Hagyományos és modern fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak vizsgálata

HAGYOMÁNYOS ÉS MODERN FÉNYFORRÁSOK SZÍNVISSZAADÁSI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA

Doktori (Ph.D) értekezés

Sándor Norbert

Témavezetı: Dr. Schanda János

Informatikai Tudományok Doktori Iskola Pannon Egyetem

Veszprém 2006

HAGYOMÁNYOS ÉS MODERN FÉNYFORRÁSOK SZÍNVISSZAADÁSI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA

Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta:

Sándor Norbert

Készült a Veszprémi Egyetem Informatikai Tudományok Doktori iskolája keretében Témavezetı: Dr. Schanda János

Elfogadásra javaslom (igen / nem)

(aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton …... % -ot ért el,

Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom:

Bíráló neve: …... …... igen /nem

……….

(aláírás) Bíráló neve: …... …... igen /nem

……….

(aláírás) Bíráló neve: …... …... igen /nem

……….

(aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …...% - ot ért el

Veszprém, ……….

a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minısítése…...

………

Az EDT elnöke

Köszönetnyilvánítás

Ezúton szeretnék köszönetet mondani mindazoknak, akik önzetlen segítségükkel és tanácsaikkal segítették munkámat és hozzájárultak tudományos értekezésem elkészítéséhez.

Mindenekelıtt szeretném megköszönni témavezetımnek, Dr. Schanda Jánosnak a rengeteg szakmai és emberi támogatását a laborban eltöltött évek alatt. Nemcsak tudásával, tapasztalatával, hanem türelmével, nyitottságával is segítette munkám minden lépését.

Köszönettel tartozom Sikné Dr. Lányi Cecíliának azért a határtalan lelki támogatásért, amellyel már az egyetemi tanulmányaimtól kezdve kitüntetett, valamint Dr. Bodrogi Péternek a szakmai támogatásért.

Köszönetet mondok a Szín és Multimédia Kutatócsoport minden tagjának, akikhez minden kérdésemmel bátran fordulhattam és azoknak a munkatársaknak, egyetemi és Ph.D hallgatóknak akiknek a kísérleti szobában eltöltött óráik nélkül ez a dolgozat nem születhetett volna meg (Beke László, Csuti Péter, Kosztyán Zsolt, Kránicz Balázs, Kutas Gábor, Madár Gábor, Mátrai Rita, Szalmás Attila, Tilinger Ádám, Várady Géza, Tarczali Tünde). Külön köszönöm Csuti Péternek a megfigyelı doboz elkészítésében való részvételét, valamint Kosztyán Zsolt, Várady Géza és Kutas Gábor szakmai segítségét a statisztikai elemzések elvégzéséhez.

És végül, de nem utolsósorban szeretnék köszönetet mondani családomnak, szeretteimnek akik mindig mellettem voltak és vannak, valamint barátaimnak türelmükért és a sok biztató, bátorító szóért.

Tartalomjegyzék

Köszönetnyilvánítás ... 4

Tartalomjegyzék... 5

1. Tartalmi kivonat ... 8

1.1. Abstract ... 9

1.2. Zusammenfassung... 10

2. Bevezetés ... 11

3. Történelmi áttekintés... 14

3.1. Korai színvisszaadási kísérletek... 14

3.2. Több sávos módszerek ... 14

3.3. Színminták vizsgálatára épülı eljárások... 17

3.4. Referencia fényforrások kiválasztásának kérdése ... 20

3.5. Kromatikus adaptáció figyelembe vétele ... 21

3.6. Optimalizált fényforrások megjelenése... 23

3.7. A színvisszaadás problémájának alternatív megközelítései ... 24

3.7.1. Színdiszkrimináció... 24

3.7.2. Színpreferencia – „flattery index”... 26

3.7.3. Duál indexek ... 28

3.7.4. „Gamut area” meghatározása, mint fényforrások színdiszkriminációs képességének mértéke... 28

3.7.5. „Visual clarity”... 29

3.8. CIE CRI-1996 – Átmeneti megoldás fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak jellemzésére ... 31

3.8.1. Referencia fényforrások rögzítése... 32

3.8.2. Színminták rögzítése ... 33

3.9. Színkategorizáláson alapuló modellek ... 34

3.10. Módosított színterek és színmegjelenési modellek ... 35

3.10.1. CIECAM97s színmegjelenési modell ... 36

3.10.2. Módosított színterek vizsgálata... 42

3.10.3. CIECAM02 színmegjelenési modell... 44

4. Számítási módszerek ismertetése... 47

4.1. A CIE 13.2-es publikációjának ismertetése: ... 47

4.1.1. Referencia fényforrásra vonatkozó megkötések: ... 47

4.1.2. Tesztmintákra vonatkozó megkötések: ... 48

4.2. CIEALAB 1976 L*a*b* színinger térbe való konverzió ... 50

4.3. CIECAM02 színmegjelenési modell ... 50

5. Kísérleti munka leírása ... 51

5.1. Elı kísérlet ... 51

5.1.1. Kísérleti doboz I... 51

5.1.2. Kísérleti személyek kiválasztása... 52

5.1.3. Tréning ... 52

5.1.4. Megvilágítási körülmények rögzítése ... 53

5.1.5. Elı kísérlet ismertetése ... 55

5.1.6. Kiértékelés, eredmények és következtetések ... 57

5.2. Színvisszaadás meghatározására vonatkozó új vizuális kísérletsorozat leírása 61 5.2.1. Kísérleti elrendezés ... 61

5.2.2. Teszt és referencia fényforrások ismertetése ... 62

5.2.2.1. 2700 K korrelált színhımérsékleti csoport... 62

5.2.2.2. 4000 K korrelált színhımérsékleti csoport... 64

5.2.2.3. 6500 K korrelált színhımérsékleti csoport... 66

5.2.3. Kísérleti személyek és feladatuk... 68

5.2.3.1. Kísérleti személyek kiválasztása ... 68

5.2.3.2. A vizuális megfigyelık feladata... 68

5.3. Objektív mérések és számítások eredményeinek kiértékelése ... 68

5.3.1. A CIE 13.3-as publikációjában ismertetett eljárás – Ra általános színvisszaadási index számítása, elméleti referencia fényforrással... 69

5.3.2. A CIE 13.3-as Ra általános színvisszaadási index számítása, általam választott referencia fényforrással... 74

5.3.3. Különbözı színminta halmazok hatása a CIE 13.3-as eljárás alapján számított színvisszaadási indexekre... 76

5.3.4. Fényforrások színkészletének (gamut) vizsgálata CIELAB színtérben... 80

5.3.4.1. 2700 K korrelált színhımérsékleti csoport... 83

5.3.4.2. 4000 K korrelált színhımérsékleti csoport... 86

5.3.4.3. 6500 K korrelált színhımérsékleti csoport... 90

5.3.5. Színkoordináták torzulásának vizsgálata u’v’ koordináta-rendszerben... 92

5.3.5.1. 2700 K korrelált színhımérséklető fényforrások ... 93

5.3.5.2. 4000 K korrelált színhımérséklető fényforrások ... 97

5.3.5.3. 6500 K korrelált színhımérséklető fényforrások ... 102

5.3.5.4. Összegzés ... 105

5.3.6. Számított színinger-különbségi értékek meghatározása CIE 13.3, CIELAB és CIECAM02 modellek felhasználásával ... 105

5.4. Vizuális megfigyelések függetlenség vizsgálata ... 108

5.5. Három szempontú varianciaanalízis vizsgálat ... 110

5.6. A vizuális megfigyelések és számított színinger-különbségek közti kapcsolatok erısségének vizsgálata... 114

5.7. Vizuális kísérletek és objektív mérések eredményeinek összehasonlítása ... 119

5.7.1. A vizuális és számított értékek közti, fényforrás páronkénti korrelációk meghatározása ... 120

5.7.1.1. Kis korrelált színhımérséklettel (~2700 K) rendelkezı fényforrások esetén meghatározott vizuális eredmények kiértékelése ... 121

5.7.1.2. Közepes korrelált színhımérséklettel (~4000 K) rendelkezı fényforrások esetén meghatározott vizuális eredmények kiértékelése ... 125

