Iluminador estándar

Un iluminante estándar es una fuente teórica de luz visible con un perfil (su distribución de potencia espectral) que se publica. Los iluminantes estándar proporcionan una base para comparar imágenes o colores grabados con diferente iluminación.

Iluminadores CIE
La Comisión Internacional de Iluminación (generalmente abreviado CIE por su nombre en francés) es el organismo responsable de publicar todos los iluminantes estándar conocidos. Cada uno de estos se conoce por una letra o por una combinación de letra y número.

Los iluminantes A, B y C se introdujeron en 1931, con la intención de representar respectivamente la luz incandescente promedio, la luz solar directa y la luz diurna promedio. Los iluminantes D representan las fases de la luz del día, el Iluminante E es el iluminante de igual energía, mientras que los Iluminantes F representan las lámparas fluorescentes de diversa composición.

Hay instrucciones sobre cómo producir experimentalmente fuentes de luz («fuentes estándar») correspondientes a los iluminantes más antiguos. Para los relativamente nuevos (como la serie D), los experimentadores deben medir los perfiles de sus fuentes y compararlos con los espectros publicados:

En la actualidad no se recomienda una fuente artificial para realizar el iluminante estándar CIE D65 o cualquier otro iluminante D de CCT diferente. Se espera que los nuevos desarrollos en fuentes de luz y filtros eventualmente ofrezcan una base suficiente para una recomendación de CIE.

– CIE, Informe técnico (2004) Colorimetry, 3ª ed., Publicación 15: 2004, Oficina Central de la CIE, Viena
Sin embargo, proporcionan una medida, llamada Índice de Metamerismo, para evaluar la calidad de los simuladores de luz diurna.El Metamerism Index prueba qué tan bien cinco juegos de muestras metaméricas coinciden bajo la prueba y el iluminante de referencia. De manera similar al índice de reproducción de color, se calcula la diferencia promedio entre los metamétros.

Iluminante A
El CIE define iluminante A en estos términos:

El iluminante estándar CIE A está destinado a representar una iluminación doméstica típica de filamentos de tungsteno. Su distribución de potencia espectral relativa es la de un radiador Planckian a una temperatura de aproximadamente 2856 K. El iluminante estándar CIE A debe utilizarse en todas las aplicaciones de colorimetría que impliquen el uso de iluminación incandescente, a menos que existan razones específicas para utilizar un iluminante diferente.

– CIE, CIE Iluminantes estándar para colorimetría
La salida radiante espectral de un cuerpo negro sigue la ley de Planck:

En el momento de estandarizar el iluminante A, ambos  (que no afecta el SPD relativo) y  Eran diferentes. En 1968, la estimación de c ₂ se revisó de 0.01438 m · K a 0.014388 m · K (y antes de eso, era 0.01435 m · K cuando el iluminante A estaba estandarizado). Esta diferencia cambió el locus de Planck, cambiando la temperatura de color del iluminante de su valor nominal de 2848 K a 2856 K:

Para evitar otros posibles cambios en la temperatura de color, el CIE ahora especifica el SPD directamente, basado en el valor original (1931) de c2:

Los coeficientes se han seleccionado para lograr un pico de SPD de 100 nm a 560 nm. Los valores de triestímulo son (X, Y, Z) = (109.85, 100.00, 35.58), y las coordenadas de cromaticidad que usan el observador estándar son (x, y) = (0.447,58, 0.407,45).

Iluminantes B y C
Los iluminantes B y C se logran fácilmente con simulaciones de luz diurna. Modifican el Iluminante A mediante el uso de filtros de líquidos. B sirvió como representante de la luz del sol del mediodía, con una temperatura de color correlacionada (CCT) de 4874 K, mientras que C representó la luz promedio del día con un CCT de 6774 K. Desafortunadamente, son aproximaciones pobres de cualquier fase de luz natural, particularmente en de onda corta visible y en los rangos espectrales ultravioleta. Una vez que se lograron simulaciones más realistas, Illuminants B & C quedó en desuso en favor de la serie D: Los gabinetes de iluminación, como el Spectralight III, que utilizan lámparas incandescentes filtradas se ajustan mejor a los iluminantes D en el rango de 400 nm a 700 nm que los simuladores fluorescentes de luz diurna.

El iluminante C no tiene el estado de iluminantes estándar CIE, pero su distribución espectral relativa de potencia, valores de triestímulo y coordenadas de cromaticidad se dan en la Tabla T.1 y la Tabla T.3, ya que muchos instrumentos de medición prácticos y cálculos todavía usan este iluminante.

