Valonlähteen vaikutus värinäytteiden spektreihin eri mittalaitteilla

Valonlähteen vaikutus värinäytteiden spektreihin eri mittalaitteilla Noora Tossavainen PSfrag replacements x y Laudatur-opintojen harjoitustyö Heinäkuu 2002 Fysiikan laitos Joensuun yliopisto

Noora Tossavainen Työn ohjaaja Valonlähteen vaikutus värinäytteiden spektreihin eri mittalaitteilla, 33 sivua Joensuun yliopisto Fysiikan koulutusohjelma Fyysikkokoulutus FM Jarkko Mutanen Tiivistelmä Harjoitustyössä tutkittiin eri valonlähteiden vaikutusta valokaapissa mitattujen näytteiden reektanssispektreihin sekä spektrien muutosta valokaapissa eri kohdissa mitattaessa. Näytteet olivat keraamisia mattaväristandardeja. Valokaapissa eri kohdissa mitattuja spektrejä vertailtiin laskemalla tuloksista Lab- ja xy-arvot sekä vertailemalla spektreistä piirrettyjä kuvaajia toisiinsa. Kuvaajista havaittiin, että näytteen mittauspaikan vaihtaminen valokaapissa muuttaa saatua spektriä y-suunnassa. Työssä vertailtiin lisäksi radiometrillä, kromametrillä ja spektrofotometrillä saatuja spektrejä sekä kahden erilaisen valkoisen referenssinäytteen vaikutusta saatuun reektanssispektriin.

Sisältö 1 Johdanto 1 2 Teoria 2 2.1 Valonlähteet................................ 3 2.1.1 Standardivalonlähteet....................... 4 2.2 Mittausgeometriat............................ 4 2.3 CIE:n tristimulusarvot ja xy-värikoordinaatisto............ 5 2.4 CIELab-värikoordinaatisto ja E väriero................ 6 3 Mittauslaitteisto 8 3.1 Spektroradiometri............................. 8 3.2 Spektrofotometri............................. 8 3.3 Kromametri................................ 9 4 Tulokset 10 4.1 Radiometridatan analysointi....................... 15 4.2 Mittauslaitteiden vertailua........................ 25 5 Yhteenveto 31 Viitteet 33 Liitteet A Taulukoita................................ 34 iii

Luku I Johdanto Väriaistimus syntyy fysikaalisten ja psykologisten tekijöiden yhteisvaikutuksena havaitsijan näköjärjestelmässä. Valonlähde sekä kappaleen rakenne määräävät sen millaisena valo saapuu kohteesta havaitsijan silmään. Eri aallonpituudet nähdään eri väreinä [8, 1]. Värimittauksessa tuloksia analysoitaessa on otettava huomioon käytetty mittauslaite ja mittausmenetelmä. Lisäksi tuloksiin vaikuttavat mittausolosuhteet eli käytetty valonlähde sekä mahdollinen ulkopuolinen valohaitta. Tarkkuusvärimittauksessa [3] huomioidaan myös kappaleen lämpötila, koska valon reektanssi muuttuu kohteen lämmetessä. Tämän työn tarkoituksena oli tutkia kuinka paljon eriväristen näytteiden spektrit vaihtelevat valokaapissa mitattaessa näytteen paikasta riippuen. Lisäksi tutkittiin mille valolähteille ja väreille erot olivat suurimmat. Lopuksi saatuja tuloksia verrattiin kromametrillä ja spektrofotometrillä saatuihin tuloksiin. Luvussa 2 kuvataan tarvittava teoria ja kaavat värierojen, Lab-arvojen ja xyarvojen laskemiseen. Luvussa 3 esitellään mittauslaitteisto ja luvussa 4 esitetään saadut tulokset sekä analysoidaan niitä. 1

Luku II Teoria Radiometriset suureet karakterisoivat säteilyä yleensä alueilla UV-C 100-280 nm UV-B 280-315 nm UV-A 315-400 nm VIS 380-780 nm IR-A 780-1400 nm IR-B 1.4-3 µm IR-C 3 µm-1 mm. Näistä värimittauksen kannalta tärkein on näkyvän valon alue. Radiometrisiä suureita ovat esimerkiksi säteilyteho [W ], säteilyn tehotiheys eli irradianssi [W/m 2 ], säteilyintensiteetti [W/sr] ja radianssi [W/sr/m 2 ]. Radianssi kuvaa säteilyn kulmajakaumaa. Kun kappaletta valaistaan, osa säteilystä imeytyy näytteeseen. Tätä kutsutaan absorbanssiksi. Absorbanssi A ilmoitetaan 10-kantaisena logaritmina. Beer-Lambert -lain mukaan A = log(i/i 0 ). I 0 on valon intensiteetti alussa ja I valon intensiteetti näytteen jälkeen. Suhdetta I/I 0 kutsutaan transmittanssiksi eli läpäisyksi. Osa säteilystä heijastuu näytteestä. Heijastumista kutsutaan reektanssiksi. Näytteeseen tuleva säteilyteho E I = E R + E A + E T, missä E R on näytteestä heijastunut säteilyteho, E A on näytteeseen imeytynyt säteilyteho ja E T on näytteen läpäissyt säteilyteho [7]. 2

