ТОЧКА ОПОРЫ - световые решения, проекты освещения
 

События
Спектральные характеристики отражения реальных объектов, материалов и кожных покровов человека


Метод количественной оценки цветопередачи, используемый до настоящего времени в международной практике, разработан экспертами МКО и изложен в Публикации CIE № 13.3 [Method of Measuring and Specifying Colour Rendering Properties of Light Sources]. (см. «Приложение»).

Однако выяснилось, что спектральные кривые отражения ρ(λ) контрольных образцов МКО чаще всего не совпадают со спектрами отражения многих реальных объектов предметного мира, в котором живут люди.

Кроме того, необходимость корректировки методики МКО диктует специфичный характер спектров излучения «новых» полупроводниковых источников света – светодиодов, которые активно завоёвывают позиции в технике внутреннего и наружного освещения.

С целью выработки альтернативного (методике МКО) варианта оценки цветопередачи, объединенная группа исследователей из Германии, Великобритании и Венгрии в течение 2 лет (2011-2012гг.) провела фундаментальные исследования и измерения спектров отражения – кривых ρ(λ) реальных объектов, окружающих человека в повседневной жизни: (рис. 1)

  • зеленых, красных, жёлтых и оранжевых плодов фруктов и овощей (яблок, груш, огурцов, киви, салата, клубники, томатов, лимонов, бананов, апельсинов, персиков, абрикосов, грейпфрутов и др.);
  • листвы деревьев;
  • хлопковых (в том числе джинсовых) и полиэфирных тканей одежды;
  • ковров;
  • полиграфических продуктов (журналов, каталогов, книг, газет);
  • отделочных материалов мебели.

Рис. 1

Измерения проводились инженерами и студентами светотехнической кафедры Дармштадтского Университета (Германия), Университета г. Лидса (Великобритания) и Университета Pannonia (Венгрия).
Основной задачей было систематизировать и проанализировать новые результаты измерений реальных цветных объектов для того, чтобы предложить МКО новые определения индекса цветопередачи.

При исследованиях все объекты освещались тепловым источником света с непрерывным спектром – галогенной лампой накаливания (Тц= 2856 К, а общий индекс цветопередачи которой – Ra по методике МКО равен 100).

Измерения проводились прецизионно отградуированным (по белому эталону) спектрорадиометром в видимой области оптического спектра (в диапазоне длин волн λ = 400-700 нм).

Спектральные функции отражения ρ(λ) были рассортированы по преобладающему цвету объектов: красные и розовые, зелёные, жёлтые, голубые и фиолетовые, оттенки цвета кожи человека.
К измерениям привлекались люди различных национальностей и обоих полов (всего 40 человек).
Эти данные были сравнены со стандартизованным контрольным МКО образцом TCS 13 (названным авторами методики как кожный покров человека «кавказской» расы). (рис. 2).
Спектр отражения этого образца МКО достаточно резко отличается от измеренных спектральных характеристик отражения кожных покровов людей, привлечённых к измерениям.

Рис. 2

У образца МКО резкий подъем кривой ρ(λ) начинается уже при λ = 540 нм.
У светлых же тонов европейских и азиатских кожных покровов этот подъем зафиксирован только начиная с λ = 575 нм.

Эти кривые ρ(λ) к тому же имеют спектральные побочные максимумы при λ = 510 и 560 нм, а также спектральные побочные минимумы при λ = 420, 537, 573 нм (причина – узкая полоса поглощения красного вещества крови – гемоглобина).
Оттенки кожи у испытуемых 56М, 59М и 60 М темнее, с низким коэффициентом отражения и в форме их кривых ρ(λ) нет явных максимумов при выше указанных длинах волн.

Рис. 3

На рис. 3 показано семейство кривых ρ(λ) различных реальных объектов зелёных цветов (листьев деревьев, груш яблок, киви), шерстяного свитера, хлопковой мужской сорочки и женской блузки), а также трёх зелёных контрольных образцов МКО – TCS 03 , TCS 04 и TCS 11.

Кривые спектров TCS 04 и TCS 11 имеют относительно явно выраженные максимумы при λ = 510 нм, а кривая TCS 03 и зелёной рубашки из натурального хлопка – при λ = 540 нм.

