Színkoordináták torzulásának vizsgálata u’v’ koordináta-rendszerben

Ha a referencia és teszt fényforrással megvilágított színminták spektro-radiométerrel mért színességi koordinátáit színességi diagramban ábrázoljuk és az egymáshoz tartozó pontokat

szenvednek a vizsgált színminták a spektrális sugárzáseloszlás megváltozása miatt. Ezt felhasználva újabb grafikus módszert kaphatunk, melynek segítségével fényforrások színvisszaadási tulajdonságait jellemezhetjük.

Az ábrázolás egyszerő megvalósításához egy számítógépes programot készítettem, ahol bemeneti paraméternek meg kell adni a színminták referencia és teszt fényforrás által megvilágított u’v’ koordinátáit. A grafikonon ábrázolásra került, egy a laboratóriumban található színes CRT monitor RGB háromszöge is. A háromszög vörös, zöld és kék csúcsai közti színes átmenetek segítik felismerni, hogy milyen irányba is mennek végbe a színminták koordinátáinak eltolódásai a sugárzáseloszlás megváltozásával.

A grafikonon kis, fehér négyzet jelöli a referencia fényforrás által megvilágított minták helyzetét, míg kis, fekete háromszög a teszt fényforrás által megvilágított minták koordinátáit, és az azonos mintákat egy vékony, fekete vonal köti össze. Az ábrákon az MCC mind a 18 mintáját ábrázoltam, nem csupán az elızı elemzéseknél használt nyolc mintát, melyeket a CIE bizottsága a 18 minta közül kiválasztott.

Az alábbiakban színhımérsékleti csoportonként elemzem a kapott képeket.

5.3.5.1. 2700 K korrelált színhımérséklető fényforrások

Az adott színhımérsékleti csoportba tartozó képeket, ha megnézzük, egyértelmő választ kapunk arra vonatkozólag, mely esetekben torzulnak jelentıs mértékben a színek a referencia fényforrással megvilágított minták színéhez képest. A vizsgált színminta halmazra vonatkozólag következtethetünk az adott teszt fényforrások referencia fényforráshoz képesti színvisszaadási tulajdonságaira, valamint a változások irányultságát figyelembe véve az is kimutatható, hogy a színészlelet telítettebbé, telítetlenebbé válik vagy esetleg a színezete változik meg.

A kompakt fénycsı és fehér LED diagramjait (44. ábra) nézve jól látható különbség mutatkozik az eltérések nagyságát illetıen. A LED esetében nagyobb torzulásokat mutat a grafikon, ami azért is érdekes, mert ez nagyobb színinger-különbséget és ezzel kisebb Ra

index értéket jelentene a kompakt fénycsıhöz képest, ha az MCC 18 darab mintáját vennénk alapul a színvisszaadási index számításánál. A 20. Táblázatban található számok azonban azt mutatják, hogy a vizsgált mintahalmazoktól függetlenül a fehér LED CIE 13.3 szerint

számított általános színvisszaadás indexe minden esetben nagyobb, mint a fénycsıé. Erre a késıbbiekben alkalmazott színi áthangolódási korrekció ad magyarázatot (27. Táblázat).

Érdekes az eltolódások irányát is megfigyelni a fehér LED esetében. Minden egyes színminta a színességi diagramban balra illetve lefelé tolódik, ami azt jelenti, hogy a minták kékes-zöldes (türkiz) tartalma nı, illetve amelyek már amúgy is nagy kék vagy zöld tartalommal bírtak, azok telítettsége is megnı. Ennek magyarázata egyfelıl a fehér LED felépítésében keresendı, mivel maga a fényforrás egy kék hullámhossz tartományban sugárzó LED, ami elé sárgás színezető foszfort helyeznek, másfelıl a referencia fényforráshoz képesti közel 400 K-el nagyobb korrK-elált színhımérséklet még jobban kihangsúlyozza ezt.