2.1 Valonlähteet Jokainen aine, jonka lämpötila poikkeaa absoluuttisesta nollasta säteilee jatkuvan spektrin (lämpösäteily). Kappaletta joka absorboi kaiken siihen tulevan säteilyn sanotaan mustaksi kappaleeksi. Lähteen värilämpötila on sellaisen mustan kappaleen lämpötila, joka emittoi lähteen kanssa ekvivalentin suhteellisen spektrin näkyvän valon alueella [7]. Tässä harjoitustyössä käytetyt valonlähteet olivat D65-lamppu, Incand A -lamppu, Cool white -lamppu, Horizon-lamppu, TL84-lamppu ja UV A -lamppu. D65-lamppu on päivänvaloa simuloiva valonlähde, jonka värilämpötila on 6500K. Päivänvaloa jäljittelevää valoa voidaan tuottaa esimerkiksi volframi-halogeeni -lampuilla tai uoresoivilla lampuilla. Volframi-halogeeni lampuissa hehkulanka on volframia joka on halogeenikaasua sisältävässä kvartsikuvussa. Näissä lampuissa käytetään yleisesti värillisiä lttereitä joiden avulla saadaan aikaan haluttu spektri [7, 8]. Fluoresoivat lamput ovat elektronipurkauslamppuja. Purkauslampuissa sähkövirta kulkee kaasun läpi, jolloin kaasumolekyylit virittyvät ja emittoivat säteilyä. Kyseessä on resonsnssivärähtely, joten resonanssiaallonpituudet riippuvat vain kaasutyypistä. Fluoresoiva valo aiheuttaa näytteessä uoresenssi-ilmiön. Fluoresenssiilmiössä näytteeseen absorboitunut säteily virittää näytteessä olevia atomeita. Viritystilan purkautuessa atomit emittoivat valoa. Tästä johtuen uoresoivassa valossa mitattujen näytteiden heijastus voi olla yli sata prosenttia. Fluoresoiville lampuille ei löydy vastineeksi mustaa kappaletta, jolla olisi samat värikoordinaatit. Tällöin värilämpötilan ilmoittamiseen käytetään korreloitua värilämpötilaa. Korreloitu värilämpötila on sellaisen mustan kappaleen lämpötila, joka lähinnä muistuttaa tarkasteltavaa lähdettä kun kirkkaudet ovat samat. Fluoresoivia lamppuja ovat mm. Cool white -lamppu (4150K) ja TL84-lamppu (4100K) [7, 8]. Hehkulamput emittoivat säteilyä molekyyliensä termisten värähtelyiden vuoksi. Emissiospektri on jatkuva, ja sen muoto sekä kokonaissäteilyteho riippuu säteilevän pinnan absoluuttisesta lämpötilasta sekä pinnan emissiivisyydestä. Incand A -lamppu (2856K) ja auringon laskua simuloiva Horizon-lamppu (2300K) ovat hehkulamppuja. A valonlähteellä irradianssimaksimi on infrapuna-alueella. Valotehokkuus on huono, koska suurin osa säteilystä on lämpöä [7, 8]. Deuterium lamppu on yleisesti käytetty UV-lähde alueella 180-400 nm. Sen käyttöikä on lyhyt, joten sitä ei voida käyttää jatkuvaa valaistusta vaativiin sovellutuk- 3