5.7.1.3. Nagy korrelált színhımérséklettel (~6500 K) rendelkezı fényforrások esetén meghatározott vizuális eredmények kiértékelése ... 128

5.7.2. Vizuális eredmények fényforrás páronkénti összehasonlítása az u’v’

diagramban számított távolságokkal ... 132

5.7.3. A vizuális és számított értékek közti, színmintánkénti korrelációk meghatározása ... 134

5.7.3.1. Eredeti (módosítatlan), normalizált vizuális értékek felhasználása ... 135

5.7.3.2. Normalizált vizuális értékek módosítása... 139

5.7.3.3. A vizuális értékek közti relatív szórás figyelembe vétele ... 143

6. Összefoglalás ... 147

7. Tézisek... 153

Publikációs lista... 155

Melléklet 1... 157

CIE 1931 tristimulusos értékek meghatározása ... 157

Tristimulusos értékek átszámolása D65 megvilágító adaptációs szintjére... 157

Értékek CIE 1976 CIELAB térbe való transzformációja... 158

CRI-1996 színvisszaadási indexek kiszámítása ... 159

Melléklet 2... 161

A színvisszaadás meghatározásának lépései:... 161

Színvisszaadási Indexek meghatározása: ... 162

Melléklet 3... 164

Melléklet 4... 166

Melléklet 5... 170

Melléklet 6... 173

Irodalomjegyzék... 177

1. Tartalmi kivonat

Értekezésem elsıdleges célja az volt, hogy a mindennapi életben használatos hagyományos és új generációs fényforrások színvisszaadási tulajdonságait vizuális kísérletek segítségével vizsgáljam és a megfigyelık által szolgáltatott adatokat összevessem a gyakorlati, színvisszaadási indexek meghatározására szolgáló módszerekkel, melyik közelíti meg vagy írja le legjobban az emberi látás mechanizmusát.

A hagyományos izzólámpák, halogén izzók és fénycsövek elterjedésének idıszakában, fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak meghatározására az 1974-ben elfogadott CIE 13.2-es (késıbbiekben CIE 13.3) módszer a fényforrás gyártók körében mind a mai napig általánosan elfogadott szabvány, hogy lámpáikat színvisszaadás tekintetében osztályozzák.

A technikai fejlıdésnek köszönhetıen a világítótestek piacán megjelentek az eddigieknél lényegesen energiatakarékosabb és hosszabb élettartammal bíró, a régebbi fényforrásokétól teljesen eltérı spektrális teljesítmény-eloszlással rendelkezı fényporos és színes RGB LED- ek.

A világítástechnikával foglalkozó szakemberekben felmerült az a kérdés, vajon ezen új típusú, a fénycsövekétıl lényegesen eltérı spektrális teljesítmény-eloszlással rendelkezı fényforrások esetén valós értékeket szolgáltat - e a CIE 13.3-as eljárása.

Mindezidáig az irodalomban nem volt található olyan jellegő kutatás, ami a napjainkban használatos és új típusú lámpákra, jellemzı színhımérsékleti szinteken – 2700 K, 4000 K, 6500 K – átfogó összehasonlítást közölt volna azok színvisszaadási tulajdonságairól, vizuális kísérletek eredményeinek alátámasztásával.

Vizuális kísérletek során a megfigyelık által szolgáltatott eredményeket összevetettem több matematikai modell szerint számított színinger-különbségi értékkel és megmutattam, hogy a jelenleg fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak leírására elfogadott CIE 13.3-as módszernél létezik jobb modell is.

Az általam bemutatott két grafikai ábrázolás a referencia és teszt fényforrás által megvilágított színminták közti eltérések szemléletes bemutatására kiegészítésül szolgálhat a fényforrás gyártók részére, hogy jellemezzék új típusú megvilágítóik színvisszaadási tulajdonságait.

1.1. Abstract

The primary aim of my dissertation was to investigate by the help of visual experiments the colour rendering properties of conventional and state of the art light sources used in everyday lighting applications and to compare the data established by the observers with those determined through contemporary methods for calculating colour-rendering indices.

In a time when beside conventional incandescent lamps, halogen lamps and fluorescent lamps had an ever broadening field of use, a method for determining colour rendering properties of light sources, called CIE 13.2 (later named CIE 13.3) and accepted in 1974, became available, and is still in general use. Since those days, it has been accepted by the light source manufacturers as the standard method of classifying their products in regard to colour rendering.

Owing to the technical development, phosphor converted white LEDs and RGB LED clusters have become available. These sources are more economical in means of power, and have longer lifetime but their spectral power distribution is totally different from that of the traditional light sources.

The question whether the CIE 13.3 method provides realistic values in the case of these new light sources, which have very different spectral power distribution compared with that of the fluorescent lamps, has interested experts for some time.

To my best knowledge no research has been described in the literature that would have given a comprehensive overview about the colour rendering properties of the new light sources with 2700 K, 4000 K and 6500 K correlated colour temperature, comparing visual observations with calculated values.

In my research, results provided from visual experiments were compared with colour difference values calculated using various mathematical models and I have shown that there exists a model which is better than the CIE 13.3 method, which is the currently accepted method to describe colour rendering properties of light sources.

Both graphical representations presented in my dissertation to illustrate the difference between the colour samples illuminated by the reference and test light sources grant valuable support to the light source manufacturers in the characterization of the colour rendering properties of their new type of products.

1.2. Zusammenfassung

Das primäre Ziel meiner Abhandlung war der Vergleich der Farbwiedergabe-Eigenschaften von im Alltagsleben benutzten traditionellen und von neuer Generation stammenden Lichtquellen, mit Hilfe visueller Experimente. Mein weiteres Ziel war die Gleichstellung der gemessenen Daten der Beobachter mit denen beruhend auf verschiedenen Farbraume. So konnte ich berechnen, welche Methode am besten die Mechanik des Sehens beschreibt.

Zur Zeit wird noch immer die Farbwiedergabeberechnungsmethode verwendet, die die CIE in 1974 zur Quantifizierung der Farbwiedergabe der ersten und zweiten Generation von Leuchtstofflampen entwickelt hat (CIE 13.2, später CIE 13.3).

Dank der technischen Entwicklung erschienen auf dem Markt weiße Leuchtdioden (LED-s), die zum Teil blaue LED-s und gelbe Luminophore, zum Teil Farbige RGB- LEDs verwenden, und die energiesparend sind, und längeres Lebensdauer aufweisen, als die traditionellen Lichtquellen. Die spektrale Leistungsverteilung der LEDs schaut jedoch ganz anders aus als die von traditionälen Lichtquellen. Die Frage blieb bis heute unbeantwortet, ob im Falle dieser neuen Lichtquellen, dessen Spektrum wesentlich von dem der Leuchtstofflampen abweicht, die auf die CIE 13.3 Publikation beruhende Methode richtige Werte liefert oder nicht.?

Bis heute erschien keine Veröffentlichung, die einen umfassenden Vergleich der Farbwiedergabe von verschiedenen heutzutage benutzten und neuen Lichtquellen mit den typischen Farbetemperaturen von 2700 K, 4000 K und 6500 K vorgenommen hätte.

Ich konnte in meiner Dissertation zeigen, dass es bessere Methoden zur Beschreibung der Farbwiedergabe gibt, als die in CIE Publ. 13.3 beschrieben wurden. Als eine Verbeserung der Berechnungsmethode schlage ich vor die Farbwiedergabe im Farbenraum des CIECAM02 Modells durchzuführen. Dieses Modell gibt in den meisten fällen bessere Übereinstimmung mit den visuellen Ergebnissen, als die CIE 13.3 Methode.

Die zwei von mir vorgeschlagenen graphische Darstellungen für die Repräsentation der Unterschiede zwischen mit Referenz- und mit Test-Lichtquelle beleuchteten Farbproben, könnten als Ergänzung für Lichtquellen-Hersteller dienen, um die Farbwiedergabe- Eigenschaften ihrer neuen Lampentypen zu charakterisieren.

