Цветовая температура как характеристика спектрального состава света

Для сопоставления характеристик излучения реального и абсолютно черного тел часто используют метод эквивалентных температур, при котором температуру излучения АЧТ определяют при условии эквивалентности одной из характеристик излучения АЧТ и реального тела при заданной температуре.

Такими эквивалентными температурами являются яркостная и цветовая температуры.

Яркостная температура – это температура АЧТ, при которой его яркость в узком спектральном интервале равна яркости исследуемого реального источника света при температуре Т. Яркость АЧТ можно рассчитать по формуле:

L(T)=683C₁/pòV(l)l^-5´1/(e^С₂^/(lT)-1)dl, кд/м²,

где V(l) – относительная спектральная чувствительность глаза.

Цветовая температура, обозначаемая Т или Т_цв (спектрофотометрическая, или колориметрическая температура), определяет распределение интенсивности лучистого потока (излучения) в зависимости от длины волны в оптическом диапазоне непрерывного спектра, т.е. определяет цветность источника света. Она соответствует температуре АЧТ, имеющего в рассматриваемом диапазоне длин волн такое же относительное распределение интенсивности излучения, что и исследуемый источник света. (Цветовую температуру в светотехнике приводят в градусах Кельвина, но в научных кругах часто говорят "кельвины", опуская слово "градусы").

Так при температуре около 3000К в излучении АЧТ доминируют длины волн от 600 нм и более, а его цветность близка к тому белому свету, который дают вольфрамовые лампы накаливания. Спектральный состав света Солнца близок к составу излучения АЧТ при температуре 5500…6000К, максимум излучения смещен в сторону коротких длин волн (520 нм и менее) и в нем преобладают зелено-голубые, голубые и синие лучи. Поэтому в "белом" свете вольфрамовых ламп присутствует больше желтых оттенков, чем в "белом" солнечном, т. е. эти источники белого света имеют различную цветность.

Цветность АЧТ указывает на строго определенный и всегда постоянный для каждой длины волны спектральный состав излучения. На рис.4 показаны кривые излучений при различных температурах АЧТ. Чтобы исключить влияние мощности излучения источников, эти кривые совмещены в одной точке, соответствующей длине волны 555 нм (максимум спектральной чувствительности глаза), для которой лучистый поток принят за 100%.

Рис.4. Кривые излучений АЧТ при разной Т (F_e=100% на 555 нм)

В спектре излучения нетепловых источников света (например, металлогалогенных, ксеноновых и люминесцентных ламп) присутствуют монохроматические "пики", обуславливающие характерные оттенки, поэтому для оценки их цветности используют, так называемую коррелированную цветовую температуру.

Усредненные значения цветовых температур для некоторых источников света приведены в таблице 3. Поскольку цветовая температура источников света здесь характеризует цветность, спектральный состав излучения, а не температуру нагрева источника, то не следует делать вывод, что небо теплее Солнца.

Таблица 3. Цветовые температуры источников света (средние значения)

Источник света	Т,К
Пламя спички
Керосиновая фитильная лампа	1700…2100
Пламя стеариновой свечи
Бытовая лампа накаливания: вакуумная, 25…60 Вт газополная, 40…50 Вт газополная, >200 Вт	2400…2500 2650…2900
Люминесцентные лампы дневного света	2800…6500
Лампы накаливания: зеркальные типа ЗК галогенная кинопрожекторная типа КПЖ для фотографии типа Ф, ФД
Лампы-вспышки одноразового действия	3400…3900
Импульсные электронные лампы	3800…6500
Вечерняя или утренняя заря при ясной погоде	4000…4500
Солнце в зените в ясный день	5200…5400
Дуговые лампы с белопламенными углями и фильтром ДБ-ДС
Солнце и небо днем на средних широтах	5500…5700
Ксеноновые лампы
Металлогалогенные лампы
Небосвод в пасмурный день
Солнечный свет в сильный туман	7500…8500
Голубое небо в ясный солнечный день	10000…30000

Для кино и телевидения выпускают источники света с двумя основными ("балансными") цветовыми температурами:

3200К – лампы накаливания (ЛН) для светочувствительных материалов с индексом Т;

5500К – лампы дневного света (ДС), для свeточувствительных материалов с индексом D.

Именно под эти цветовые температуры сбалансированы цветные фото- и кинопленки, настроены бытовые и профессиональные цветные видео- и телекамеры в режиме Preset. Если цветовая температура источника света отличается от балансной (нормированной), ее необходимо скорректировать с помощью компенсационных (конверсионных) светофильтров.

Равнозначные изменения цветовой температуры при различных исходных значениях по-разному сказываются на спектральном составе. Например, увеличение на 500К температуры 2000К приведет к изменению темно-красного свечения на ярко красно-оранжевое (2000К + 500К = 2500К), такое увеличение температуры 7000К – лишь к незначительному изменению оттенка голубоватого свечения (7000К + 500К = 7500К). Поэтому цветовую температуру нельзя использовать для сравнения различных по цветности излучений.

