Iluminante estándar

En este artículo falta información sobre los iluminantes estándar ISO 7589; iluminantes CIE para interiores ID50 e ID65; iluminantes CIE FL3.1 a FL3.15 "nuevos fluorescentes"; iluminantes CIE HP "de descarga a alta presión", todos ellos con referencias en sds.py. Amplíe el artículo para incluir esta información. Puede que existan más detalles en la página de discusión . ( Enero de 2024 )

Un iluminante estándar es una fuente teórica de luz visible con una distribución de potencia espectral publicada. Los iluminantes estándar proporcionan una base para comparar imágenes o colores registrados bajo diferentes tipos de iluminación.

La Comisión Internacional de Iluminación (abreviada habitualmente como CIE por su nombre en francés) es el organismo responsable de publicar todos los iluminantes estándar conocidos. Cada uno de ellos 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 (1967) representan variaciones de la luz diurna, el iluminante E es el iluminante de energía equivalente, mientras que los iluminantes F (2004) representan lámparas fluorescentes de composición variada.

Existen instrucciones sobre cómo producir experimentalmente fuentes de luz ("fuentes estándar") correspondientes a los iluminantes más antiguos. Para los relativamente más nuevos (como la serie D), los experimentadores deben medir los perfiles de sus fuentes y compararlos con los espectros publicados: ^[1]

En la actualidad, no se recomienda ninguna fuente artificial para obtener el iluminante estándar CIE D65 ni ningún otro iluminante D de diferente CCT. Se espera que los nuevos desarrollos en fuentes de luz y filtros ofrezcan finalmente una base suficiente para una recomendación CIE.

—  CIE, Informe técnico (2004) Colorimetría, 3.ª ed., Publicación 15:2004, Oficina Central de la CIE, Viena

Sin embargo, sí proporcionan una medida, llamada índice de metamerismo , para evaluar la calidad de los simuladores de luz diurna. ^{[2] [3]} El índice de metamerismo prueba qué tan bien coinciden cinco conjuntos de muestras metaméricas bajo el iluminante de prueba y de referencia. De manera similar al índice de reproducción cromática , se calcula la diferencia promedio entre los metámeros. ^[4]

La CIE define el iluminante A en estos términos:

El iluminante estándar CIE A está destinado a representar la iluminación doméstica típica con filamento de tungsteno. Su distribución de potencia espectral relativa es la de un radiador planckiano 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, Iluminantes estándar CIE para colorimetría

La excitación radiante espectral de un cuerpo negro sigue la ley de Planck :

${\displaystyle M_{e,\lambda}(\lambda ,T)={\frac {c_{1}\lambda ^{-5}}{\exp \left({\frac {c_{2}}{\lambda T}}\right)-1}}.}$

En el momento de la estandarización del iluminante A, tanto (lo que no afecta a la SPD relativa) como 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 se estandarizó el iluminante A). Esta diferencia desplazó el locus planckiano , cambiando la temperatura de color del iluminante de su nominal 2848 K a 2856 K:${\displaystyle c_{1}=2\pi \cdot h\cdot c^{2}}$${\displaystyle c_{2}=h\cdot c/k}$

${\displaystyle T_{nuevo}=T_{antiguo}\times {\frac {1,4388}{1,435}}=2848\ {\text{K}}\times 1,002648=2855,54\ {\text{K}}.}$

Para evitar posibles cambios adicionales en la temperatura de color, la CIE ahora especifica el SPD directamente, basándose en el valor original (1931) de c ₂ : ^[1]

${\displaystyle S_{A}(\lambda )=100\left({\frac {560}{\lambda }}\right)^{5}{\frac {\exp {\frac {1,435\times 10^{7}}{2848\times 560}}-1}{\exp {\frac {1,435\times 10^{7}}{2848\lambda }}-1}}.}$

Los coeficientes se han seleccionado para lograr una SPD normalizada de 100 a 560 nm . Los valores triestímulo son ( X , Y , Z ) = (109,85, 100,00, 35,58) , y las coordenadas de cromaticidad utilizando el observador estándar son ( x , y ) = (0,44758, 0,40745) .