siin. Deuterium lamppuja käytetään spektrofotometreissä [7, 8]. 2.1.1 Standardivalonlähteet Väriopissa käytetään yleisesti erilaisia laskennallisiin tarkoituksiin suunniteltuja standardivalaisimia. Valonlähde A: Edustaa mustan kappaleen säteilijää absoluuttisessa lämpötilassa 2856K. Valonlähde B: Tarkoitettu edustamaan suoraa auringonvaloa. Värilämpötila 4874K. Ei enää käytetä. Valonlähde C: Edustaa keskimääräistä päivänvaloa. Värilämpötila 6774K. Ei edusta päivänvaloa kovin hyvin. Valonlähde D65: Vastaa 6500K:n värilämpötilaa vastaavaa päivänvaloa. Käytetään yleisesti. Muita D-lähteitä: D55, D75 [7]. 2.2 Mittausgeometriat Kaikissa mittauksissa käytetyt näyttet olivat keraamisia NPL:n (National Physical Laboratory) mattapintaisia väristandardeja. Käytetyt värit olivat kirkkaan keltainen, punainen, syaani (sinivihreä), vihreä ja syvän sininen. Esimerkkinä tässä raportissa on käsitelty lähinnä syaania ja punaista näytettä. Referenssinä käytettiin mattavalkoista. Näytteet mitattiin valokaapissa PR-705 radiometrillä ja CS-100A kromametrillä. Tämän lisäksi näytteet mitattiin Perkin Elmer Lambda 18 UV/VIS spektrofotometrillä. Punainen, syaani, vihreä ja kirkkaan keltainen näyte mitattiin lisäksi spektrofotometrillä ja radiometrillä käyttäen referenssinä Spectralonin valmistamaa mattavalkoista näytettä. Radiometrillä ja kromametrillä mitattaessa näyte asetettiin valokaappiin 45 o kulmaan valonlähteeseen nähden, jolloin näyte oli kohtisuorassa mittauslaitetta kohtaan. Käytetty mittausgeometria on 45/0 ja se on esitetty kuvassa 2.1. Spektrofotometrissä on integroiva pallo, jonka läpi valo saapui näytteeseen. Spektrofotometrin mittausgeometriaa on esitetty kuvissa 2.1 (0/di.) ja 3.1. 4

Kuva 2.1: Radiometrillä ja kromametrillä (45/0) sekä spektrofotometrillä (0/di.) mitattaessa käytetyt mittausgeometriat [8]. 2.3 CIE:n tristimulusarvot ja xy-värikoordinaatisto CIE:n (Commission Internationale de l'eclairage) tristimulusarvot X, Y ja Z määritellään kaavojen (2.1), (2.2) ja (2.3) mukaan. Tässä integrointi tapahtuu yli näkyvän valon aallonpituusalueen [1]. X = k β(λ)s(λ)x(λ) λ (2.1) λ Y = k β(λ)s(λ)y(λ) λ (2.2) λ Z = k β(λ)s(λ)z(λ) λ (2.3) λ Kaavoissa k on normitustekijä ja se määritellään kaavalla k = 100 λ S(λ)y(λ) λ (2.4) 5

S on valolähteen spektri ja β(λ) on kohteen läpäisy tai heijastus. x(λ), y(λ) ja z(λ) ovat silmän värisovitusfunktioita. Värikoordinaatit x, y ja z määritellään tristimulusarvojen X, Y ja Z avulla seuraavasti: x = y = z = X X + Y + Z Y X + Y + Z Z X + Y + Z (2.5) (2.6) (2.7) 2.4 CIELab-värikoordinaatisto ja E väriero Värikoordinaateille x + y + z = 1. CIE 1976 järjestelmässä väriavaruus määräytyy kaavojen (2.8), (2.9), (2.10) ja (2.11) mukaisesti. Tässä värikoordinaattijärjestelmässä L kuvaa valaistusta, a edustaa puna-viherakselia ja b kelta-siniakselia [8]. ( Y L = 116 Y n ( Y L = 903.3 ) 1 3 16, kun ( Y Y n Y n ), kun ( Y Y n X n, Y n ja Z n ovat referenssivalkoisen tristimulusarvoja. ) > 0.008856 (2.8) ) 0.008856 (2.9) a = 500 b = 200 [ ( X X n [ ( Y Y n ) 1 ) 1 ( ) ] 1 3 Y 3 Y n ( ) ] 1 3 Z 3 Z n (2.10) (2.11) 6

Jos jokin suhteista X/X n, Y/Y n tai Z/Z n on pienempi kuin luku 0.01 määritellään [ ( ) Y L = 116 f 16 ] Y n 116 [ ( ) ( )] X Y a = 500 f f X n Y [ ( ) ( n )] Y Z b = 200 f f Y n Z n (2.12) (2.13), (2.14) missä ( f ( ) ( ) 1 Y Y 3 f = Y n Y ( ) n ( ) Y Y f = 7.787 Y n ) ( X X n ja f Z Y n + 16 116 Z n ) määritellään vastaavasti. jos ( Y Y n jos ( Y Y n ) > 0.008856, (2.15) ) 0.008856. (2.16) Väriero lasketaan kaavalla E = ( L ) 2 + ( a ) 2 + ( b ) 2. (2.17) 7