2. Bevezetés

A színek segítenek megérteni a körülöttünk lévı világot. A mindennapi életben használatos tárgyak színe nagymértékben függ a megvilágító fényforrásoktól, amelyek manapság igen különbözı színképi teljesítmény-eloszlásokkal készülnek. Ha megváltozik a fényforrás, az általa megvilágított tárgyak színmegjelenésében is változás lép fel. Az áruházban vásárolt, izzólámpa fénye által megvilágított ruha színe könnyen meglepetést okozhat számunkra, ha kilépünk benne a napfényre. A hétköznapi ember számára a hagyományos izzók, halogén izzók és fénycsövek jelentik az elsıdleges mindennapi életben használatos fényforrásokat.

Ezek után következik a természetes napfény, a borús, felhıs ég és a déli szikrázó napsütés közti átmenetek mindegyikével.

A fénycsövek és nagynyomású gázkisülı-lámpák mellett napjainkban megjelentek a világító diódák (Light Emitting Diodes - LED) is, mint a modern világítástechnika fényforrásai. Ezen új fényforrás típusok színképi teljesítmény-eloszlása nagyon eltérı az említettektıl, s ezért a felületszínek színészlelete is változhat attól függıen, hogy milyen fényforrás típussal (s azon belül milyen színképi teljesítmény-eloszlással) világítjuk meg azokat. A fényt visszaverı anyagok területén is számos új színképzıvel találkozunk, mind a kikészítı iparágakban, mind a nyomdatechnikában.

A színmérés, mint olyan, az 1930-as évek derekán vált igazán hasznos gyakorlati alkalmazássá, amikor a Massachusetts-i Technikai Intézet kutatásai révén megjelentek az elsı spektrofotométerek, melyek segítségével reflektáló minták spektrofotometriai adatai váltak mérhetıvé.

A színvisszaadási index akkor került bevezetésre, amikor a második generációs fénycsövek betörtek a piacra. A kompakt fénycsövek fényporainak kifejlesztésekor nem a jó vizuális színvisszaadási tulajdonságot tartották szem elıtt, hanem arra törekedtek az optimalizálás során, hogy jó fényhasznosítást és nagy színvisszaadási indexet érjenek el.

Nátrium lámpa fénye alatt még a legszínesebb tárgyak is sárgásnak, barnásnak tőnnek, higany lámpák fényénél sem a természetes¹ sugárzásnál már jól megszokott színeket véli felfedezni az ember, amire egy cikkében már Bouma¹ is utalt a „rossz szín” fogalmával.

A CIE 30 évvel ezelıtt vezette be a jelenleg használatos színvisszaadási index számítására szolgáló eljárást². Az eltelt 30 év alatt több próbálkozás is volt, hogy a kiadványt módosítsák, és, hogy szinkronba hozzák a modern színmetrikai gyakorlattal (lásd pl.³), de a meggyızı vizuális kísérleti eredmények hiányában, ez mind a mai napig nem történt meg.

A CIE meghatározása a színvisszaadás fogalmáról megtalálható a Nemzetközi Világítástechnikai Szótárban⁴, melynek magyar fordítását az MSZ 9620-2, Fénytechnikai Terminológia: Látás, színvisszaadás kötete tartalmazza:

„A sugárzás spektrális eloszlásának a hatása a tárgyak színes megjelenésére; a tárgyak egy referencia-eloszláshoz tartozó színes megjelenésével való tudatos vagy tudatalatti összehasonlítása.”

A CIE „Test Method” a napjainkban használt egyenlıköző színterek bevezetése elıtti idıbıl származik, ezért az utolsó évtizedekben jó néhány javaslat készült a jelenlegi módszer kiterjesztésére vagy frissítésére (lásd pl.^3,5). Ezek a javaslatok mind új változók - pl. ’flattery index⁶, színdiszkriminációs index⁷ - mind pedig új számítási módszer bevezetésében⁸ nyilvánultak meg. A fényforrás gyártók általános nézete az volt, hogy mielıtt új matematikai modellt fogadnának el a színvisszaadási index számítására, újra kell vizsgálni a létezı modellt és annak használhatóságát vizuális kísérletek segítségével kell ellenırizni. A CIE „Test Method”-ot a 4.1 fejezetben részletesen ismertetem.

Ezen szempontokat figyelembe véve kezdtem bele egy kísérlet sorozatba, hogy ellenırizzem a jelen modellt az ajánlott eljárás lépéseit betartva, vizuális színinger-különbség értékelést használva, és a vizuális adatokat összehasonlítva a jelen modell és annak néhány lehetséges frissítésével.

A LED fényforrások egyre nagyobb teret hódítanak a mindennapi életünkben, nem csak fejlettebb közlekedési jelzılámpák formájában, hanem a kültéri^9,10 és beltéri^11,12 világítástechnika, valamint az autófényszórók¹³ területén is. Ezért szükség van egy olyan modern és idıszerő matematikai számítási modellre, amely bizonyítottan jól korrelál a

vizuális megfigyelésekkel, de új kalkulációs eljárást csak abban az esetben kellene javasolni, ha a kísérletek bebizonyítják, hogy a jelen modell alkalmatlan a színvisszaadás pontos leírására.

3. Történelmi áttekintés

A színvisszaadást megbízhatóan csak az ezzel foglalkozó speciálisan felszerelt laboratóriumok tudják vizsgálni. Ugyanakkor szükség van egy olyan objektív mérıszámra, mely lehetıséget biztosít egy nem mérnök ember számára is, hogy a különbözı fényforrások színvisszaadási tulajdonságait összevethesse.

3.1. Korai színvisszaadási kísérletek

Kezdetben, mikor mesterséges fényforrások még nem léteztek, a nappalok és éjszakák monoton egymásutániságának megtörésére nem volt lehetıség, a színvisszaadási problémák nem jelentkeztek. Az elsı nagyobb változást a tőz feltalálása jelentette, aminek következtében a természetes sugárzáseloszlás alternatívájaként különbözı anyagok, mint pl. fa, növényi és állati eredető zsiradékok égetése, mint mesterséges világítás vált elérhetıvé, azonban ezek mindegyike hasonló torzulásokat eredményezett a tárgyak megjelenésében az addig tapasztaltakhoz képest, hisz azok spektrális eloszlása a feketetest sugárzóéhoz volt hasonló, csak színhımérsékletükben tértek el egymástól.

Egy érdekes jelenségre mutatott rá Paterson 1896-ban, amikor leírta, miként változtak meg egy leopárdmintás anyagon található foltok természetes megvilágítás mellett sötét sárgásbarna színezetbıl, gáz ill. ívkisülésen alapuló lámpák esetén olajzöldre. Ennek hatására alapos és átfogó vizsgálatot kezdeményezett¹⁴, melyben terjedelmes számú mesterséges és természetes színezı anyag tulajdonságait vizsgálta meg, az akkori idıben fellelhetı kilenc darab fényforrás alatt. Ez volt talán az egyik legelsı tudatos, ám leginkább szubjektív vizsgálata a színvisszaadás problémájának.

3.2. Több sávos módszerek

Az elsı próbálkozás a színvisszaadás objektívebb megállapítására Bouma¹⁵ nevéhez főzıdik, a fénycsövek megjelenésének kezdeti szakaszában. A nyolc sávos rendszernek nevezett módszer lényege az volt, hogy meghatározta a fényforrás relatív színképi teljesítmény-

lefedı nyolc sáv mindegyikére, és kiszámolta az egyes sávokra jutó és a teljes fénysőrőség százalékos megoszlását. Ezáltal egy nyolc számból álló sorozattal jellemezte a megvilágítók spektrumát. Ez valójában nem jelentett mást, mint az egyes fényforrások spektrális eloszlásának sávonkénti összevetését.

A módszer hátránya az volt, hogy a kék tartományba esı sávok rendkívüli keskeny volta miatt, az azokhoz rendelt százalékok olyannyira kicsik voltak, hogy azok esetleges elhagyása csekély változást jelentett volna, annak ellenére, hogy a színvisszaadás kérdésében e sávok is igen fontos szerepet töltenek be. A Commission Internationale de l’Eclairage (CIE), Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság 1948-ban¹⁶ azonban elfogadta ezt a módszert, és táblázatban rögzítette a sávok határait (1. Táblázat).