Los iluminantes B y C son simulaciones de luz diurna que se pueden lograr fácilmente. Modifican el iluminante A mediante el uso de filtros líquidos. B sirvió como representante de la luz solar del mediodía, con una temperatura de color correlacionada (CCT) de 4874 K, mientras que C representó la luz diurna promedio con una CCT de 6774 K. Desafortunadamente, son aproximaciones deficientes de cualquier fase de la luz diurna natural, particularmente en los rangos espectrales de onda corta visible y ultravioleta. Una vez que se pudieron lograr simulaciones más realistas, los iluminantes B y C se dejaron de usar en favor de la serie D. ^[1]

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

—  CIE, Publicación 15:2004 ^[5]

El iluminante B no recibió el mismo reconocimiento en 2004.

Los filtros líquidos, diseñados por Raymond Davis, Jr. y Kasson S. Gibson en 1931, ^[6] tienen una absorbancia relativamente alta en el extremo rojo del espectro, lo que aumenta de manera efectiva la CCT de la lámpara incandescente hasta los niveles de la luz del día. Esto es similar en función a un gel de color CTB que los fotógrafos y cinematógrafos usan hoy, aunque mucho menos conveniente.

Cada filtro utiliza 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 lámina de vidrio incoloro. Las cantidades de los ingredientes se eligen cuidadosamente para que su combinación produzca un filtro de conversión de temperatura de color; es decir, la luz filtrada sigue siendo blanca.

La serie D de iluminantes está diseñada para representar la luz natural y se ubica a lo largo del punto geométrico de la luz natural. Son difíciles de producir artificialmente, pero son fáciles de caracterizar matemáticamente.

En 1964, H. W. Budde, del Consejo Nacional de Investigación de Canadá en Ottawa , HR Condit y F. Grum, de la Eastman Kodak Company en Rochester, Nueva York , ^[7] y ST Henderson y D. Hodgkiss, de Thorn Electrical Industries en Enfield (norte de Londres) , ^[8] habían medido de forma independiente varias distribuciones de potencia espectral (SPD) de la luz del día, totalizando entre ellos 622 muestras. Deane B. Judd , David MacAdam y Günter Wyszecki analizaron estas muestras y descubrieron que las coordenadas de cromaticidad ( x , y ) seguían una relación cuadrática simple , conocida posteriormente como el lugar geométrico de la luz del día: ^[9]

${\displaystyle y=2,870x-3,000x^{2}-0,275.}$

El análisis de vectores característicos reveló que los SPD podrían aproximarse satisfactoriamente utilizando la media (S ₀ ) y los primeros dos vectores característicos (S ₁ y S ₂ ): ^{[10] [11]}

${\displaystyle S_{D}(\lambda )=S_{0}(\lambda )+M_{1}S_{1}(\lambda )+M_{2}S_{2}(\lambda ).}$

En términos más simples, la SPD de las muestras de luz diurna estudiadas se puede expresar como la combinación lineal de tres SPD fijos. El primer vector (S ₀ ) 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 (S ₁ ) corresponde a la variación amarillo-azul (a lo largo del locus), que representa los cambios en la temperatura de color correlacionada debido a la proporción de luz solar indirecta a directa. ^[9] El tercer vector (S ₂ ) corresponde a la variación rosa-verde (a lo largo del locus) causada por la presencia de agua en forma de vapor y neblina. ^[9]

Cuando la CIE formalizó la serie D, ^[12] se incluyó un cálculo de la cromaticidad para una isoterma particular. ^[13] Luego, Judd et al. extendieron los SPD reconstituidos a 300 nm - 330 nm y 700 nm - 830 nm utilizando los datos de absorbancia espectral de la atmósfera de la Tierra de Moon. ^[14] Los SPD tabulados presentados por la CIE hoy se derivan por interpolación lineal del conjunto de datos de 10 nm hasta 5 nm . ^[15] Sin embargo, existe una propuesta para utilizar la interpolación spline en su lugar. ^[16]${\estilo de visualización (x,y)}$

Se han realizado estudios similares en otras partes del mundo, o se han repetido los análisis de Judd et al. con métodos computacionales modernos. En varios de estos estudios, el lugar geométrico de la luz del día está notablemente más cerca del lugar geométrico planckiano que en Judd et al. ^{[17] [18]}

La CIE posiciona al D65 como el iluminante diurno estándar:

[D65] está destinado a representar la luz diurna promedio y tiene una temperatura de color correlacionada de aproximadamente 6500 K. El iluminante estándar CIE D65 debe utilizarse en todos los cálculos colorimétricos que requieran una luz diurna representativa, a menos que existan razones específicas para utilizar un iluminante diferente. Se sabe que se producen variaciones en la distribución de potencia espectral relativa de la luz diurna, en particular en la región espectral ultravioleta, en función de la estación, la hora del día y la ubicación geográfica.