– CIE, Publicación 15: 2004
Iluminante B no fue honrado en 2004.

Los filtros de líquido, diseñados por Raymond Davis, Jr. y Kasson S. Gibson en 1931, tienen una absorbancia relativamente alta en el extremo rojo del espectro, aumentando efectivamente el CCT de la lámpara incandescente a niveles de luz diurna. Esta función es similar a la de un gel de color CTO que los fotógrafos y cinematógrafos usan hoy en día, aunque es mucho menos conveniente.

Cada filtro usa un par de soluciones, que comprenden cantidades específicas de agua destilada, sulfato de cobre, manita, piridina, ácido sulfúrico, cobalto y sulfato de amonio. Las soluciones están separadas por una hoja de vidrio sin color. Las cantidades de los ingredientes se seleccionan cuidadosamente de modo que su combinación produzca un filtro de conversión de temperatura de color; es decir, la luz filtrada sigue siendo blanca.

Serie Illuminante D
Derivado por Judd, MacAdam y Wyszecki, la serie D de iluminantes está construida para representar la luz natural del día. Son difíciles de producir artificialmente, pero son fáciles de caracterizar matemáticamente.

HW Budde del Consejo Nacional de Investigación de Canadá en Ottawa, HR Condit y F. Grum de Eastman Kodak Company en Rochester, Nueva York, y ST Henderson y D. Hodgkiss de Thorn Electrical Industries en Enfield habían medido independientemente la distribución de poder espectral ( SPD) de luz diurna de 330 nm a 700 nm, totalizando entre ellos 622 muestras. Judd et al. analizaron estas muestras y encontraron que las coordenadas de cromaticidad (x, y) tenían una relación cuadrática simple:

Simonds supervisó el análisis vectorial característico de los SPD. La aplicación de este método reveló que los SPD pueden aproximarse satisfactoriamente mediante el uso de la media (S0) y de los primeros dos vectores característicos (S1 y S2):

En términos más simples, el SPD de las muestras de luz diurna estudiadas se puede expresar como la combinación lineal de tres SPD fijas. El primer vector (S0) es la media de todas las muestras de SPD, que es la mejor SPD reconstituida que se puede formar con solo un vector fijo. El segundo vector (S1) corresponde a la variación amarillo-azul, que explica los cambios en la temperatura de color correlacionada debido a la presencia o ausencia de nubes o luz solar directa. El tercer vector (S2) corresponde a la variación rosa-verde causada por la presencia de agua en forma de vapor y neblina.

Para construir un simulador de luz diurna de una determinada temperatura de color correlacionada, basta con conocer los coeficientes M1 y M2 de los vectores característicos S1 y S2.

Expresando las cromaticidades xey como:

y haciendo uso de valores triestímulos conocidos para los vectores medios, pudieron expresar M1 y M2 de la siguiente manera:

El único problema es que esto dejó sin resolver el cálculo de la coordenada (x, y) para una fase particular de la luz del día. Judd et al. simplemente se tabularon los valores de ciertas coordenadas de cromaticidad, correspondientes a las temperaturas de color correlacionadas comúnmente utilizadas, como 5500 K, 6500 K y 7500 K. Para otras temperaturas de color, se pueden consultar las figuras hechas por Kelly. Este problema fue abordado en el informe CIE que formalizó el iluminante D, con una aproximación de la coordenada x en términos de la temperatura de color recíproca, válida de 4000 K a 25,000 K. La coordenada y seguida trivialmente de la relación cuadrática de Judd.

Judd et al. luego extendió los SPD reconstituidos a 300 nm-330 nm y 700 nm-830 nm utilizando los datos de absorbancia espectral de Moon de la atmósfera de la Tierra.

Los SPD tabulados presentados hoy por el CIE se derivan por interpolación lineal del conjunto de datos de 10 nm a 5 nm. La naturaleza limitada de los datos fotométricos no es un impedimento para el cálculo de los valores triestímulos de CIEXYZ ya que las funciones de coincidencia de color del observador colorimétrico estándar CIE solo se tabulan de 380 a 780 nm en incrementos de 5 nm.

Estudios similares se han llevado a cabo en otras partes del mundo, o repitiendo el análisis de Judd et al. Con métodos computacionales modernos. En varios de estos estudios, el locus de luz diurna se acerca mucho más al locus de Planck que a Judd et al.