Luku III Mittauslaitteisto 3.1 Spektroradiometri Spektroradiometri PR-705 on tietokoneella ohjattava mittalaite, joka mittaa spektraalista radianssia [W/sr/m 2 ]. Radianssispektrin lisäksi näytteestä saadaan muitakin tietoja, kuten luminanssi ja värilämpötila. Mitattava optinen signaali läpäisee radiometrin linssin, jonka jälkeen se kuvautuu hilalle. Hila hajoittaa signaalin aallonpituuksien mukaan. Signaali välittyy 256:lle piianturille, joista jokainen mittaa tiettyä aallonpituutta. Laite mittaa koko spektrin samanaikaisesti. Radiometri mittaa spektrin 2 nm:n välein aallonpituusalueella 380-780 nm. Radiometrin mittaustarkkuus on ±2 nm [6]. 3.2 Spektrofotometri Perkin Elmer Lambda 18 UV/VIS on tietokoneohjattu spektrofotometri UV-valon ja näkyvän valon aallonpituusalueilla mittaamiseen. Laitteella mitataan absorbanssia, transmittanssia tai reektanssia. Spektrofotometrissä on kaksi monokromaattoria ja valonlähteinä toimivat deuterium- ja halogeenilamppu. Näkyvän valon aallonpituusalueella mitattaessa ensimmäinen peili (kuvassa 3.1 M1) heijastaa halogeenilampun säteilyn eteenpäin ja estää deuteriumlampun lähettämän valon etenemisen. UVaallonpituusalueella mitattaessa puolestaan deuteriumlampun valo heijastuu peilistä eteenpäin. Spektrofotometri mittaa 1 nm:n välein aallonpituusalueella 185-900 nm ja sen mittaustarkkuus on ±0.15 nm. Spektrofotometrin mittaussysteemin rakenne on esitetty kuvassa 3.1. Kuvassa 3.1 katkoviivoilla rajatun alueen komponentit voi tarvittaessa korvata integroivalla pallolla [4]. Tässä harjoitustyössä spektrofotomet- 8

rillä mitattaessa käytettiin integroivaa palloa ja mittausgeometriaa (0/di.) jossa säde tulee suoraan näytteeseen kuten kuvassa 2.1 on esitetty. Kuva 3.1: Kaaviokuva Perkin Elmer Lambda 18 spektrofotometrin optisesta systeemistä [4]. 3.3 Kromametri Kromametri CS-100A on valonlähteiden tai heijastavien kappaleiden mittaukseen tarkoitettu laite, jonka kolme piifotokennoa mittaavat linssin vastaanottaman valon. Näytteestä tuleva valo kulkee linssisuodattimen ja linssin läpi, jonka jälkeen se kulkee valokaapelia pitkin kolmelle anturille. Anturit muuttavat valon sähkösignaaliksi ja edelleen jännitesignaaliksi. Analogi/digitaalimuuntimet muuttavat jännitesignaalin digitaaliseen muotoon, josta laite laskee luminanssin ja värikoordinaatit ja antaa tuloksen näytölle xyy -muodossa. Kromametrin antaman luminanssi arvon virhe on ±2%, ja kromaattisuuden virhe ±0.004 [2]. 9

Luku IV Tulokset Näytteet mitattiin valokaapissa viidessä eri kohdassa, oikeassa ja vasemmassa yläkulmassa, oikeassa ja vasemmassa alakulmassa sekä keskellä. Kukin näyte mitattiin viisi kertaa jokaisessa kohdassa. Laskuissa käytettiin viiden mittauksen keskiarvoa. Mittauspaikoista tässä raportissa käytetään lyhenteitä: =oikea alakulma, =oikea yläkulma, =vasen alakulma, =vasen yläkulma ja =keskellä. Kaaviokuva valokaapin pohjasta ja mittauskohdista on esitetty kuvassa 4.1. Näytteiden lämpötilat mitattiin ennen jokaista radiometrimittausta ja mittausten jälkeen. Kuva 4.1: Kaaviokuva valokaapista. 10