44. ábra: 2700 K-es referencia fényforrás és kompakt fénycsı valamint fehér LED által megvilágított színminták spektro-radiométerrel mért színességi koordinátáinak ábrázolása u’v’ színességi diagramban

Mindkét RGB LED cluster esetén az eltolódások iránya nagyon hasonló képet mutat, de merıben mást, mint a fehér LED vagy fénycsı esetén. Az ötös számú minta (45. ábra), egy elválasztó pont szerepét tölti be, a koordináta rendszerben tıle balra elhelyezkedı pontok a teszt fényforrás által megvilágítva a diagramban balra, míg a tıle jobbra elhelyezkedı pontok jobbra tolódnak. Ez a fajta kivételesnek nevezhetı irányultság változás a többi színhımérsékletnél is megmarad az RGB LED-eket vizsgálva. Az itt tapasztalható nagyságrendbeli színinger-különbségek azonban összefüggésben vannak a CIE 13.3 szerint számított R_a indexekkel, mivel az 1-es számú LED cluster mindig nagyobb színvisszaadási index-el rendelkezik, mint a 2-es számú LED cluster és a képekrıl is leolvasható, hogy az eltolódások mértéke kisebb az 1-es LED esetében.

45. ábra: 2700 K-es referencia fényforrás és az RGB LED clusterek által megvilágított színminták spektro-radiométerrel mért színességi koordinátáinak ábrázolása u’v’ színességi diagramban

Az adott referencia és teszt fényforrás által megvilágított színminták színességi koordinátáit (u’v’) felhasználva, az összetartozó minta párok közti geometriai távolságokat kiszámítottam

(

( ) (

, ,

)

²

2 ,

, ' ' '

'_iref u_iteszt v_iref v_iteszt

u − + − , i=1..18), majd az így kapott 18 darab távolságot összegeztem. Ezáltal egy olyan számot határoztam meg minden egyes fényforráshoz, mely a vizsgált színmintákra jellemzı torzulásokat azok összegeivel írja le.

Összes fényforrás

R² = 0,8983

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 Összes geometria különbség

Ra index

White LED nélkül

R² = 0,9971

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 Összes geometriai különbség

Ra index

46. ábra: A 2700 K-es csoportba tartozó megvilágítók Ra általános színvisszaadási indexeinek ábrázolása a minta párok fényforrásonkénti geometriai távolságuk összegének függvényében

A 46. ábra a fényforrások általános színvisszaadási indexeinek értékét a 18 darab színminta referencia és teszt fényforrás által megvilágított u’v’ színességi pontjai közti koordináta-rendszerbeli távolságaik összegének függvényében ábrázolja. A jobb oldali grafikonon a két halmaz közti korreláció vizsgálatából kihagytam a fehér LED értékeit, és így a maradék

három pont közel egy egyenesen helyezkedik el, mely azt mutatja, hogy eltekintve a ténytıl, hogy a két módszer teljesen különbözı színminta halmazon értelmezett, a köztük lévı korreláció közel 100 százalékos. A fehér LED azért nem illeszkedik a sorba, mert korrelált színhımérséklete eltér a többi fényforrás korrelált színhımérsékletétıl.

26. Táblázat: A 2700 K-es teszt fényforrások színvisszaadási tulajdonságait jellemzı adatok összefoglaló táblázata

Fényforrások – 2700 K R_a Σ∆u’v’ CCT White LED - (L_STAR/O_2700) 88,4 0,29 3114 En. kompakt fénycsı - (T_F82) 84,2 0,15 2774

LED cluster 1 - (S_2700) 36,0 0,45 2816

LED cluster 2 - (L_2700) 3,7 0,68 2816

R² korrelációs együttható (White LED nélkül): -0,9971

A fenti táblázatban (26. Táblázat) összegeztem a lámpák színhımérsékletét, CIE 13.3 szerint számított R_a általános színvisszaadási index értékeit, valamint az általam meghatározott referencia és teszt fényforrás által megvilágított minták közti távolságok összegét. A fehér LED elhagyásával a két halmaz közti R² korrelációs együttható két tizedesre kerekítve már -1,00 értéket venne fel (26. Táblázat).