Cálculo
La distribución de potencia espectral relativa (SPD)  de un iluminante de la serie D se puede derivar de sus coordenadas de cromaticidad en el espacio de color CIE 1931,  :

donde T es el CCT del iluminante. Se dice que las coordenadas de cromaticidad de los Iluminantes D forman el Locus de luz diurna CIE. El SPD relativo está dado por:

   
dónde  son las medias y las primeras dos SPD de vectores propios, representadas anteriormente. Los vectores característicos tienen un cero a 560 nm, ya que todos los SPD relativos se han normalizado alrededor de este punto.

Los CCT de los iluminantes canónicos, D50, D55, D65 y D75, difieren ligeramente de lo que sugieren sus nombres. Por ejemplo, D50 tiene un CCT de 5003 K (luz de «horizonte»), mientras que D65 tiene un CCT de 6504 K (luz de mediodía). Como se explicó en una sección anterior, esto se debe a que el valor de las constantes en la ley de Planck ha cambiado ligeramente desde la definición de estos iluminadores canónicos, cuyos SPD se basan en los valores originales de la ley de Planck. Para hacer coincidir todos los dígitos significativos de los datos publicados de los iluminantes canónicos, los valores de M1 y M2 deben redondearse a tres cifras decimales antes del cálculo de SD.

Iluminante E
Iluminante E es un radiador de igual energía; tiene un SPD constante dentro del espectro visible. Es útil como referencia teórica;un iluminante que da el mismo peso a todas las longitudes de onda, presentando un color uniforme. También tiene valores triestímulos CIE XYZ iguales, por lo tanto, sus coordenadas de cromaticidad son (x, y) = (1 / 3,1 / 3). Esto es por diseño; las funciones de coincidencia de color XYZ están normalizadas de modo que sus integrales sobre el espectro visible son las mismas.

El iluminante E no es un cuerpo negro, por lo que no tiene una temperatura de color, pero puede aproximarse mediante un iluminador de serie D con un CCT de 5455 K. (De los iluminadores canónicos, D55 es el más cercano). Los fabricantes a veces comparan la luz fuentes contra Illuminante E para calcular la pureza de excitación.

Serie Illuminante F
La serie F de iluminantes representa varios tipos de iluminación fluorescente.

Las lámparas fluorescentes «estándar» F1-F6 constan de dos emisiones de semianda banda de activaciones de antimonio y manganeso en el fósforo de halofosfato de calcio. F4 es de particular interés ya que se usó para calibrar el índice de representación cromática CIE (la fórmula CRI se eligió de forma que F4 tuviera una CRI de 51). F7-F9 son lámparas fluorescentes de «banda ancha» (luz de espectro completo) con múltiples fósforos y CRI más altos. Finalmente, F10-F12 son iluminadores de banda estrecha que consisten en tres emisiones de «banda estrecha» (causadas por composiciones ternarias de fósforos de tierras raras) en las regiones R, G, B del espectro visible. Los pesos de fósforo se pueden ajustar para lograr el CCT deseado.

Los espectros de estos iluminantes se publican en la Publicación 15: 2004.

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  FL 1-6 : Estándar

• 

  FL 7-9 : banda ancha

• 

  FL 10-12 : banda estrecha

Serie Illuminante L
Se espera la publicación de una serie L de iluminantes a mediados de 2018. Representará varios tipos de iluminación LED.

punto blanco

El espectro de un iluminante estándar, como cualquier otro perfil de luz, se puede convertir en valores triestímulos. El conjunto de tres coordenadas triestímulo de un iluminante se llama punto blanco. Si el perfil está normalizado, entonces el punto blanco puede expresarse de manera equivalente como un par de coordenadas de cromaticidad.

Si una imagen se registra en coordenadas triestímulo (o en valores que se pueden convertir ay desde ellas), entonces el punto blanco del iluminante utilizado da el valor máximo de las coordenadas triestímulo que se grabarán en cualquier punto de la imagen, en la ausencia de fluorescencia Se llama el punto blanco de la imagen.

El proceso de cálculo del punto blanco descarta una gran cantidad de información sobre el perfil del iluminante, por lo que, aunque es cierto que por cada iluminante se puede calcular el punto blanco exacto, no es el caso que se conozca el punto blanco de un la imagen sola te dice mucho sobre el iluminante que se usó para grabarlo.

A continuación se proporciona una lista de iluminantes estandarizados, sus coordenadas de cromaticidad CIE (x, y) de un difusor perfectamente reflejante (o transmisor) y sus temperaturas de color correlacionadas (CCT). Las coordenadas de cromaticidad CIE se dan para el campo de visión de 2 grados (1931) y el campo de visión de 10 grados (1964). Las muestras de color representan el matiz y RGB de cada punto blanco, calculados con luminancia Y = 0.54 y el observador estándar, suponiendo la calibración de visualización sRGB correcta.