Измерение цветовых характеристик: координаты цветности и коррелированная цветовая температура

Современная наука определяет цвет как ощущение, возникающее в органе зрения человека при воздействии на него света. Конечно, восприятие любого цвета в первую очередь зависит от индивидуальных особенностей каждого человека, но излишняя или недостаточная  яркость и другие изменения характеристик могут привести к искажению восприятия. Поэтому измерение цветовых характеристик источников освещения необходимо проводить повсеместно. Результирующий цвет может быть выражен тремя координатами цвета или двумя координатами цветности и светлотой. Кроме того, цвет можно выразить через цветовой тон, чистоту и светлоту. Координаты цвета и цветности можно найти расчетным путем на основе спектрофотометрических характеристик цветных тел или с помощью светоизмерительных приборов, в частности на спектрофотометрах, колориметрах, компараторах и с помощью атласов цветов. Результирующий цвет находят через три линейно независимых цвета (красный, синий, зеленый; голубой, желтый, пурпурный). Международная колориметрическая система (МКО) базируется на первом законе оптического смешения цветов (1-м законе аддитивного синтеза), когда каждый цвет может быть выражен через три линейно независимых цвета. Качество цвета изменяется только при непропорциональном изменении координат цвета, то есть изменении координат цветности. При переходе к новым основным цветам любой цвет стали выражать через количество цветов X, Y, Z сумма которых является цветом. Эти количества цветов X, Y, Z носят название координат цвета в системе XYZ. А координата Y равна яркости наблюдаемого окрашенного объекта, т.к. кривая сложения y совпадает с функцией относительной спектральной световой эффективности стандартного наблюдателя МКО для дневного зрения.

В больщинстве случаев вполне достаточная точность расчета координат цвета обеспечивается с интервалом 10 нм. При спектральных характеристиках излучения с крутыми склонами прибегают к суммированию с интервалом 5 нм, а при плавных характеристиках иногда оказывается достаточной точность расчетов и с интервалом 20 нм. При выборе размера спектрального интервала для расчета координат цвета можно придерживаться правила, что этот интервал должен быть таким, чтобы использование меньшего интервала существенно не влияло на результат расчета. Для источников с узким спектром излучения, в частности интенсивные по цвету светодиоды, имеет смысл измерять с интервалом в 1 нм.

Наиболее простым прибором для измерения цвета осветительного прибора (источника света) является измеритель цветовой температуры и координат цветности, современное средство измерения (СИ) Спектроколориметр «ТКА-ВД».  

Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений. По общим приемам получения результатов измерений методы различают на: прямой и косвенный. Прямой метод измерений - измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Прямые измерения не требуют методики выполнения измерений (МВИ) и проводятся по эксплуатационной документации на применяемое средство измерений. Подтверждение соответствия этих методик обязательным метрологическим требованиям осуществляется в процессе утверждения типов данных средств измерений (ГОСТ Р 8.563-2009 Государственная система обеспечения единства измерений. Методики (методы) измерений). В соответствии с Законом РФ « Об обеспечении единства измерений» (статья 9), измерения должны выполняться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. «Измерения, относящиеся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны выполняться по аттестованным методикам (методам) измерений, за исключением методик (методов) измерений, предназначенных для выполнения прямых измерений…» (Из ФЗ № 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений» часть 1 статьи 5).

Для белого света применяется коррелированная цветовая температура, значение которой показывает, каким воспринимается белый цвет: теплым (красноватым), нейтральным или холодным (голубоватым). Стандартное определение цветовой температуры допускает отклонения цветности, которые легко могут различаться наблюдателями даже при одинаковой цветовой температуре. Поэтому обеспечить постоянство цвета является важнейшей задачей производителей светодиодов, которые разрабатывают методы строгого контроля над цветовыми характеристиками света.

Говоря техническим языком, слово «температура» в понятии цветовой температуры характеризует излучение абсолютно черного тела – твердого тела, обладающего определенными свойствами и находящегося в раскаленном состоянии. Она измеряется в градусах Кельвина (К). При повышении температуры черного тела цвет испускаемого им светового излучения изменяется следующим образом: красный – оранжевый – желтый – белый – голубой. Это напоминает кусок железа, который нагревается в кузнечном горне. Последовательность изменения цвета соответствует кривой на равноконтрастной цветовой диаграмме МКО 1976 г. с кривой Планка, рассчитанной из цветовой диаграммы МКО 1931 г. По диаграмме МКО 1976 г. видно, что все источники света, измеренные значения цветности которых лежат на одной линии, проведенной перпендикулярно кривой излучения абсолютно черного тела, имеют одинаковую цветовую температуру.

Когда цветность излучения какой-либо лампы совпадает с цветностью излучения абсолютно черного тела с температурой Т, считается, что это излучение имеет цветовую температуру Т. Если цветность излучения не совпадает ни с одной точкой линии черного тела, то выбирается ближайшая точка линии и по ней определяется коррелированная цветовая температура. Для нахождения коррелированной цветовой температуры источника излучения на цветовой диаграмме МКО 1976 г., построенной в координатах (u’,v’), определяется самая близкая к источнику точка на кривой Планка (т.е. самое короткое геометрическое расстояние). Температура черного тела, расположенного в этой точке, и будет соответствовать коррелированной цветовой температуре рассматриваемого источника (CIE, Robertson, 1968).