—  ISO 10526:1999/CIE S005/E-1998, Iluminantes estándar CIE para colorimetría ^[19]

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 , . ^[20] Primero, se deben determinar las coordenadas de cromaticidad:${\displaystyle S_{D}(\lambda )}$${\displaystyle (x_{D},y_{D})}$

${\displaystyle x_{D}={\begin{cases}0,244063+0,09911{\frac {10^{3}}{T}}+2,9678{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-4,6070{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&4000\ \mathrm {K} \leq T\leq 7000\ \ \mathrm {K} \\0,237040+0,24748{\frac {10^{3}}{T}}+1,9018{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-2,0064{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&7000\ \mathrm {K} <T\leq 25000\ \mathrm {K} \fin{de los casos}}}$

${\displaystyle y_{D}=-3.000x_{D}^{2}+2.870x_{D}-0.275}$

donde T es la CCT del iluminante. Nótese que las CCT de los iluminantes canónicos, D ₅₀ , D ₅₅ , D ₆₅ y D ₇₅ , difieren ligeramente de lo que sugieren sus nombres. Por ejemplo, D50 tiene una CCT de 5003 K (luz "horizonte"), mientras que D65 tiene una CCT de 6504 K (luz del mediodía). Esto se debe a que el valor de las constantes en la ley de Planck ha cambiado ligeramente desde la definición de estos iluminantes canónicos, cuyos SPD se basan en los valores originales en la ley de Planck. ^[1] La misma discrepancia se aplica a todos los iluminantes de la serie D—D ₅₀ , D ₅₅ , D ₆₅ , D ₇₅ —y se puede "rectificar" multiplicando la temperatura de color nominal por ; por ejemplo para D ₆₅ .${\displaystyle {\frac {c_{2}}{1.4380}}}$${\displaystyle 6500\ {\text{K}}\times {\frac {1.438776877\puntos }{1.4380}}=6503.51\ {\text{K}}}$

Para determinar la SPD de la serie D (S _D ) que corresponde a esas coordenadas, se determinan los coeficientes M ₁ y M ₂ de los vectores característicos S ₁ y S _{2 :}

${\displaystyle S_{D}(\lambda )=S_{0}(\lambda )+M_{1}S_{1}(\lambda )+M_{2}S_{2}(\lambda ),}$

${\displaystyle M_{1}=(-1,3515-1,7703x_{D}+5,9114y_{D})/M,}$

${\displaystyle M_{2}=(0,0300-31,4424x_{D}+30,0717y_{D})/M,}$

${\displaystyle M=0,0241+0,2562x_{D}-0,7341y_{D}}$

donde son la media y los dos primeros vectores propios SPD, representados en la figura. ^[20] Ambos vectores característicos tienen un cero a 560 nm , ya que todos los SPD relativos se han normalizado en torno a este punto. Para que coincidan con todos los dígitos significativos de los datos publicados de los iluminantes canónicos, los valores de M ₁ y M ₂ deben redondearse a tres decimales antes del cálculo de S _D . ^[1]${\displaystyle S_{0}(\lambda ),S_{1}(\lambda ),S_{2}(\lambda )}$

Utilizando el observador estándar de 2° , las coordenadas de cromaticidad del espacio de color CIE 1931 de D65 son ^[21]

$${\displaystyle {\begin{aligned}x&=0.31272\\y&=0.32903\end{aligned}}}$$

y los valores triestímulo XYZ (normalizados a Y = 100 ), son

$${\displaystyle {\begin{alignedat}{2}X&={}&95.047\\Y&={}&100{\phantom {.000}}\\Z&={}&108.883\end{alignedat}}}$$