Színi áthangolódással

R² = 0,9973

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 Összes geometriai különbség

Ra index

47. ábra: Színi áthangolódási korrekciót alkalmazva a fehér LED által megvilágított színmintákra

Mivel a fehér LED korrelált színhımérséklete nem változtatható eltérıen az RGB LED-ektıl, így színi áthangolódási korrekciót kell végre hajtani, hogy a megvilágított minták színességi koordinátái össze vethetıek legyenek a többi fényforrás által megvilágított mintákkal. Von Kries kromatikus adaptációs transzformációt alkalmaztam a fényporos LED által megvilágított színminták XYZ színességi koordinátáira, majd visszatranszformálva a kapott értékeket CIE XYZ színtérbe, az abból számítható u’v’ koordinátákat felhasználva a

távolságok meghatározásához, a regressziós egyenesbe már lényegesen jobban illeszkedı pontot kaptam (47. ábra).

27. Táblázat: A 2700 K-es teszt fényforrások színvisszaadási tulajdonságait jellemzı adatok összefoglaló táblázata a fehér LED által megvilágított mintákra színi áthangolódási korrekciót alkalmazva

Fényforrások – 2700 K R_a Σ∆u’v’ CCT

White LED - (L_STAR/O_2700) 88,4 0,10 3114

En. kompakt fénycsı - (T_F82) 84,2 0,15 2774

LED cluster 1 - (S_2700) 36,0 0,45 2816

LED cluster 2 - (L_2700) 3,7 0,68 2816

R² korrelációs együttható (színi áthangolódással): -0,9973

A 27. Táblázat tartalmazza a módosított értékeket, melybıl jól kivehetı, hogy így már a fehér LED-hez számított _Σ∆u’v’ is arányban van a CIE szerinti általános színvisszaadási index-el.

5.3.5.2. 4000 K korrelált színhımérséklető fényforrások

4000 K korrelált színhımérsékleten több különbözı típusú fényforrás összehasonlítására volt lehetıség, ezáltal a változások jellegei is szélesebb körőek. Mindegyik fénycsı diagramján látható, hogy az eltolódások általában egy irányba, a háromszög kék csúcsa felé mutatnak, és az eltolódások mértéke is összhangban van a CIE 13.3 szerint meghatározott Ra általános színvisszaadás indexek értékeivel, kivéve ugyancsak a fehér LED-el megvilágított minták eltolódásait.

48. ábra: 4000 K-es referencia fényforrás és különbözı típusú fénycsövek által megvilágított színminták spektro-radiométerrel mért színességi koordinátáinak ábrázolása u’v’ színességi diagramban

A kis és közepes korrelált színhımérséklettel rendelkezı fényforrások kiválasztásánál a fehér LED-et mindkét halmazba beválasztottam, mivel annak tényleges korrelált színhımérséklete 2700 K és 4000 K közé esett. Így a 49. ábra ugyanazon fehér LED összehasonlítását mutatja a 4000 K-es referencia fényforrással, mint a 44. ábra a 2700 K-es esetben, de az itt látható változások irányultságai teljesen ellentétesek az ott tapasztaltakkal. Ebben az esetben a teszt fényforrás általi színességi pontok változásainak mindegyike nem a háromszög kék, hanem annak vörös csúcsa felé irányulnak a referenciához képest. Elsı gondolatra ez ellentétes azzal a magyarázattal, amit a LED szerkezeti felépítésére vonatkozólag tettem a 2700 K-es esetben, azonban a referencia és teszt fényforrás közti nagy, közel 600 K-es színhımérsékletbeli eltérés (CCTref > CCT_teszt) hatása már jobban érvényesül.