1. Táblázat: A CIE 1948-as színvisszaadási módszerében használt sávtartományok

Sávok Tartományok Megnevezés 1 380 nm – 420 nm Távoli ibolya 2 420 nm – 440 nm Ibolya 3 440 nm – 460 nm Kék 4 460 nm – 510 nm Kékeszöld 5 510 nm - 560 nm Zöld 6 560 nm – 610 nm Sárga 7 610 nm – 660 nm Világos vörös 8 660 nm – 760 nm Mély vörös

1951-ben a CIE felkérte a nemzeti bizottságokat, hogy vizsgálják tovább fényforrások színvisszaadásának kérdését. A színvisszaadás témájával két bizottság kezdett behatóbban foglalkozni. Az egyik a „Colour Rendition of the Illuminating Engineering Society of North America’s (IESNA) Light Source Committee” albizottsága Dorothy Nickerson elnökletével, melyet 1952-ben jelöltek ki annak céljából, hogy fényforrások színvisszaadásának mérésére és meghatározására eljárásokat dolgozzon ki. A másik bizottság a „International Commission on Illumination’s committee W1.3.2”, mely aktív munkáját 1955-ben kezdte.

A késıbbiekben Barnes¹⁷ is vizsgálta a sávos rendszereken alapuló módszer jóságát.

Munkájában összehasonlította Bouma¹⁸ nyolc sávos modelljét Kruithof¹⁹ és saját maga hét sávos modelljével. Ellentétben Kruithof-al aki valós mintákkal dolgozott, Barnes elméleti színmintákat – melyek spektrális reflexiója közel azonos a valós mintákéval – használt Barr, Clark és Hessler²⁰ munkássága alapján, míg Bouma a természetben elıforduló színektıl teljesen eltérı színezető mintákkal helyettesítette azokat. Barnes úgy találta, hogy a Bouma által választott rövid hullámhossz tartományba esı sávok túl keskenyek, és hogy az ötödik sáv

túl széles. Kruithof módszere fıként C sugárzáseloszláson alapul, ezért az nem igazán használható fénycsövek vizsgálatára, habár Bouma rendszerénél azért jobb, de a Barnes által választott lámpák esetében az ı hét sávos megoldása preferálandó.

A nyolc sávos rendszerek hátrányai Crawford²¹-ot arra ösztönözték, hogy kísérleteket folytasson e téren, egy jobb modell megalkotása céljából. Egy monokromátor segítségével a látható spektrum tartományát úgy osztotta fel 6 részre, hogy azonos, 10 százalékos fénysőrőségi szint csökkenés éppen észlelhetı változást mutasson az objektumok színében, minden egyes tartomány esetében. Ez a hat sávos módszer jobbnak bizonyult a nyolc sávos modellnél, azonban hátránya a negyedik sáv 540 nm-tıl 590 nm-ig terjedı túlzott szélessége, ami magában foglalja a világoszöld és narancssárga tartomány egészét. Kísérletei során megfigyelte, hogy az emberi bırszín esetén a sárga, narancs valamint vörös tartományok hiánya a spektrumból nagy változásokat mutat, és hasonló eset áll fenn az élelmiszerek színével kapcsolatban is. A megfigyelık kora nem volt számottevı hatással a változtatásokra, azonban kimutatható volt, hogy az idısebb emberek szemének érzékenysége csökkent a spektrum ibolya tartománya felé, ami a változások nagyobb toleranciájában mutatkozott meg a fiatalabbakhoz képest. Fontos észrevétel volt, hogy ha az egymás melletti tartományok intenzitását külön-külön vagy párban csökkentette, akkor annak hatása a színvisszaadásra összeadódott. Amennyiben két nem közvetlen egymás melletti sávban történtek a változtatások, azok hatása a megjelenésre közel a fele volt csak. Megállapítható volt tehát, hogy a toleranciák az egymással érintkezı spektrum tartományok esetén kölcsönösen függnek egymástól, míg szeparált sávok esetén azok kölcsönösen függetlenek. A fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak minısítésére Crawford elsıként egy arra alkalmas grafikonon tolerancia vonalakat határozott meg, amelyen ábrázolva az egyes sávokhoz tartozó arányszámokat, könnyen leolvasható volt, ha egy pont kívül esett vagy túl közel volt a határoló vonalakhoz. A megvizsgált fényforrások esetén azt találta, hogy míg kis színhımérséklettel rendelkezı lámpák, pl. meleg fehér fényforrások a tolerancia vonalak közé estek, addig néhány hideg fényő fényforrás esetén voltak tartományok, amelyek kívül estek a tolerancián. Ezek a gyakorlatban sem voltak kielégítık. Crawford ezen és további munkái alapján^22,23 módszerét Nagy Britanniában használni kezdték néhány speciális területen, azonban nemzetközileg nem vált elfogadottá.

3.3. Színminták vizsgálatára épül ı eljárások

A színvisszaadás szubjektív jelenség, ami nemcsak a fényforrás spektrális tulajdonságaitól függ, hanem a megvilágítandó tárgy reflexiójától és az emberi szem látási mechanizmusától is.

Habár az említett sávos módszerek egyértelmően megállapítják egy teszt fényforrás spektrális sugárzásának valamilyen mértékő hiányát egy adott tartományban, azonban figyelmen kívül hagyják a megvilágítandó felületek reflexiós tulajdonságait, illetve a kromatikus adaptációs állapot sem foglalható bele, így csak a referenciának tekintett fényforrás színhımérsékletével megegyezı korrelált színhımérséklető teszt fényforrások vethetıek össze.

Crawford munkásságával egy idıben amerikai, holland és német kutatások is folytak a fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak meghatározása céljából, és a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (CIE) már 1951-ben további alternatív megoldások^24,25 kidolgozását javasolta, oly módon, hogy azok bármely fényforrás vizsgálatát lehetıvé tegyék, és ne legyenek lekorlátozva speciális esetekre.

Ezen új, alternatív megoldások esetében a színmintákat teszt és referencia fényforrással világították meg. Az azonos minták közt észlelt színi eltolódás, a fényforrások spektrális teljesítmény-eloszlásának különbözıségébıl adódott. Széleskörő vizsgálatokat folytatott nagyszámú Munsell színminta vizsgálatával Ouweltjes²⁶, Münch²⁷, Münch és Schultz²⁸, Nickerson^29,30, Helson, Judd and Wilson³¹ és arra a következtetésre jutottak, hogy 8 darab színminta elégséges a fényforrások általános színvisszaadási tulajdonságainak meghatározásához, feltéve, ha azok a lehetséges felület színek tartományát jól lefedik. A kromatikus adaptáció és a nem egyenlı köző színtér problémája így is megmaradt, de 1962- ben³² az IES amerikai albizottsága egy a színminták vizsgálatán alapuló átmeneti eljárást javasolt. A CIE ideiglenesen a Nickerson által bemutatott 21 színminta használatát határozta meg, az alábbi problémák további tanulmányozásával:

- a spektrális sávtartomány módszerek összehasonlítása a teszt mintákon alapuló eljárásokkal,

- a színminták számának lehetséges csökkentése, hogy azok még reprezentatívak maradjanak,

- a választott színminták átfedések nélkül jól lefedjék a színkört.

Ouweltjes eredményei alátámasztották azt a tényt, hogy a jó színvisszaadási tulajdonságokkal rendelkezı fényforrások esetén (pl. de luxe) a sávos módszer nem mőködik igazán jól, azon sem a sávok számának megváltoztatásával, sem a tartományok méretének változtatásával nem lehetett javítani. Ellentmondások léptek fel a teszt minta eljárásokkal szemben, míg azok eredményei jobb összhangban voltak a vizuális megfigyelésekkel.

Nickerson az 1958-as cikkében összefoglalta az addig megismert módszereket, a rendelkezésre álló információkat, és hiányosságokat. Összegyőjtötte a CIE által 1931-ben elfogadott A, B, és C standard megvilágítók, és a további rendelkezésre álló fényforrások színképét, a Gibson³³ által származtatott elméleti természetes sugárzás-eloszlású függvényeket, valamint a Taylor és Kerr által 1939-ben mért spektrumokat.

