Что такое индекс цветопередачи CRI, физические принципы

Цветопередача. Особенности восприятия человека, цветовое зрение

Восприятие цветов объектов может быть изменено определенными спектральными свойствами источников света, используемых для освещения. Индекс цветопередачи (CRI) - это количественный показатель для оценки того, насколько сильны такие эффекты для конкретного источника света.

Далее объясняется физическая основа восприятия цвета объектов, а также роль деталей освещения в этом контексте. После этого объясняются принципы, лежащие в основе определения индекса цветопередачи, и обсуждаются некоторые типичные случаи. 

Полезные статьи:

Цвета света - красные, зеленый и синий

Как мы видим цвета

Все статьи

Физические принципы

Восприятие цвета и освещение

Белый свет освещения может быть превращен в цветной свет путем передачи или отражения в зависимости от длины волны. Цвета объектов можно увидеть, только если обеспечено подходящее освещение. Самым основным условием для восприятия цвета является то, что падающий свет содержит значительный диапазон спектральных компонентов, которые связаны с разными цветами. 

Обычно используется белый свет, например, дневной свет, представляющий собой смесь всех компонентов видимого спектра, или какой-либо искусственный источник белого света. Цветовой баланс света, который передается или отражается (или рассеивается) на цветных объектах, затем изменяется в соответствии с коэффициентом пропускания или отражения, зависящим от длины волны. 

Таким образом, проходящий или отраженный свет создает цветовое впечатление, в то время как падающий белый свет не попадает в глаза. Например, если объект сильно поглощает коротковолновые компоненты падающего света (в синей и фиолетовой областях), проходящий или отраженный свет будет в основном состоять из длинноволновых компонентов, которые создают красный или оранжевый вид объекта. 

Аналогично, зеленый вид возникает, если среда компоненты длины волны белого света сохраняются, в то время как компоненты с большей и меньшей длиной волны ослабляются.

Проблемы с не белым светом

Самые серьезные проблемы с восприятием цвета возникают, если свет освещения не белый. Крайним примером является освещение натриевыми лампами низкого давления, которые излучают только желтый свет – недалеко от монохроматического света (одноцветного света). В таком случае ни один освещенный объект никогда не может казаться зеленым, синим или темно-красным, потому что свет с такими цветами просто отсутствует в этой ситуации (за исключением случаев, когда объект демонстрирует флуоресценцию).

Случай структурированного оптического спектра

Менее серьезные проблемы с восприятием цвета возникают, если освещающий свет содержит широкое, но не непрерывное распределение компонентов длины волны – например, если оптический спектр источника света состоит только из некоторого ограниченного числа спектральных линий. При этом свет освещения может по-прежнему казаться белым, например, очень похожим на дневной свет, а освещенные объекты могут иметь различные цвета. Однако цветовое впечатление может тогда существенно отличаться от такового при освещении широкополосным (непрерывным спектром) светом.

От деталей цветного объекта зависит, как его внешний вид зависит от свойств освещения. В качестве примера рассмотрим объект, который эффективно рассеивает большинство компонентов длины волны, в то же время сильно поглощая узкий диапазон компонентов длины волны, например, в синем спектральном диапазоне. Если источник света излучает синий свет только в пределах этой сильно поглощающей области, может возникнуть сильное цветовое впечатление (например, насыщенный оранжевый). 

Однако при дневном свете этот оранжевый цвет был бы гораздо менее насыщенным, поскольку только небольшая часть падающего синего света может быть поглощена из-за узкой полосы поглощения.

Другой объект, у которого поглощение в синей области более широкополосное, но за пределами линий излучения источника света, может казаться белым при искусственном освещении, поскольку он не может поглощать падающий свет, в то время как при дневном свете он кажется цветным. Такие цветовые отклонения - это то, что подразумевается при ограниченной способности таких источников света к цветопередаче.

Цветовое зрение

Цветовое зрение глаза означает, что глаз может в некоторой степени получать спектральную информацию о свете, и что спектральные качества интерпретируются воспринимающим мозгом как цвета. Это не доходит до измерения оптического спектра для каждой точки изображения, но по крайней мере, позволяет увидеть разницу в цвете между световыми потоками со значительно отличающимися оптическими длинами волн. 

Для этой цели достаточно выполнить спектральную визуализацию всего с несколькими различными спектральными каналами, по сравнению с сотнями или даже тысячами технических инструментов измерения. Не только люди, но и многие животные обладают более или менее выраженным цветовым зрением, некоторые из них значительно превосходят возможности человеческого глаза в этом отношении.

Физиологические основы цветового зрения

Цветовое зрение глаз основано на наличии фоторецепторов с различной спектральной чувствительностью. В случае человеческого глаза такие рецепторы расположены в сетчатке, светочувствительном слое на задней стороне глаза. Мозг может распознавать цвета на основе относительной силы возбуждения фоторецепторов. 