По-видимому, некоторые технологические процессы окрашивания (текстиль, цветные лаки) обусловливают наличие максимумов кривых ρ(λ) при длинах волн λ = 510 и 540 нм.
В противоположность этому, для естественных зелёных объектов (яблок или листвы) у кривых ρ(λ) характерны максимумы при λ = 555 нм (например, «жирная» красная кривая) и пологий участок спектра между λ = 540 и 640 нм.

Рис. 4

Спектры отражения голубых и фиолетовых объектов иллюстрирует рис. 4.
Контрольный образец МКО (TCS 12) имеет максимум кривой ρ(λ) при λ = 465 нм (голубая зона спектра) и исчезающе малую долю отражения в диапазоне λ = 560-680 нм (от зелёно-жёлтого до красного) и воспринимается как насыщенный синий.

У лилового образца МКО – TCS07 максимум кривой ρ(λ) - при λ = 420 нм и относительно высокая доля отражения от λ = 600 нм и далее.

Поэтому, чтобы такие цветовые оттенки хорошо воспроизводились при визуальном восприятии, освещающий их источник света должен иметь достаточную интенсивность излучения с длинами волн λ = 420 и λ > 600 нм.

Это достаточно проблематично для холодно-белых светодиодов с пиком кривой излучения голубого кристалла на участке λ = 460-465 нм, так же как и с обычными люминофорами на основе алюмоиттриевого граната (YAG)

Кривые ρ(λ) голубой джинсовой ткани и голубых хлопковых брюк принципиально такие же, как и у образца МКО TCS 07.
Лиловые цветы («жирная» красная кривая) имеют достаточно интенсивную долю отражения в зоне λ = 440-460 нм и при λ > 600 нм (красная область).

Рис. 5

Измерения спектральных кривых ρ(λ) красных и розовых объектов показаны на рис. 5.
Красный насыщенный контрольный образец МКО – TCS 09 (и соответствующий частный индекс цветопередачи R9) вот уже почти 50 лет являются для производителей источников света важнейшим критерием оптимизации спектров излучения для воспроизведения красных цветов.

Коэффициент отражения этого образца на участке длин волн от λ = 400 нм (фиолет) до 580 нм (жёлтая зона спектра) – не более 5%.
Резкое повышение отражения происходит в диапазоне λ = 580-640 нм.

Ход спектральной кривой образца МКО (обозначенного как «интенсивно насыщенный красный») показывает, однако, что он, как в жёлтой (580-590 нм) так и в оранжевой зонах (590-610 нм), отражает достаточно хорошо, т.е. до начала собственно красного участка спектра λ ≥610 нм.

Между тем, в природе есть красные цвета, которые более важны и значимы для изготовителей источников света. Тёмно-красный пион (на рис. 5 – «жирная» коричневая кривая) почти ничего не отражает до λ = 605 нм, а затем кривая ρ(λ) достаточно интенсивно возрастает до 720 нм.

Таким образом, доля излучения в спектре ламп на участке до λ = 610 нм практически очень малозначима.
Для того, чтобы достоверно воспроизвести этот тёмно-красный цвет пиона (как, например, он выглядит под светом лампы накаливания или при освещении стандартными источниками дневного света “D55” или “D65”) источники света должны иметь достаточную компоненту излучения начиная с λ = 610 нм.
То же самое можно сказать относительно воспроизведения цвета земляники и красных яблок [Apfel 1] («жирная» и штрихпунктирная кривые на рис.5).
Для этого, чаще всего, недостаточно применять только красный люминофор или красный светодиод с максимумом длины волны излучения в зоне λ = 610 нм. Однако, это практикуют в настоящее время некоторые известные производители светодиодов и светодиодных модулей.

Анализируя спектральные кривые ρ(λ) земляники, красных яблок, вишни, красных роз и салями, можно заключить, что в светодиодах необходимо применять красный люминофор с максимумом длины волны излучения, по крайней мере, не менее, чем при λ = 630 нм.