Az évek folyamán egyértelmővé vált, hogy a színvisszaadási problémák megoldására csakis jól definiált körülmények és pontos, precíz mérések során juthatnak, és ez által felvetıdött a kérdés, milyen fényforrás is tekinthetı referenciaként. Egy másik probléma, olyan színtér keresése volt, melyben az azonos színinger-különbségek azonos észleletbeli színinger- különbségeket jelentenek az egyes megvilágított tárgyak esetében, mivel az akkoriban használt CIE (x,y) színinger diagram ennek nem tett eleget. Átfogó tanulmányok születtek a Munsell rendszer elemeinek vizsgálatára³⁴. Nickerson³⁵ és Burnham³⁶ szintén összegyőjtötték az e téren dolgozó kutatók - Judd, MacAdam, Breckenridge és Schaub, Farnsworth, Scofield- Judd-Hunter, Adams, Moon és Spencer, Saunderson és Milner - munkáit. 1955-ben Nickerson, Judd és Wyszecki³⁷ jelentettek be egy olyan ábrázolási diagrammot, mely a világosság értékek figyelmen kívül hagyásával a legjobban írt le egy egyenlıköző színteret.

Barr, Clark és Hessler²⁰ egy 1952-ben publikált munkájukban közel természetes sugárzás- eloszlású fényforrásokkal megvilágított 18 Munsell mintát vizsgáltak. Referenciának a CIE C megvilágítóját választották, és a teljes színinger-különbséget a textil iparban, egy a Nickerson³⁸ által 1936-ban bemutatott formula segítségével határozták meg:

C V

H C

E_N = ∆ + ∆ + ∆

∆ ( /5)(2 ) 6 3 (1)

ahol, C, H, V a króma, színezet valamint világosság attribútumot jelenti.

Ily módon csak olyan fényforrásokat lehetett vizsgálni, melyek színe közel állt a természetes sugárzáseloszlás színéhez, mivel más korrelált színhımérséklettel rendelkezı fényforrások esetében figyelembe kellett volna venni a kromatikus adaptáció jelenségét.

Helson^39,40, Burnham^41,42, és MacAdam⁴³ annak lehetıségét kezdték vizsgálni, miként lenne

fényforrások esetén. Adam „Chromatic-Value” diagrammja lehetıséget adott Von Kries transzformációt felhasználva a különbözı fényforrással megvilágított Munsell minták értékeinek egyidejő ábrázolására, az eltérések mértékének és irányultságának meghatározására. A 18 színminta ∆EN–el számított színinger-különbségeit átlagolva egy elsıdleges közelítését adták különbözı fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak jellemzésére.

További átszámítási formulák – CIE, Judd-Wyszecki, Brewer számhármasok - láttak napvilágot, annak céljából, hogy megpróbálják megbecsülni Munsell minták színkoordinátáit különbözı megvilágítások esetén, azonban jelentıs különbségek adódtak e formulák felhasználásának függvényében, így egyik sem vált elfogadottá.

Ezen kutatómunkák révén a CIE bizottsága a teszt minta eljárások mellett döntött szemben a spektrális sávtartományok eljárásával. Amerikai⁴⁴, német^45,28 és holland²⁶ kutatások megmutatták, hogy kevés számú – 8-15 darab – minta már elégséges a fényforrások színvisszaadásának jellemzésére, feltéve, ha azok a színteret kellıképpen lefedik.

Crawford⁴⁶ egy 1957-es munkájában csoportosította a vizuális kísérletek megvalósításakor használatos színminták összehasonlításának lehetséges módjait, melyek az alábbiak:

- két apró minta szorosan egymás mellé helyezve, alig észrevehetı elválasztó vonallal.

A megfigyelı az összehasonlítást minimális bizonytalansággal és maximális pontossággal teheti meg, a pszichológia minimális befolyásával.

- a vizuális mezık térben szeparáltak. A megfigyelı szemének, vagy akár egész testének helyzetét megváltoztatva képes csak az összehasonlításra, a memória, mint pszichológiai faktor egyre nagyobb befolyásával.

- a megfigyelı elıször teljesen adaptálódik egy környezethez, majd az összehasonlítás attól, egy térben és idıben is eltérı helyen, a memóriájára hagyatkozva történik, és ekkor a legnagyobb a pszichológiai befolyás.

A való életben elıforduló szituációk nagyobb része leggyakrabban a harmadik osztályba esik.

Bár a kromatikus adaptáció problémája még mindig megoldásra várt, az elsı teszt mintán alapuló eljárás bevezetését az 1963-as CIE bécsi ülésén⁴⁷ terjesztették elı, és annak elsı változatát 1965-ben⁴⁸ fogadták el hivatalosan is CIE 13-as publikáció néven. Nyolc darab közepes világosságú és krómájú Munsell mintát választottak ki, melyek a színezeti kör mentén nagyjából egyenlı távolságra helyezkedtek el egymástól.

A fennmaradó problémák mielıbbi vizsgálatában is megállapodtak. Ezek az alábbiak voltak:

- minél több tapasztalatot győjteni az elfogadott módszer segítségével

- egy újabb változat elkészítése, mely már tartalmazza a kromatikus adaptáció hatását - a már meglévı teszt minták mellé további fluoreszcens minták felvétele

- a vizuálisan éppen észlelhetı színinger-különbségek, és toleranciák meghatározása a színvisszaadási indexek függvényében

3.4. Referencia fényforrások kiválasztásának kérdése

A kromatikus adaptáció matematikai korrekciójának hiányában problémák merültek fel a referencia fényforrások kiválasztása terén. Minden egyes teszt fényforrás esetén szükségessé vált egy színhımérsékletben hozzá legközelebb álló referencia fényforrás. Megállapodás született, hogy az 5000 K alatti színhımérséklettel rendelkezı lámpák esetén referencia fényforrásnak egy a teszt fényforrás korrelált színhımérsékletével azonos hımérséklető feketetest sugárzó, míg 5000 K felett egy a teszt fényforrás korrelált színhımérsékletével megegyezı korrelált színhımérséklető természetes sugárzás-eloszlású standard fényforrás választandó.

Mivel a teszt fényforrások színességi koordinátái általában nem illeszkedtek a feketetest sugárzók görbéjéhez, egy egyszerő vektor korrekciót építettek be a számításban, hogy korrigálják a kromatikus adaptáció hatásmechanizmusát. Ennek értelmében, ha különbség volt a teszt és referencia fényforrások színkoordinátái közt, akkor a színminták teszt fényforrás által megvilágított színkoordinátáit korrigálni kellett a fényforrások közti eltéréssel a CIE 1960-as UCS diagramban. Az így korrigált színminták és a referencia fényforrás által megvilágított minták közti színinger-különbséget a CIE kétdimenziós színinger-különbségi egyenlete segítségével számolták.

1964-ben lehetıvé vált a számítást az U*V*W* színtérben, 3 dimenzióban végezni. A színinger-különbségeket mind a 14 elfogadott színminta esetén kiszámították, majd azok átlagolásával és bizonyos faktorok segítségével az általános színvisszaadási index, Ra értékét úgy határozták meg, hogy teljes egyezés esetén 100, míg egy meleg fehér fénycsı (~ 3000 K) esetén annak általános színvisszaadási indexe 50 legyen.

Ouweltjes⁴⁹ megmutatta, hogy a színvisszaadási index értéke nagymértékben függ a választott

eljárás és egy von Kries típusú transzformációt magában foglaló modell között három közel azonos színhımérséklettel rendelkezı - Standard Cool White [4200 K], de Luxe Cool White [3900 K] és egy 4100 K–es, jó színvisszaadási tulajdonságokkal rendelkezı fénycsı felhasználásával, melyek általános színvisszaadási indexeit különbözı korrelált színhımérséklető referencia fényforrásokkal való összevetése függvényében külön-külön meghatározta. Von Kries típusú transzformációt használó modell esetén megmutatható volt, hogy az egyes lámpák CRI értékei csekély mértékben változtak csak meg a különbözı korrelált színhımérséklettel rendelkezı referencia fényforrások függvényében, míg az aktuálisan elfogadott modell esetén jóval nagyobb Ra értékbeli változások mutatkoztak, és a maximális CRI érték egy a teszt fényforrás színhımérsékletétıl merıben eltérı referencia fényforrás esetén volt megtalálható. Felmerült tehát a kromatikus adaptáció korrigálására szolgáló transzformáció beágyazásának fontossága a modell következı változatába.