В случае человеческого глаза существует четыре вида рецепторов, один из которых используется для ночного видения при низких уровнях освещенности (без восприятия цвета), в то время как остальные три (L, M и S конусы) используются для цветового зрения при более высоких уровнях освещенности. В режиме такого зрения информация о цвете для каждого местоположения на сетчатке (т. е. для одной точки изображения) имеет только три измерения, что означает, что результаты могут быть связаны с точками в трехмерном цветовом пространстве, и зрение называется трехцветным.

Обратите внимание, что спектральная чувствительность рецепторов L, M и S сильно отличается от устройства для анализа RGB (красный–зеленый–синий). В частности, кривые чувствительности рецепторов L и M сильно перекрываются. Например, они получают аналогичную силу возбуждения для падающего монохроматического света при 550 нм. При длине волны 500 нм реакция обоих типов рецепторов существенно слабее, но соотношение между ними существенно не изменилось. Однако затем значимый сигнал от S-рецептора сообщает мозгу, что мы приближаемся к синей области спектра.

Также можно было бы довольно надежно рассчитать оптическую длину волны по силе трех сигналов рецептора, если мы знаем, что падающий свет монохроматический. Однако для анализа полихроматического света может быть получена только весьма ограниченная спектральная информация. Например, невозможно отличить монохроматический свет с длиной волны 600 нм. от подходящей смеси света с длиной волны 550 нм. и 600 нм или некоторого широкополосного света в этой области спектра, потому что мозг может “знать” только относительную силу возбуждения двух типов рецепторов, но не то, что это вызвало.

Глаза животных часто используют различную комбинацию цветовых рецепторов, что приводит к существенно отличающемуся восприятию цвета. Например, у кошек двухцветное зрение, основанное только на двух разных цветовых рецепторах; это серьезно ограничивает их способность различать цвета, но увеличивает потенциал для более высокой чувствительности и пространственного разрешения, что более важно для кошек. С другой стороны, некоторые насекомые имеют большее количество цветовых рецепторов, также часто охватывающих более широкий спектральный диапазон в ультрафиолетовой области.

Цвета объектов

Спектральный анализ света, который проходит через объекты или рассеивается на них, позволяет также распознавать цвета объектов.

В идеале объект освещается источником белого света (например, дневным светом от Солнца), имеющим достаточно равномерное распределение оптической мощности по видимому спектру. Цвет проходящего или рассеянного света затем может быть интерпретирован как цвет самого объекта. 

Однако при использовании какого-либо другого источника света, не имеющего подходящего цветового баланса, цветопередача объектов может быть существенно изменена. Самым крайним случаем является освещение монохроматическим светом, когда любой объект может отображаться только с цветом этого света, за исключением случаев, когда возникает флуоресценция или какое-либо другое излучение света объектами на других длинах волн.

Обработка информации о цвете

Хотя цвета явно имеют физическую и физиологическую основу, их следует понимать как определенные интерпретации спектральных свойств света или освещенных объектов, которые выполняются мозгом на основе ограниченной спектральной информации, передаваемой глазами. Часть обработки изображения, включая анализ цвета, уже выполняется клетками сетчатки, а дальнейшая обработка выполняется в зрительной коре головного мозга. 

В целом, этот анализ значительно сложнее, чем то, что делает технический спектометр. Например, это включает в себя цветокоррекцию на основе воспринимаемого цветового тона окружающего света. Таким образом, мозг пытается устранить влияние переменного окружающего света на воспринимаемые цвета объектов. Это возможно, например, когда мы видим цветные объекты между белыми объектами, которые, по-видимому, раскрывают цветовой тон освещения.

Недостатки цветового зрения

Не все люди обладают обычным трехцветным цветовым зрением; легкие или даже серьезные недостатки относительно распространены. Например, у значительного процента мужчин (но не женщин) наблюдается красно–зеленая дальтонизм, который обычно возникает в результате какой-либо неисправности одного типа фоторецепторов. Часто существует какое-то модифицированное трехцветное зрение или даже только двухцветное зрение. В некоторых редких случаях цветовое зрение даже полностью отсутствует.

Обычные источники света с ограниченной цветопередачей

Такие проблемы с восприятием цвета возникают для различных искусственных источников света. Люминесцентные лампы, некоторые другие газоразрядные лампы и светодиодные лампы являются типичными источниками света с потенциально плохой цветопередачей. в частности для следующих типов:

• Люминесцентные лампы демонстрируют некоторую комбинацию спектральных линий (часто выше некоторого континуума), определяемую используемым типом люминофора. Более ранние модели, содержащие люминофор с излучением света, по существу, только в двух разных диапазонах длин волн, имели довольно плохие свойства цветопередачи. В настоящее время широко распространена смесь три фосфора; это значительно улучшает цветопередачу, а также повышает светопередачу. Существуют специальные люминофорные смеси с еще лучшей цветопередачей, но меньшей эффективностью.
• Некоторые другие типы газоразрядных ламп также излучают свет со спектром с заметными пиками, но в зависимости от типа лампы также может быть широкий континуум – особенно для газоразрядных ламп высокого давления. Например, газоразрядные лампы высокого давления на основе ксенона имеют довольно гладкий спектр излучения, вызывающий минимальные отклонения цвета.
• Белые светодиоды также имеют довольно структурированный спектр - часто это комбинация синего света, который непосредственно излучается светодиодами, с флуоресценцией, например, в желтой области спектра от люминофора, который возбуждается за счет поглощения части синего света. Как и для люминесцентных ламп, существуют разные конструкции светодиодов с использованием разных люминофоров, которые могут значительно различаться по цветопередаче.