Для упрощения расчетов при обозначении светофильтров, корректирующих цветовую температуру источников света, используют шкалу обратных микрокельвинов. Экспериментально установлено, что одинаковым изменениям цветности соответствуют равные приращения 1/Т, например 1/2500К = 0,00004. Чтобы избежать очень малых чисел, это значение умножают на 10⁶, полученное положительное число носит название "обратный микроградус", или майред (mired – micro reciprocal degree; русское обозначение – М).

Используя таблицу 4, находим, что балансная цветовая температура 3200К соответствует 313М, а 5500К – 182М. При температуре источника света 6000К (167М) для коррекции до 5500К ее необходимо скорректировать на +15М (182 -167). Чтобы "поднять" цветовую температуру с 3200К до 5500К также необходима коррекция, но уже на -131М (182 - 313). Знак "плюс" указывает на то, что проведена коррекция цветовой температуры в сторону понижения, а знак "минус" – повышения.

Таблица 4. Перевод градусов Кельвина в майреды

Градусы Кельвина
Майреды

2.3. Нормированные источники белого света

Понятие белого света условно, так называют свет, который зрительный аппарат человека воспроизводит как ахроматический. Вследствие особенностей глаза ощущение белого света может быть получено при различных соотношениях мощностей излучений в отдельных участках спектра. В рекомендациях Международной комиссии по освещению (CIE), Международной организации стандартизации (ISO) и ГОСТов предложены следующие нормированные источники белого света (рис. 5 и 6).

Источник А – воспроизводит условия искусственного освещения электрическими лампами накаливания и имеет такое же относительное спектральное распределение плотности потока излучения в видимой области спектра (380…780 нм), как АЧТ при температуре 2855,6К. Источник белого света А воспроизводит излучение лампы накаливания мощностью 100 Вт при 2850К, визуально этот свет воспринимается с желтовато-оранжевым оттенком.

Источник В – воспроизводит условия освещения прямым солнечным светом и имеет такое же относительное спектральное распределение плотности потока излучения в видимой области спектра, как АЧТ при температуре 4874К. Источник В воспроизводит прямой солнечный свет. Источник А можно превратить в источник В при помощи светофильтров – состоящего из трех цветных стекол марок ПС5, ПС14 и СЗС17 или двухсекционного жидкостного. Жидкостной светофильтр представляет собой двухсекционную кювету из бесцветного химически стойкого стекла, заполненную растворами. Толщина слоя каждой жидкости составляет 10±0,05 мм. Основным светопоглощающим веществом в растворах является медный купорос. Пиридин, входящий в состав первого раствора, образует с ионами меди соединения с интенсивной синей окраской, а соли кобальта, присутствующие во втором растворе, имеют сиренево-розовую окраску.

Рис. 5. Спектральное распределение лучистого потока F_e для нормированных источников света А, В, С, и D.

Рис. 6. Спектральное распределение лучистого потока F_e для нормированных источников света с цветовой температурой 3200К, 5500К и Е.

Источник С – воспроизводит условия освещения рассеянным дневным светом и имеет такое же относительное спектральное распределение плотности потока излучения в видимой области спектра, как и АЧТ при 6774К. Источник А можно превратить в источник С, используя те же светофильтры, что и в случае источника В, но цветные стекла должны быть другой толщины, а раствор – другой концентрации. Визуально этот свет соответствует излучению солнечному свету в пасмурную погоду или люминесцентной лампы типа ЛД.

Источник D (D₆₅) – воспроизводит спектральный состав усредненного дневного света (Т=6504К). От источника белого света С отличается наличием в спектре длин волн ближней ультрафиолетовой области 300…380 нм. Источник D применяется для исследования спектра люминесцирующих источников света с цветовой температурой 6500…6700К.

Источник Е – равноэнергетический источник белого света, мощность его излучения на всех длинах волн в пределах видимой части спектра одинакова. Этот гипотетический источник применяется при проведении относительных световых расчетов. Его цветовую температуру можно приравнять 5200…5300К.

Сенситометрические источники белого света – предназначены для испытания различных светочувствительных материалов. Подобными источниками служат лампы накаливания (СЦ-62г, СЦ-65г, К-33 и др.) с такой же цветовой температурой, что и источник А – 2850±20К. Несколько заниженное значение цветовой температуры лампы увеличивает срок ее службы и обеспечивает стабильность излучения.

Источник белого света с цветовой температурой 3200К (ISO 2241) воспроизводит условия искусственного освещения галогенными лампами или лампами накаливания мощностью более 1000 Вт и применяется при испытаниях позитивных пленок и цветных пленок, предназначенных для экспонирования при свете ламп накаливания. Получают, используя сенситометрический источник с Т=2850К со светофильтром, состоящим из двух стекол: марки ПС14 (толщина 1,6 мм) и марки СЗС17 (толщина 1,3 мм).

Для имитации спектрального состава света перекальных фотоламп нормированная цветовая температура должна составлять 3400К (ISO 2240).

Источник белого света с цветовой температурой 5500К (ISO 2239) воспроизводит условия естественного дневного освещения лучами Солнца (прямыми и частично закрытого облаками), и используется при испытаниях фотографических слоев, предназначенных для экспонирования при дневном свете. Этот источник света получают из источника А, устанавливая на него светофильтр, состоящий из цветных стекол ПС5 (толщиной 1,9 мм), ПС14 (5,5 мм) и СЗС8 (1,8 мм).