Сравнивая этот вывод со спектрами компактных люминесцентных ламп тёпло-белого (2795 К) и холодно-дневного света (6163 К), можно заключить, у этих ламп излучение в красной области (λ = 635-640 нм) практически отсутствует, и поэтому естественные красные цвета будут воспроизводиться этими лампами недостаточно достоверно.
Расчёты показали, что у компактной люминесцентной лампы с Тц = 2795 К специальный индекс цветопередачи R9 = 10, а у лампы с Тц = 6163 – R9 = 29.
(Для сравнения: у исследованных светодиодов с Тц = 2488 и 3695 К и интенсивной долей красного излучения индекс цветопередачи красных цветов R9 = 96-97.)

Рис. 6

У спектральных кривых ρ(λ) жёлтых объектов (рис.6), например, у образца МКО TCS 10 и хлопковой рубашки, подъем кривой начинается уже после λ = 490 нм, в то время как у ряда естественных цветов (мандарины, бананы, герберы) рост кривых ρ(λ) отмечается только начиная с λ = 520-540 нм.

У некоторых фруктов (персики, абрикосы) в кривых ρ(λ) обнаруживаются побочные минимумы в области λ = 660 и 680 нм, что указывает на наличие полосы поглощения воды или хлорофилла.

Приведенные данные позволяют объективно оценить приемлемость того или иного источника света (с точки зрения цветопередачи) при освещении реальных цветных объектов.

Кроме того, проведенные измерения очень важны для описания спектральной функции цветового стимула – видимого излучения, вызывающего ощущение хроматичнеского цвета.
Спектральная функция цветового стимула: φλ ρ(λ) = Е(λ) ρ(λ) • f ; где Е(λ) – спектральная облученность (энергетическая освещенность) объекта, ρ(λ) – спектральное распределение коэффициента отражения объекта и f – геометрический коэффициент.

Приложение

Контрольные образцы цвета МКО (CIE), используемые при расчёте общего и частных индексов цветопередачи (Ra, Ri)

Спектральные коэффициенты отражения 8 контрольных образцов МКО с умеренной насыщенностью цвета, которые используются для определения общего индекса цветопередачи Rа.


Метод контрольных образцов МКО основан на сопоставлении цветопередающих свойств испытуемого и эталонного источников света с помощью набора из 14 цветных образцов со следующими фиксированными характеристиками:

  • спектральное распределение коэффициента отражения;
  • цветовой тон,
  • насыщенность цвета.

Этот метод и позволяет дать численную оценку качества воспроизведения цвета данным источником света. Оценка выражается индексом цветопередачи. Он определяет, насколько достоверно передаются цвета при освещении испытуемой лампой в сравнении с эталонным источником белого света. Цветопередача чаще всего оценивается общим индексом цветопередачи Rа (приводится в технической документации на источник света), который может дополняться специальными (частными) индексами Ri.
Величина Rа дает усредненную характеристику цветопередачи, получаемую на группе из 8 контрольных образцов с умеренной насыщенностью и средней чистотой цвета:

Rа = 1/8• Σ Ri
(i = 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)

Специальные (частные) индексы Ri характеризуют достоверность воспроизведения цветов упомянутых выше восьми контрольных образцов средней насыщенности. Для полноты оценки дополнительно используются еще 6 частных индексов (R9 – R14), характеризующих цветопередачу контрольных образцов большой насыщенности – красного, желтого, зеленого, синего, а также цветов, характерных для оттенков кожи человека (европеоида) и листвы деревьев.
См. также http://www.k-to.ru/ru/interesting/events/detail.php?ID=683


возврат к списку статей

версия для печати
 
© 2020 ЗАО "Точка Опоры Промэлектросвет"
музейное освещение, светильники музеи, свет в музее, галерея светильники, выставочное освещение, освещение выставок, освещение выставочных залов, освещение галереи, световые линии, световые короба, нестандартное осветительное оборудование, освещение экспозиции, подсветка картины, современный музей, эрарта, музей воды, музейные технологии, освещение метро, светильники метрополитен, люстры для метро, реконструкция освещения метро, тоннельные светильники, архитектурное освещение метро, реставрация светильников для метро