49. ábra: 4000 K-es referencia fényforrás és fehér LED által megvilágított színminták spektro-radiométerrel mért színességi koordinátáinak ábrázolása u’v’ színességi diagramban

A közel 4000 K korrelált színhımérsékletre beállított RGB LED clusterekkel megvilágított színminták színességi pontjai – hasonlóan a 2700 K-es csoporthoz – abban az esetben, ha az ötös számú mintától jobbra helyezkedtek el, a vörös csúcs felé, ha balra, akkor a zöld csúcs felé tolódtak a referencia pontokhoz képest. Mivel ezen fényforrások sugárzáseloszlása három domináns hullámhosszal (vörös, zöld és kék tartományban) rendelkezı spektrum additív összegeibıl képzıdik, nagy hatással bírnak a hasonló színezettel rendelkezı mintákra. Ezért lehetséges, hogy a narancsos, vöröses, lilás színezető MCC minták színességi pontjai a nagy intenzitással jelen lévı vörös LED hatása révén a háromszög vörös csúcsa felé, míg a kékes, zöldes színezető MCC minták színességi pontjai a közel azonos intenzitású kék és zöld LED hatása révén a zöld csúcs felé tolódnak. Kivétel ez alól a LED cluster 1 esetén a legkékebb 13-as számú MCC színminta, ahol a változás irányultsága inkább a kék csúcs felé mutat.

50. ábra: 4000 K-es referencia fényforrás és az RGB LED clusterek által megvilágított színminták spektro-radiométerrel mért színességi koordinátáinak ábrázolása u’v’ színességi diagramban

Megvizsgálva a fényforrások általános színvisszaadási indexének kapcsolatát a színminták közti geometriai távolságok fényforrásonkénti összegével hasonló korreláció mutatható ki, mint 2700 K esetén. Mivel a fehér LED ezen színhımérsékleti csoportba sem illeszkedik tökéletesen, elhagyva azt az összehasonlításnál, még szignifikánsabb korrelációt kapunk (51.

ábra).

Összes fényforrás

R² = 0,907

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 Összes geometriai különbség

Ra index

White LED nélkül

R² = 0,9817

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 Összes geometriai különbség

Ra index

51. ábra: A 4000 K-es csoportba tartozó megvilágítók Ra általános színvisszaadási indexeinek ábrázolása a minta párok fényforrásonkénti geometriai távolságuk összegének függvényében

A 28. Táblázatban a fényforrások színhımérsékleti értékei mellett megtalálhatóak azon adatok is, melyekbıl a fenti korrelációs grafikonokat készítettem. A számított Σ∆u’v’

értékekbıl is jól látszik, hogy a fehér LED esetén ez az érték jóval nagyobb, mint ahogy azt az

28. Táblázat: A 4000 K-es teszt fényforrások színvisszaadási tulajdonságait jellemzı adatok összefoglaló táblázata

Fényforrások – 4000 K Ra Σ∆u’v’ CCT Cool White kompakt fénycsı - (O_940) 93,2 0,13 3614 White LED - (L_STAR/O_4000) 88,8 0,34 3105 3 sávos fénycsı (T8 Polylux XL) 84,2 0,21 3841 Cool White kompakt fénycsı - (O_840) 82,0 0,21 3809 Cool White fénycsı - (T) 60,6 0,43 4047

LED cluster 1 - (S_4000) 41,5 0,47 3719

LED cluster 2 - (L_4000) 5,3 0,78 3718

R² korrelációs együttható (White LED nélkül): -0,9817

Mint, ahogy azt már a ~2700 K-es lámpák esetén is tapasztalható volt, a fehér LED korrelált színhımérsékletének a referencia fényforrásétól való nagyobb mértékő eltérése miatt színi áthangolódási korrekcióra van szükség a pontos összevethetıség érdekében. Von Kries modellt alkalmazva, a regressziós egyenesre már lényegesen jobban illeszkedı pontot kapunk;

a változásokat a 29. Táblázat tartalmazza.

Színi áthangolódással

R² = 0,9792

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 Összes geometriai különbség

Ra index

52. ábra: Színi áthangolódási korrekciót alkalmazva a fehér LED által megvilágított színmintákra

29. Táblázat: A 4000 K-es teszt fényforrások színvisszaadási tulajdonságait jellemzı adatok összefoglaló táblázata a fehér LED által megvilágított mintákra színi áthangolódási korrekciót alkalmazva

Fényforrások – 4000 K R_a Σ∆u’v’ CCT Cool White kompakt fénycsı - (O_940) 93,2 0,13 3614