Para el observador suplementario de 10° , ^{[ cita requerida ]}

$${\displaystyle {\begin{aligned}x&=0.31382\\y&=0.33100\end{aligned}}}$$y los valores triestímulo XYZ correspondientes son

$${\displaystyle {\begin{alignedat}{2}X&={}&94.811\\Y&={}&100{\phantom {.000}}\\Z&={}&107.304\end{alignedat}}}$$

Dado que D65 representa la luz blanca , sus coordenadas también son un punto blanco , correspondiente a una temperatura de color correlacionada de 6504 K. La Rec. 709 , utilizada en sistemas HDTV , trunca las coordenadas CIE 1931 a x=0,3127, y=0,329.

No existen fuentes de luz diurna reales, solo simuladores. Construir una fuente de luz práctica que emule un iluminante de la serie D es un problema difícil. La cromaticidad se puede replicar simplemente tomando una fuente de luz conocida y aplicando filtros, como el Spectralight III, que usa lámparas incandescentes filtradas. ^[22] Sin embargo, los SPD de estas fuentes se desvían del SPD de la serie D, lo que lleva a un mal desempeño en el índice de metamerismo CIE . ^{[23] [24]} Se lograron mejores fuentes en la década de 2010 con LED blancos recubiertos de fósforo que pueden emular fácilmente los iluminantes A, D y E con alto CRI. ^[25]

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

El iluminante E no es un cuerpo negro, por lo que no tiene una temperatura de color, pero se puede aproximar mediante un iluminante de la serie D con un CCT de 5455 K. (De los iluminantes canónicos, D ₅₅ es el más cercano). Los fabricantes a veces comparan las fuentes de luz con el iluminante E para calcular la pureza de excitación . ^[26]

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

Las lámparas fluorescentes "estándar" F1–F6 consisten en dos emisiones de banda semiancha de activaciones de antimonio y manganeso en fósforo de halofosfato de calcio . ^[27] F4 es de particular interés ya que se utilizó para calibrar el índice de reproducción cromática CIE (la fórmula CRI se eligió de modo que F4 tuviera un 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 iluminantes tribanda angostos que consisten en tres emisiones de "banda angosta" (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. ^{[5] [28]}

• 
  FL 1–6 : Estándar
• 
  FL 7–9 : Banda ancha
• 
  FL 10–12 : Banda estrecha

La publicación 15:2018 presenta nuevos iluminantes para diferentes tipos de LED blancos con CCT que van desde aproximadamente 2700 K a 6600 K.

Los LED-B1 a B5 definen los LED con luz azul convertida mediante fósforo. El LED-BH1 define una combinación de LED azul y rojo convertidos mediante fósforo. El LED-RGB1 define la luz blanca producida por una mezcla de LED tricolor. Los LED-V1 y V2 definen los LED con luz violeta convertida mediante fósforo.

El espectro de un iluminante estándar, como cualquier otro perfil de luz, se puede convertir en valores triestímulo . El conjunto de tres coordenadas triestímulo de un iluminante se denomina punto blanco . Si el perfil se normaliza , el punto blanco se puede expresar de forma equivalente como un par de coordenadas de cromaticidad .

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

El proceso de cálculo del punto blanco descarta una gran cantidad de información sobre el perfil del iluminante, y si bien es cierto que para cada iluminante se puede calcular el punto blanco exacto, no es cierto que conocer solo el punto blanco de una imagen diga mucho sobre el iluminante que se utilizó para registrarla.

A continuación se presenta una lista de iluminantes estandarizados, sus coordenadas de cromaticidad CIE (x, y) de un difusor perfectamente reflectante (o transmisor) y sus temperaturas de color correlacionadas (CCT). Las coordenadas de cromaticidad CIE se dan tanto para el campo de visión de 2 grados (1931) como para el campo de visión de 10 grados (1964). ^[29] Las muestras de color representan el color de cada punto blanco, calculado automáticamente por Wikipedia utilizando la plantilla de temperatura de color .

• Tablas colorimétricas seleccionadas en Excel, según se publica en CIE 15:2004
• Konica Minolta Sensing: Fuentes de luz e iluminadores