3.5. Kromatikus adaptáció figyelembe vétele

Mivel a kromatikus adaptáció nagyban csökkenti az észlelhetı különbséget a teszt és referencia fényforrás között, a CIE bizottsága támogatta egy a kromatikus adaptáció figyelembe vételére vonatkozó formula bevezetését a modellbe.

1974-ben publikálták a CIE 13-as publikációjának második változatát⁵⁰, melyben az egyik jelentıs módosítás az egyszerő vektor eltolási korrekció von Kries-féle kromatikus adaptációs formulával⁵¹ való helyettesítése volt, abban az esetben, ha csekély különbség van a teszt és referencia fényforrások színe között. Egy másik fontos változás, az általános színvisszaadási index számítási formulát érintette, amit immár az elsı 8 darab színminta speciális indexeinek átlagolásával határoztak meg. A CIE 13.2-es modelljének részletes leírását a 4.1 fejezet tartalmazza.

Az eljárás egyik nagy elınye, a modell gyakorlati szempontjából, hogy tisztán matematikai formalizmusokkal a színvisszaadási indexek meghatározhatóak, bármilyen reflexiós együttható és spektrális teljesítmény-eloszlás esetén. A nem mérnöki emberek számára a színvisszaadás egyetlen számmal történı becslése komoly elınyt jelentett annak értelmezésében, habár a modell egyik legnagyobb hátrányának is ez tekinthetı, hisz rengeteg információ sőrősödik egyetlen számban, és ez a különbözı hatások átlagolásához vezet.

Az így elfogadott teszt minta eljárásnak azért számos elınye mellett, számos hátránya is megmutatkozott. Egy számítási módszertıl elvárjuk, hogy azonos indexekhez azonos színvisszaadási tulajdonságok tartozzanak. Kísérletek azt mutatták, hogy a 95 és 100 közötti R_a értékkel rendelkezı lámpák esetén az 5 egységnyi eltérés az éppen észlelhetı színinger- különbséget jelentette. Még az azonos CCT –vel és azonos Ra értékekkel rendelkezı lámpák esetén is különbségek mutatkoztak azok színvisszaadási tulajdonságaiban, nem beszélve a speciális indexekrıl, ahol azok egyezése sem jelentett azonos színvisszaadást, mivel azok értéke nem utalt az eltolódás irányára. Két különbözı korrelált színhımérséklettel rendelkezı lámpa esetén, azonos Ra értékek vizuális színvisszaadása pedig eltérı.

A modell pontosságának tovább növelése érdekében hatékonyabb kromatikus adaptációs korrekcióra, és egy egyenlıbb köző színtérre lenne szükség, az eltolódások irányának feltüntetésével – fogalmazódott meg sokakban.

Ennek következménye volt az a rengeteg kutatómunka, amit ezen 1974-es publikáció további vizsgálatai eredményeztek. Mivel az akkori számítások javarészt elméleti spektrális eloszlásokon alapultak, mind inkább elıtérbe került a lámpák színvisszaadási tulajdonságainak szubjektív, vizuális megítélése is. Halstead és társai⁵² különbözı színvisszaadási tulajdonságokkal rendelkezı fényforrásokkal megvilágítva a nyolc darab CIE Munsell mintát vizuális kísérleteket végeztek, melynek keretein belül a megfigyelıknek egy négy elemő skálán kellett értékelniük az észlelt színinger-különbségeket. Azt találták, hogy az éppen észlelhetı színinger-különbségek körülbelül 12-18 speciális R_i index egységnek felelnek meg, egy adott, konkrét mintát tekintve. Kambe és Mori⁵³ már 1971-ben hasonló kísérleteket folytattak, és az éppen észlelhetı színinger-különbséget 7 egységnyi Ra index értékben határozták meg a nyolc Munsell minta esetén, valamint megmutatták, hogy a speciális indexek, és a vizuális megfigyelések közti korreláció mértéke a vizsgált mintától függıen változott.

Maitreya⁵⁴ binokuláris látási szituációs technikát alkalmazva, az eddigiektıl eltérıen, jóval kisebb mértékő (5 speciális Ri index egységnyi) toleranciát határozott meg a minimálisan észlelhetı színinger-különbségekhez kapcsolódva, ami alighanem az eltérı technika alkalmazásának volt köszönhetı. Eastmen és társai⁵⁵ arra hívták fel a figyelmet, hogy a mért és vizuális különbségek közt nagyobb mértékő egyezés mutatható ki azokban az esetekben, amikor a megfigyelık teljes mértékben adaptálódnak a látási körülményekhez.

3.6. Optimalizált fényforrások megjelenése

Kihasználva a CIE új modelljének elınyeit sokan mind hatékonyság, mind pedig színvisszaadás szempontjából optimalizált spektrumok meghatározásába kezdtek56,57,58,59,60,61,62,63,64, mely kutatások a keskeny sávú és kompakt fénycsövek kialakulásához vezettek^65,66. Koedam és Opstelten⁶⁷ egy számítógépes program segítségével generált és módosított spektrális teljesítmény-eloszlásokat vizsgáltak. A program segítségével képesek voltak meghatározni, hogy a spektrum egyes részeinek intenzitását megváltoztatva milyen hatása van annak az elméleti eloszlások színvisszaadására. Meghatározták azt a maximális R_a értéket, melyet 3 vagy 4 vonalat tartalmazó spektrummal lehet elérni.

Megmutatták, hogy egy nagynyomású gázkisülı lámpa spektrumába további elemek (pl.

kadmium, indium, tallium, nátrium, lítium) által gerjesztett vonalat adva, R_a = 80 általános színvisszaadás index érhetı el, megváltoztatva természetesen annak hatékonyságát. Három sávval rendelkezı lámpa esetén az alábbiakat határozták meg:

- három vonal választandó a hullámhossz tartomány három elkülönülı részén, nevezetesen a kék, zöld és vörös tartományokban (455 nm – 485 nm, 525 nm – 560 nm, 595 nm – 620 nm),

- fényforrások színességi koordinátáinak közel azonosnak kell lenniük a Plank sugárzó színességi koordinátáival,

- a korrelált színhımérséklet növelésével az optimális hullámhosszak a rövidebb hullámhossz tartományok felé tolódnak,

- csökkenı korrelált színhımérséklet esetén az általános színvisszaadási index értéke némiképpen nı.

A különbözı spektrumok meghatározása során vizsgálták azok X,Y,Z színinger összetevıinek változását, és arra a következtetésre jutottak, hogy alacsony színhımérséklető lámpák esetén azok Z értéke nagymértékben csökken, következésképp a kék hullámhossz tartomány hatása is kisebb lesz, és ennek igazolására létre is hoztak egy 2 vonalas spektrumot, melynek színvisszaadási indexe közel Ra = 64 volt. A kísérlet célja az volt, hogy rávilágítson arra a tényre, miszerint már akár csak három vonal felhasználásával is képesek jó színvisszaadással rendelkezı spektrumok megalkotására a CIE által megfogalmazott módszer értelmében, ami felveti annak helyességét.

Walter^68,69 hasonló törekvéső munkája során megmutatta, hogy négy keskeny sáv (460 nm, 530 nm, 580 nm, 620 nm) elegendı egy 95-ös R_a index eléréséhez.