Насколько критичны ограничения цветопередачи?

Цветопередача зависит не только от источника света, но и от освещаемых объектов. Насколько серьезны проблемы с восприятием цвета на практике, зависит от трех аспектов:

• о деталях оптического спектра источника света,
• от спектральных свойств освещаемых объектов (например, проявляют ли они узкие характеристики поглощения) и
• о том, насколько цветокритично приложение.

Например, цветовые детали часто не особенно важны для освещения офисов и производственных рабочих мест, в то время как они могут иметь решающее значение в контексте моды или искусства. К счастью, спектральные характеристики поглощения большинства цветных объектов относительно широко полосных, так что действительно серьезные отклонения в цвете редки, даже при освещении светом с довольно структурированным оптическим спектром.

Индекс цветопередачи CRI

Величина, которая может использоваться для оценки того, насколько точно цвета могут быть восприняты при использовании определенного источника света

Хотя принципы проблем с цветопередачей, как объяснялось выше, известны уже давно, было сложно разработать индекс цветопередачи (CRI) как количественный показатель качества цветопередачи источников света. Эта работа контролировалась CIE, Международной комиссией по освещению. Была разработана довольно сложная процедура определения CRI источника света. 

Сначала определяется коррелированная цветовая температура источника. Затем определяется эталонный источник света, который представляет собой источник черного тела, если цветовая температура ниже 5000 К, и стандартный источник освещения CIE D в других случаях. По существу, измеряются результирующие отклонения цветопередачи между тестируемым источником и эталонным источником для некоторого количества стандартизированных тестовых образцов и объединяются результаты математически сложным способом, чтобы в конечном итоге получить индекс цветопередачи. Это число равно 100 в идеальном случае (например, для излучения абсолютно черного тела) и ниже в противном случае. Отрицательные значения в принципе возможны, но в основном никогда не встречаются на практике.

Индекс цветопередачи определяется только для более или менее белых источников света, хотя цветовые температуры могут варьироваться в значительном диапазоне.

Обратите внимание, что цветопередача также может быть важной проблемой в контексте дисплеев, например, жидкокристаллических дисплеев. Однако концепция индекса цветопередачи здесь неприменима; то же самое относится к дисплеям на основе источников RGB. Причина этого в том, что аспект освещения цветных объектов в таких случаях не используется.

Примеры случаев в освещении

Для многих источников света с ровным непрерывным спектром – например, ламп накаливания, включая галогенные лампы, а также ксеноновые лампы высокого давления – индекс цветопередачи превышает 95. Тогда не должно быть никаких существенных проблем с цветопередачей даже в критических приложениях. Как правило, значения CRI выше 90 можно считать отличными. О люминесцентных лампах часто говорят, что они плохо передают цвет, но это не всегда так.

Люминесцентные лампы с люминофорами старого образца (люминофоры на основе гало-фосфата кальция) демонстрировали довольно низкие значения CRI около 50-70. При таких низких значениях могут возникать значительные отклонения в цвете, которые все еще можно считать приемлемыми для обычных применений освещения. Однако лампы третьего поколения с три фосфорами, содержащие европий и тербий и излучающие комбинацию синего, зеленого и оранжево–красного света, работают намного лучше как с точки зрения CRI (около 85), так и световой эффективности (80-95 лм / Вт). 

Кроме того, существуют фосфорные лампы с CRI 95 или иногда даже больше, обеспечивающие близкую к идеальной цветопередачу, но часто более низкую светоотдачу, что приводит к более высокому потреблению электроэнергии. Таким образом, часто существует компромисс между оптимальным CRI и максимальной эффективностью (энергоэффективностью), а иногда и с производственными затратами. В результате на практике используется много ламп, где цветопередача достаточно хорошая, но не самая высокая технически возможная.

Обычные потребительские светодиодные лампы часто имеют CRI около 80. При улучшенных конструкциях возможны значения выше 90. Однако это может привести не только к увеличению производственных затрат, но и к снижению светоотдачи – так же, как для люминесцентных ламп.

Ограничения индекса цветопередачи

Индекс цветопередачи, определенный CIE, является разумной мерой качества цветопередачи источников света. Однако концепция не идеальна:

• Как уже упоминалось выше, метод довольно сложен в применении.
• Из-за различных недостатков CRI не является абсолютно надежным показателем. Были предложены улучшенные версии, например, с увеличенным количеством тестовых образцов и модифицированными преобразованиями цвета.

Тем не менее, CRI CIE в его официальной форме по-прежнему является наиболее широко принятой мерой. В настоящее время принято, что спецификации осветительных приборов содержат индекс цветопередачи в дополнение к цветовой температуре и световой эффективности.