern der publizierten Daten der kanonischen Leuchtmittel zu vergleichen, müssen die Werte von M1 und M2 vor der Berechnung von SD auf drei Dezimalstellen gerundet werden.

Leuchtmittel E
Leuchtmittel E ist ein Heizkörper gleicher Energie; es hat eine konstante SPD innerhalb des sichtbaren Spektrums. Es ist nützlich als eine theoretische Referenz; ein Leuchtmittel, das allen Wellenlängen gleiches Gewicht verleiht und eine gleichmäßige Farbe aufweist. Es hat auch gleiche CIE XYZ-Farbwerte, daher sind seine Farbkoordinaten (x, y) = (1 / 3,1 / 3). Dies ist beabsichtigt; Die XYZ-Farbanpassungsfunktionen sind so normalisiert, dass ihre Integrale über das sichtbare Spektrum gleich sind.

Illuminant E ist kein schwarzer Körper, also hat es keine Farbtemperatur, aber es kann durch ein D-Serien-Leuchtmittel mit einer CCT von 5455 K angenähert werden. (Von den kanonischen Leuchtmitteln ist D55 am nächsten.) Hersteller vergleichen manchmal Licht Quellen gegen Illuminant E zur Berechnung der Anregungsreinheit.

Leuchtmittel Serie F
Die F-Serie von Leuchtmitteln repräsentiert verschiedene Arten von Leuchtstofflampen.

F1-F6 „Standard“ -Leuchtstofflampen bestehen aus zwei Semi-Breitband-Emissionen von Antimon- und Mangan-Aktivierungen in Calciumhalophosphat-Leuchtstoff. F4 ist von besonderem Interesse, da es zum Kalibrieren des CIE-Farbwiedergabeindex verwendet wurde (die CRI-Formel wurde so gewählt, dass F4 einen CRI von 51 hätte). F7-F9 sind „Breitband“ (Vollspektrumlicht) Fluoreszenzlampen mit mehreren Leuchtstoffen und höheren CRIs. Schließlich sind F10-F12 schmale Dreibandenleuchtmittel, die aus drei „Schmalband“ -Emissionen (verursacht durch ternäre Zusammensetzungen von Seltenerd-Leuchtstoffen) in den R-, G-, B-Bereichen des sichtbaren Spektrums bestehen. Die Phosphorgewichte können abgestimmt werden, um die gewünschte CCT zu erreichen.

Die Spektren dieser Leuchtmittel sind in Publikation 15: 2004 veröffentlicht.

• 

  FL 1-6 : Standard

• 

  FL 7-9 : Breitband

• 

  FL 10-12 : Schmalband

Leuchtmittelserie L
Die Veröffentlichung einer L-Serie von Leuchtmitteln wird Mitte 2018 erwartet. Es wird verschiedene Arten von LED-Beleuchtung darstellen.

Weißer Punkt

Das Spektrum eines Standard-Leuchtmittels kann wie jedes andere Lichtprofil in Tristimulus-Werte umgewandelt werden. Der Satz von drei Tristimulus-Koordinaten eines Leuchtmittels wird als weißer Punkt bezeichnet. Wenn das Profil normalisiert ist, kann der Weißpunkt äquivalent als ein Paar Farbartkoordinaten ausgedrückt werden.

Wenn ein Bild in Tristimulus-Koordinaten (oder in Werten, die in und von diesen umgewandelt werden können) aufgezeichnet wird, gibt der Weißpunkt der verwendeten Lichtquelle den Maximalwert der Tristimulus-Koordinaten an, die an jedem Punkt im Bild, in die Abwesenheit von Fluoreszenz. Es heißt der weiße Punkt des Bildes.

Der Prozess der Berechnung des Weißpunkts verwirft viele Informationen über das Profil des Leuchtmittels, und obwohl es für jeden Leuchtkörper der exakte Weißpunkt berechnet werden kann, ist es nicht so, dass man den Weißpunkt eines Leuchtpunkts kennt Das Bild allein sagt dir viel über das Leuchtmittel aus, mit dem es aufgenommen wurde.

Eine Liste von standardisierten Leuchtmitteln, ihre CIE-Farbartkoordinaten (x, y) eines perfekt reflektierenden (oder transmittierenden) Diffusors und ihre korrelierten Farbtemperaturen (CCTs) sind unten angegeben. Die CIE-Farbartkoordinaten sind sowohl für das 2-Grad-Sichtfeld (1931) als auch für das 10-Grad-Sichtfeld (1964) angegeben. Die Farbfelder repräsentieren den Farbton und das RGB jedes Weißpunkts, berechnet mit der Leuchtdichte Y = 0,54, und den Standardbeobachter unter der Annahme einer korrekten sRGB-Anzeigekalibrierung.