Однако при этом цветовые тона света, излучаемого источниками света с одинаковыми значениями цветовой температуры, могут значительно отличаться друг от друга. По этой и по другим причинам производители светодиодов используют метод управления цветовыми вариациями (и другими характеристиками), известный как сортировка по бинам.

Координаты цветности ламп накаливания на цветовой диаграмме близки к координатам абсолютно черного тела, хотя полного совпадения нет. Поэтому для таких источников цветовая температура определяется довольно точно. Стандартизованный источник освещения А, под которым сравниваются образцы цвета, имеет цветовую температуру 2856 К. Так, стандартные источники D65 и D50 имеют коррелированные цветовые температуры 6500 и 5000 К. Другие источники излучения, такие как металлогалогенные лампы, на цветовой диаграмме заметно удалены от кривой Планка. Поэтому для них надо определять коррелированную цветовую температуру. Все стандартные источники освещения, кроме А, имеют коррелированную цветовую температуру. При выборе цветовой температуры в настройках компьютерного монитора мы активизируем соответствующее соотношение интенсивностей излучения основных люминофоров, при которых белая точка будет иметь соответствующую цветовую температуру.

Таким образом, цветовая температура характеризует цветность излучения, а не его интенсивность. При увеличении цветовой температуры излучение изменяется от более теплого к более холодному.

Изменения цвета светодиода располагаются выше или ниже кривой излучения абсолютно черного тела, имеют зеленоватый оттенок, а те у которых ниже, - розоватый. На практике это означает, что указание цветовой температуры не обеспечивает одинаковый цвет. Порог, при котором разница света становится заметной, определяется эллипсом Мак-Адама. Эллипс Мак-Адама вычерчивается на диаграмме цветового пространства так, что цвет в центре эллипса отличается на определенную величину от цвета в любой точке на границе эллипса. Шкала эллипса Мак-Адама определяется стандартным порогом цветоразличения (SDCM). Разница цвета, соответствующая 1 единице SDCM, не видна, от 2 до 4 единиц - едва видна, 5 и более единиц - отчетливо видна. Стандарт цветности C78.377A (рис. Стандарт цветности C78.377A), разработанный Американским национальным институтом стандартов (ANSI), определяет 8 номинальных значений Тцв, диапазоны цветов которых ограничиваются рамками, окружающими эллипсы Мак-Адама с 7 ступенями. Светодиоды, цвет которых соответствует указанному номинальному значению Тцв и цветовому диапазону (табл. Тцв по стандарту ANSI C78.377A), соответствуют стандарту. Разница цвета в пределах областей, которые соответствуют стандартам Тцв и цветности, легко заметна. Поэтому производители светодиодов и светодиодных световых приборов разделяют каждую область на несколько бинов. В России уже актуализирован ГОСТ Р 54350-2011 «Светотехнические требования и методы испытаний» под современные технологии освещения с указанием допустимых отклонений (см. Табл. 12 и Рис. 7).

Цветовая температура также влияет на эмоциональное воздействие пространства и может сильно изменять внешний вид предметов, выставленных в магазинах, галереях и музеях. Правильный выбор цветовой температуры позволяет подобрать источник света, соответствующий обстановке, может положительно повлиять на поведение покупателя и повысить производительность труда на рабочем месте. Величина эта неоднозначна, поскольку два излучения могут иметь разное спектральное распределение энергии, но одинаковую коррелированную цветовую температуру. Соответственно, они будут по-разному передавать цвета освещаемых объектов.

Каждый измеритель цветовой температуры должен быть максимально прост в эксплуатации, легко интегрироваться с ПК и, при этом, проводить наиболее точные измерения. Всем этим требованиям отвечает Спектроколориметр «ТКА-ВД», устройство нового поколения, учитывающее цветовые характеристики источников освещения с предельной точностью. Следует отметить, что Спектроколориметр «ТКА-ВД» не имеет аналогов среди отечественных СИ. Спектроколориметры предназначены для прямых измерения координат цветности и коррелированной цветовой температуры источников света в международной колориметрической системе МКО 1931г. и 1976 г.

Производитель прибора – ООО Научно-техническое предприятие «ТКА» является признанным лидером среди изготовителей техники для оптического измерения. Многолетний опыт работы в сочетании с передовыми технологиями, используемыми в НТП «ТКА» – залог качества всей производимой продукции.

Методика измерения внесена в эксплуатационную документацию (в частности, Руководство по эксплуатации) на средство измерения в раздел Порядок работы. Подтверждение соответствия этой методики измерения обязательным метрологическим требованиям к измерениям осуществлено в процессе утверждения типа данного средства измерения. Таким образом, все выпускаемые нами приборы предназначены для выполнения прямых измерений в полном соответствии со ст.5 (Требования к измерениям) Федерального закона 102-ФЗ «Об обеспечении единства измерений».