3.7. A színvisszaadás problémájának alternatív megközelítései

Mások, újabb és újabb elgondolások alapján próbálták a színvisszaadás problémáját vizsgálni, és ez által kapcsolatot teremteni a színvisszaadási index és például a színdiszkrimináció (colour discrimination), vagy a „vizuális tisztaság”⁷⁰ (visual clarity) fogalmai között. A színdiszkrimináció alapvetı hipotézise, hogy milyen jól különböztethetıek meg a közel azonos színek egy megvilágító esetében. Ennek érdekében színinger-különbségeket határoztak meg az egymástól csekély mértékben eltérı színek esetén. Schanda és Czibula⁷¹ egy speciális színdiszkriminációs indexet alkottak (sCDI) a színinger-különbségek és azok standard szórását felhasználva (δi):

i

k ik

ik

i E D a

S E

sCDI ∆ − δ

∆

=

∑

=

8 ) (

) (

8

1 65

*

*

(2)

ahol, ∆Eik*(D65) és ∆Eik*(S) színinger-különbségek a centrálisan elhelyezett nyolc színminta mindegyike és az azok körül elhelyezett nyolc másik minta között kerültek kiszámításra, a mintákat D65 referencia fényforrással és az S teszt fényforrással megvilágítva. „i” az i-dik központi mintát jelenti és „k” pedig azok szomszédait. Az „a” pedig egy paraméter, melyet úgy határoztak meg, hogy az sCDI optimális egyezést mutasson Boyce és Simons⁷² vizuális kísérleteinek eredményeivel.

Boyce⁷³ figyelme olyan vizsgálatok irányába terelıdött, ahol a szín-megkülönböztetés lehetısége minél nagyobb mértékben van jelen. Az általános színvisszaadási index helyett, ezen feladatok esetében, egy alternatív megoldásként a színdiszkriminációs index bevezetésére tett javaslatot.

Ennek értelmében, szerinte minél nagyobb a nyolc Munsell minta színkoordinátái által CIE UCS színtérben meghatározott oktagonális területe, annál jobb egy lámpa színdiszkriminációs képessége. Vizuális kísérletet folytatott különbözı CRI értékkel rendelkezı – Northlight, Natural, White és Grolux – lámpák esetén, 300 lx és 1000 lx megvilágítási szint mellett, vizsgálva annak eltérı hatását is a színdiszkriminációs feladatokban, az 1973-ban kiadott IES

„Code for Interior Lighting”⁷⁴ dokumentum figyelembe vételével. A megfigyelık feladata az volt, hogy a Farnsworth-Munsell 100 Hue teszt⁷⁵ elemeit sorba rendezzék mind a négy fényforrás által megvilágítva, a két különbözı megvilágítási szint mellett. Statisztikai

a színkör különbözı tartományaiban elkövetett hibák között. Az is kimutatható volt, hogy a fénysőrőségi szint változása nem befolyásolta szignifikáns mértékben a hibák számát, mellyel kapcsolatban késıbb Crawford⁷⁶ is vizsgálódott, és úgy találta, hogy kis színinger- különbségek észlelésének folyamatát a közel 30 lux alatti megvilágítási szint befolyásolja csak nagymértékben. Megvizsgálta az átlagos hibák számát az átlagos színtérbeli különbségek függvényében, miszerint ha az egyes színezeti tartományokban található korongok közelebb vannak egymáshoz a színtérben, akkor a sorba rendezés során elkövetett hibák számának elviekben növekednie kellene. E vizsgálat során arra a következtetésre jutott, hogy a CIE UCS diagramja nem feltétlen egyenlıköző, és ezt Pointer⁷⁷ eredményei is alátámasztották, de megjegyezte, miszerint a 2000 K és 6500 K közötti tartományba esı korrelált színhımérséklettel rendelkezı fényforrások esetén a színtér nem egyenlıközősége csak csekély mértékben mutatható ki.

A fluoreszcens világosítók és festékek megjelenése fıleg a textil és mosószer iparban (valamint nyomdaiparban) szükségessé tette az UV kibocsátással is rendelkezı fényforrások vizsgálatát. Ganz és Eitle⁷⁸ olyan CRI index kidolgozásával próbálkoztak, mely figyelembe veszi a fényforrások UV tartományba esı sugárzását, miként hatnak azok optikai világosító anyagokra (lásd még⁷⁹). A CIE Bizottsága fontolóra vette egy hasonló speciális index kidolgozásának lehetıségét is, adott UV tartomány és speciális fluoreszcens minták felhasználásával, többek munkáját – Berger és Strocka^80,81, Terstiege és Mallwitz⁸² - figyelembe véve, azonban ez mind a mai napig nem valósult meg.

Voltak, akik a mérések pontosságát szerették volna ellenırizni, ezért ugyanazon fénycsöveket több laboratóriumban is bevizsgálták és Moore és társai⁸³ átlagosan 2 egységnyi Ra , valamint 5 egységnyi R_i eltérést tapasztaltak az elsı nyolc Munsell minta esetén, ha a különbözı laboratoriumokban meghatározott színképek segítségével határozták meg a vizsgált lámpa színvisszaadását.

A CIE 13.2-es változatában bevezetett kromatikus adaptáció helyességét többen is vizsgálni kezdték (Halstead és társai⁸⁴, Henderson és Halstead⁸⁵), mert feltőnt számukra, hogy ha a lámpa színessége a Plank görbétıl a bíbor irányába esett úgy a színvisszaadási indexek nagyobbak voltak, mintha a lámpa színessége ugyanolyan mértékben a Plank görbétıl a zöldesebb irányába tért el. Úgy találták, hogy nemcsak az adaptációs transzformáció, hanem az alkalmazott színtér geometriája is fontos szerepet tölt be fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak meghatározásakor.

3.7.2. Színpreferencia – „flattery index”

Szintén teljesen új elven alapuló, a színpreferenciával kapcsolatos munkák is napvilágot láttak, melynek elsıdleges megfogalmazása („flattery index”) Judd⁸⁶ nevéhez főzıdik. A színvisszaadás fogalma ebben az esetben azt jelentette, hogy egy fényforrás mennyire képes a tárgyakat azok preferált színével megjeleníteni. Az így bevezetett „flattery index” azt határozta meg, hogy a vizsgált fényforrás milyen mértékben jeleníti meg a színeket, úgy, ahogy azt mi látni szeretnénk. Elıször is szükség volt a vizsgálandó tárgyak (pl. emberi bır, vaj, levélzet, zöld fő) preferált színeinek meghatározására valamilyen referencia fényforrás alatt, mely Sanders⁸⁷⁸⁸, Buck and Froelich⁸⁹, Newhall, Burnham és Clark⁹⁰, valamint Bartleson⁹¹ munkáját felhasználva valósult meg. A CIE modelljét alapul véve egy elızetes index számítási képlet született:

K f

f E

R =100−0,839∆ _, (3)

ahol ∆E_f,K a preferált színek és a teszt fényforrás által megvilágított minták (a CIE modell szerinti elsı 8, valamint a 13-dik és 14-dik Munsell minta) színei közti számított színinger- különbségek számtani közepét jelenti.

Ezen a téren még Jerome^92,93 és Thornton⁹⁴ munkáját kell megemlítenünk. Jerome egy olyan kísérleti dobozt épített, melybe két különbözı típusú fényforrást (W-13 és Cool White) helyezett, oly módon, hogy változtatni lehetett a két spektrum keverékének arányát. A 13-as publikációban elfogadott 14 Munsell mintát egyenként, szürke háttér elıtt kellett a kísérleti személyeknek a kísérleti dobozban megfigyelni, és a lámpák arányát úgy változtatni, hogy az észlelt szín a legkellemesebb legyen számukra minden egyes minta esetén.

Azt találta, hogy bizonyos színminták esetében ezen arányok megváltoztatása nincs hatással azok megjelenésére, pl.: 2. sötétszürkés sárga, 3. erıs sárgászöld, 14. levélzöld. Az alábbi színminták esetében elsıdlegesen színezetbeli különbségeket talált: 6. világoskék, 7. világos ibolya, 10. erıs sárga és 12. erıs kék.

Az eredmények igazolták az eddigi kutatásokat, miszerint minél élénkebb, erıteljesebb, színesebb volt egy adott minta, annál jobban preferálták azt a megfigyelık, egyre nagyobb arányban keverve a W-13 fénycsı spektrumát.