White LED - (L_STAR/O_4000) 88,8 0,12 3105

3 sávos fénycsı (T8 Polylux XL) 84,2 0,21 3841 Cool White kompakt fénycsı - (O_840) 82,0 0,21 3809

Cool White fénycsı - (T) 60,6 0,43 4047

LED cluster 1 - (S_4000) 41,5 0,47 3719

LED cluster 2 - (L_4000) 5,3 0,78 3718

R² korrelációs együttható (színi áthangolódással): -0,9792

5.3.5.3. 6500 K korrelált színhımérséklető fényforrások

A nappali sugárzáseloszlás 6500 K színhımérsékletével közel azonos korrelált színhımérséklető lámpák csoportjában egy energiatakarékos kompakt fénycsı, egy fehér LED valamint két RGB LED cluster került kiértékelésre.

A fénycsı esetében nagyon kicsik a színminták közti mért különbségek, és a változások irányultságai sem olyan jellegzetesek, mint az eddig vizsgált esetekben, bár sok esetben a változás a háromszög kék csúcsa felé mutat (53. ábra).

A fehér LED-el megvilágított színminták színességi pontjai a referencia koordinátákhoz képest egyértelmően a kék csúcs felé tolódnak, egyrészt a sugárzáseloszlás jellegébıl, másrészt a többi fényforráshoz képesti közel 1000 K-el nagyobb korrelált színhımérsékletbıl adódóan (53. ábra).

53. ábra: 6500 K-es referencia fényforrás és kompakt fénycsı (balra) valamint fehér LED (jobbra) által megvilágított színminták spektro-radiométerrel mért színességi koordinátáinak ábrázolása u’v’ színességi

diagramban

Habár a referencia fényforrás által megvilágított minták u’v’ színességi koordinátái a színhımérséklet növelésével arányosan a kék csúcs felé mozdulnak, az RGB LED-ek okozta jellegzetes torzulások, itt a 6500 K-es esetben is megmaradnak. A 18 darab mintát az 5-ös számú minta itt is két csoportra osztja, a bal oldalán lévık erıteljesen balra, míg a jobb oldalán lévık erıteljesen jobbra tolódnak a koordinátarendszerben (54. ábra).

54. ábra: 6500 K-es referencia fényforrás és az RGB LED clusterek által megvilágított színminták spektro-radiométerrel mért színességi koordinátáinak ábrázolása u’v’ színességi diagramban

Itt is megvizsgáltam milyen kapcsolat áll fenn a fényforrásokhoz meghatározott CIE szerinti színvisszaadási indexek valamit az általam számított geometriai távolságok összege között.

Az alábbi két ábrán (55. ábra) jól látszik, hogy míg négy fényforrást alapul véve a korreláció jóval kisebb, mint az eddig tapasztaltak, a fehér LED-et a sorból eltávolítva újfent közel 100 százalékos korreláció mutatható ki. Minél kisebb R_a értékkel rendelkezik egy fényforrás, annál nagyobbak a színminták közti távolságok összegei. Kivétel ez alól újból a fehér LED, ahogy azt a 30. Táblázat adatai is mutatják; a fehér LED-el megvilágított színminták sokkal nagyobb mértékben torzulnak a referencia fényforrás által megvilágított mintákhoz képest, mint ahogy azt az Ra index indokolná. A többi fényforrás adatait összevetve a korreláció 100 százalékosnak mondható.

Összes fényforrás

R² = 0,6658

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

Összes geometria távolság

Ra index

White LED nélkül

R² = 0,9995

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80

Összes geometriai távolság

Ra index

55. ábra: A 6500 K-es csoportba tartozó megvilágítók Ra általános színvisszaadási indexeinek ábrázolása a minta párok fényforrásonkénti geometriai távolságuk összegének függvényében

Ha a fehér LED által megvilágított minták esetén színi áthangolódási korrekciót hajtunk végre, majd visszatranszformálunk a CIE XYZ rendszerbe, és az így korrigált színinger összetevıkbıl számítjuk az u’v’ színességi koordinátákat, akkor az így meghatározott értékek már lényegesen jobban belesimulnak a regressziós egyenesbe. Ebbıl azt a következtetést vonhatjuk le, hogy a telítetlen 8 darab Munsell minta segítségével meghatározott színvisszaadás jól korrelál a telített 18 darab MCC minta segítségével meghatározott Σ∆u’v’

értékekkel.