Több fényforrás esetén is meghatározta az Ra és Rf értékeket, amibıl kitőnt, hogy a két skála nem arányosan változik. Jerome és Nickerson kifogásolta ezen képlet azon rossz tulajdonságát, hogy nem vethetı közvetlenül össze az R_a általános színvisszaadási index-el,

ezért azt a képletben szereplı konstans megváltoztatásával, egy az R_a értékekkel jobban korreláló formulára módosította:

K f

f E

R =100−4,6∆ _, (4)

így a két index, azonos skálázásuk révén, már összevethetı volt.

Jerome további R_f formulákat vezetett be Judd egyenletébıl kiindulva, amiket a vizuális kísérleteivel alátámasztott.

Judd és Jerome munkássága egyértelmően rámutat arra a tényre, hogy egyetlen index használata nem feltétlen elegendı a fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak összehasonlítására. Míg a vizsgált, 90 százalékban W-13 spektrumot tartalmazó megvilágító jóval gyengébb CRI értékkel rendelkezik, mint a Cool White de luxe társa, addig a vizuális kísérletekben a megfigyelık nagyobb mértékben preferálták a kevert fényforrást. Thornton⁹⁵ 3 különbözı alkalmazási területen – színvisszaadás (CRI), színdiszkrimináció (CDI) valamint színpreferencia (CPI)– végzett kísérleteit foglalta össze, melyekben fényforrások tulajdonságait vizsgálta. Tizenegy fényforrás CRI, CDI és CPI értékeit határozta meg számos mérés, valamint vizuális kísérlet segítségével és vetette össze azokat egymással. Megmutatta, hogy azonos színességi koordinátával rendelkezı fényforrások esetén is e három index értékei nagyban eltértek egymástól. Arra a megállapításra jutott, hogy egy fényforrás jellemzésére az adott alkalmazási területtıl függıen más-más indexszámítás adja a legjobb eredményt, azaz nem mindegy, hogy adott feladathoz választandó lámpákat milyen indexszámítással hasonlítunk össze. Azon lámpák esetén, amelyeket olyan célra fejlesztettek ki, ahol könnyő szín-megkülönböztetés volt az elsıdleges feladat, a növekvı színdiszkriminációs képesség drasztikusan csökkenı CRI és CPI értékekkel párosult. A tárgyak preferált színeikkel való megjelenítéséhez kifejlesztett lámpák esetén viszont növekvı CDI indexekhez növekvı CPI értékek és csökkenı CRI –k tartoztak.

Felvetıdik a kérdés, hogy mesterséges fényforrások felhasználási céljától függıen más-más indexet válasszunk-e azok színvisszaadási tulajdonságainak jellemzésére, egyetlen szám kielégítı információt tud e szolgáltatni akár a specialisták részére is, illetve, hogy mennyire kell és tudják befolyásolni a hétköznapi emberek eltérı igényei a színvisszaadás meghatározásának folyamatát?

A késıbbiekben a „flattery index” szó használatát „preference index”–re módosították erkölcsi kifogások miatt.

Einhorn⁹⁶ 1975-ben bırszínekhez határozott meg preferencia indexeket, csupán csak az u színkoordináta eltolódását figyelembe véve, mely munka igazi jelentıssége, hogy rámutat a bırszínek fontos szerepére a színvisszaadási tulajdonságok meghatározásában.

Ha egy lámpa egy adott tárgyat annak preferált színével képes megjeleníteni, abból nem következik, hogy egy másik tárgyat is preferált színében fog megjeleníteni, így a speciális indexek meghatározása hasznosabbnak tőnik, mint egy általános index bevezetése

3.7.3. Duál indexek

Az úgynevezett „duál index”-et Halstead és társai⁹⁷ fogalmazták meg, melynek értelmében a CIE Ra index számítási elvét alapul véve bevezették az általános RDLT és RINC indexek fogalmát, ahol egy adott teszt fényforráshoz összehasonlító referencia fényforrásként természetes sugárzás eloszlású (daylight), illetve izzólámpát (incandescent) választottak.

Mind a nyolc Munsell mintához speciális duál indexeket is meghatároztak, amiket azután összehasonlítottak más, elızı munkákból származó eredményekkel⁵²; és az általános „duál”

indexekkel, amik között jó korreláció mutatkozott.

Ez a fajta megközelítés a színvisszaadás vizsgálatának alapjait tekintve nem sokban tér el a CIE modell szerintitıl; egy vagy két hasonló index bevezetése nem biztos, hogy használhatóbb megoldást eredményez.

3.7.4. „Gamut area” meghatározása, mint fényforrások színdiszkriminációs képességének mértéke

1967-ben Pracejus⁹⁸ vetette fel talán elsıként azt az ötletet, hogy a nyolc kitüntetett Munsell minta UCS színkoordinátái által meghatározott nyolcszög alakú terület segítségével valamiképp jellemezze a lámpák színvisszaadási tulajdonságait. Több fényforrás esetén is meghatározta ezen nyolcszög alakú területek nagyságát és összevetette azokat konstans energiájú spektrum által történt megvilágítás segítségével meghatározott területtel. Az így képzett arányok összhangban voltak a vizuális kísérleteivel.

Miként azt a színdiszkrimináció tárgyalásánál már említettük, Thornton⁹⁹ úgy gondolta, hogy a „gamut area” fogalma talán a lámpák színdiszkriminációs képességeivel is összefügghet, miszerint minél nagyobb ez a terület, annál jobb a színvisszaadás. Ez nem feltétlen igaz, és

jó színmegkülönböztetés jó színvisszaadással párosul, sem következik egymásból. Ezen terület számítási eljárás használhatósága azonban nagyban függ az alkalmazott színtér egyenlıközőségétıl, amire már korábban utaltam Henderson és Halstead munkássága kapcsán.

Egy nagyon fontos, és ez idáig nem említett területe a színvisszaadás problémájának fényforrások használata a szín reprodukciós iparágban, melyet Hunt¹⁰⁰ ismertetett 1973-ban.

Színreprodukció folyamata során fényforrások használata több fázisban is megjelenik, melynek mindegyike hatással van a színek végsı megjelenésére, azonban e terület rendkívüli komplexitása révén túlmutat a világítástechnika területén.

A különbözı fényforrások megjelenésével egyidejőleg a festékiparban is jelentıs változások mentek végbe, új alapanyagok jelentek meg, ami egy eddig számításba nem vett problémára hívta fel a figyelmet, a metamériára.

Színvisszaadási tulajdonságok vizsgálatánál nem szabad figyelmen kívül hagyni a metaméria jelenségét sem, mely szerint, amíg két színminta egy adott fényforrás alatt azonosnak látszik, addig azokat egy másik sugárzáseloszlással megvilágítva a két minta különbözınek mutatkozhat. Thornton101,102,103 ezen a téren is számos vizsgálatot folytatott, és olyan lámpát tervezett, amelynek segítségével a metaméria jelensége által észlelt eltérések könnyen detektálhatóak voltak. Nagyszámú valós mintával végzett kísérleteket folytatott e téren Brockes¹⁰⁴ is.

3.7.5. „Visual clarity”

A „visual clarity” fogalmának kigondolása Aston és Bellchambers⁷⁰, valamint Bellchambers és Godby¹⁰⁵ kísérleteihez kapcsolódik. Eredete arra a megfigyelésre vezethetı vissza, miszerint egy jó színvisszaadással rendelkezı lámpa világosabb, fényesebb, élénkebb színben adja vissza a tárgyakat, mint ahogy azt a mérési eredmények igazolják. Ennek a jelenségnek a mérésére két azonos kísérleti szekrényt építettek⁷⁰, melynek egyik falát közép szürkére festették, a szekrény aljába egy zöld ruhát tettek, és erre üvegvázába mővirágot, valamint különbözı színő könyveket, a hátsó lapra pedig virágokkal díszített drapp függönyt, valamint egy enyhén csiszolt famintát helyeztek. A megfigyelıknek közvetlen a két doboz elıtt állva, össze kellett hasonlítaniuk egy fix megvilágítási szinttel rendelkezı standard, nagy