30. Táblázat: A 6500 K-es teszt fényforrások színvisszaadási tulajdonságait jellemzı adatok összefoglaló táblázata

Fényforrások – 6500 K Ra Σ∆u’v’ CCT 6500 K Kompakt fénycsı - (T) 81,8 0,15 6085

White LED - (L_6500) 79,2 0,51 7076

LED cluster 1 - (S_6500) 52,3 0,43 5867

LED cluster 2 - (L_6500) 13,1 0,77 5867

R² korrelációs együttható (White LED nélkül): -0,9995

Von Kries kromatikus adaptációs transzformációt alkalmazva a fehér LED esetében, itt is a sorba jobban illeszkedı, és a CIE Ra indexekkel arányban lévı Σ∆u’v’ értéket kapunk, melyet a 31. Táblázat szemlélteti.

Színi áthangolódással

R² = 0,9951

0 20 40 60 80 100

0,00 0,10 0,20 0,30 0,40 0,50 0,60 0,70 0,80 Összes geometriai távolság

Ra index

56. ábra: Színi áthangolódási korrekciót alkalmazva a fehér LED által megvilágított színmintákra

31. Táblázat: A 6500 K-es teszt fényforrások színvisszaadási tulajdonságait jellemzı adatok összefoglaló táblázata a fehér LED által megvilágított mintákra színi áthangolódási korrekciót alkalmazva

Fényforrások – 6500 K Ra Σ∆u’v’ CCT 6500 K Kompakt fénycsı - (T) 81,8 0,15 6085 White LED - (L_6500) 79,2 0,22 7076 LED cluster 1 - (S_6500) 52,3 0,43 5867 LED cluster 2 - (L_6500) 13,1 0,77 5867

5.3.5.4. Összegzés

Az általam készített grafikonok egyértelmően szemléltetik, hogy egy adott teszt fényforrás egy referencia fényforráshoz képest milyen mértékő és irányultságú változásokat fog eredményezni az általuk megvilágított színminta halmazok esetében. Ha az elsıdleges szempont az, hogy a referencia fényforrás színvisszaadási tulajdonságait minél jobban közelítı másik fényforrást (például energiatakarékosabb lámpát) találjunk, azaz, hogy a teszt fényforrás által visszaadott színek a legkevésbé torzuljanak el a referenciához képest, ez a fajta összehasonlítás jó megoldásnak tőnik. A kompakt fénycsövek esetén tapasztalható kicsi színinger-különbségek nem annyira szemléletesek, de annál inkább a LED-ek esetében.

A fényporos LED-ekrıl minden színhımérsékleti szinten elmondható, hogy a tapasztalt változások nagyobbak, mint azt az Ra indexe indokolná. Ennek elsıdleges oka a referenciához képesti nagy korrelált színhımérsékletbeli eltérés, aminek következtében a színi áthangolódást is figyelembe kell venni az „effektív”⁵ színességi koordináták meghatározásához.

A színes RGB LED-ek mindennapi életben való alkalmazása elıtt mindenképp figyelembe kell venni, hogy a minták torzulásai ezekben az esetekben a legnagyobbak. Olyan területeken, ahol a megszokottól nagyobb mértékben változnának ezáltal a tárgyak színei, és ez kihatással lenne a megvilágítás mellett végzett tevékenységre (pl. kórházi mőtı), jelenleg az ilyen RGB LED cluster fényforrások nem alkalmasak a régebbi típusú lámpák helyettesítésére.

Megoldást jelenthetne a problémára, ha a gyártók minél több különbözı hullámhosszúságú színes LED-eket tudnának kifejleszteni és így a clusterek nem három, hanem több (6~10) különbözı színő LED-bıl is állhatnának¹³⁸.

5.3.6. Számított színinger-különbségi értékek meghatározása CIE 13.3,

In document Hagyományos és modern fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak vizsgálata (Pldal 92-105)