Näytteet mitattiin radiometrillä seitsämässä eri valaistuksessa. D65-lampulla, Incand A -lampulla, TL84-lampulla, Horizon-lampulla ja Cool white -lampulla. Lisäksi näytteet mitattiin UV+Incand A -valossa sekä UV+D65 -valossa. Vertailtaessa radiometriä, kromametriä ja spektrofotometriä toisiinsa käytettiin laskuissa ja kuvaajissa vain D65-valolla mitattuja tuloksia. Radiometrillä D65-valossa mitatut spektrit korjattiin mattavalkoisen taulukkoarvolla ja jaettiin samassa kohdassa mitatun mattavalkoisen referenssin spektrillä [5]. Muissa valaistuksissa mitatut spektrit jaettiin samassa kohdassa mitatulla mattavalkoisen referenssin spektrillä. Myös spektrofotometrilla mitatut spektrit korjattiin mattavalkoisen taulukkoarvolla [5]. Mattavalkoinen näyte mitattiin kaikissa valolähteissä viidessa eri kohdassa. Kuvista 4.2-4.8 nähdään, että Incand A -valossa mitattu spektri on hyvin samanlainen kuin Horizon-lampun valossa mitattu spektri. Tämä johtuu siitä että nämä valonlähteet ovat melko samanlaiset. Jokaisella valonlähteellä mitattaessa huomattiin, että saatu radianssispektri on erilainen eri mittauspaikoissa. Spektrien tasot muuttuvat pystysuunnassa. Tämä on nähtävissä selvästi kuvista 4.2-4.8. Spektrien tasot vaihtelevat eri mittauspaikoissa, koska valokaapissa valaistus on erilainen eri kohdissa. Tämä johtuu lamppujen sijainnista. Mattavalkoisen näytteen radianssispektrit eri valonlähteissä on esitetty kuvissa 4.2-4.8. 11

4.5 x 10 3 4 3.5 Radianssi [W/sr/m 2 ] 3 2.5 2 1.5 1 0.5 Kuva 4.2: Valkoisen näytteen radianssispektrit eri paikoissa mitattuna D65- lampun valossa. 4.5 x 10 3 4 3.5 Radianssi [W/sr/m 2 ] 3 2.5 2 1.5 1 0.5 Kuva 4.3: Valkoisen näytteen radianssispektrit eri paikoissa mitattuna UV+D65 -valossa. 12

0.012 0.01 0.008 Radianssi [W/sr/m 2 ] 0.006 0.004 0.002 0 Kuva 4.4: Valkoisen näytteen radianssispektrit eri paikoissa mitattuna Incand A -lampun valossa. 0.012 0.01 0.008 Radianssi [W/sr/m 2 ] 0.006 0.004 0.002 0 Kuva 4.5: Valkoisen näytteen radianssispektrit eri paikoissa mitattuna UV+Incand A -valossa. 13

6 x 10 3 5 4 Radianssi [W/SR/m 2 ] 3 2 1 0 Kuva 4.6: Valkoisen näytteen radianssispektrit eri paikoissa mitattuna Cool white -lampunvalossa. 0.018 0.016 0.014 0.012 Radianssi [W/sr/m 2 ] 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 Kuva 4.7: Valkoisen näytteen radianssispektrit eri paikoissa mitattuna Horizon-lampun valossa. 14

0.018 0.016 0.014 0.012 Radianssi [W/sr/m 2 ] 0.01 0.008 0.006 0.004 0.002 0 Kuva 4.8: Valkoisen näytteen radianssispektrit eri paikoissa mitattuna TL84- lampun valossa. 4.1 Radiometridatan analysointi Radiometrillä mitattujen värinäytteiden reektanssispektrit piirrettiin samoihin kuviin väreittäin, jolloin voitiin vertailla minkä väristen näytteiden spektrit muuttuvat eniten mittauspaikaa muuttamalla. Spektrien tasot muuttuvat pystysuunnassa. Kuvaajista nähdään, että D65-lampun valossa ja Cool white -lampun valossa mitatut spektrit muuttuvat eniten y-tasossa, kun mittauspaikkaa muutetaan. Punaisen näytteen spektri muuttui vähiten y-suunnassa eri mittauspaikoissa muihin väreihin verrattuna. Tämä oli havaittavissa kaikissa valonlähteissä tehdyille mittauksille. TL84-lampun valossa mitatuissa spektreissä on korkea piikki infrapunaalueella, varsinkin keltaisella näytteellä (kuva 4.22). Tämä johtuu siitä että TL84- lamppu lähettää uoresoivaa valoa joka aiheuttaa uoresenssi-ilmiön näytteessä. Tämän seurauksena näyte alkaa lähettää valoa. Myöskin Cool white -valossa mitatuissa spektreissä on piikkejä sekä infrapuna- että UV-alueella. Cool white -lamppu on myös uoresoiva valonlähde. Horizon-lampulla mitatut spektrit ja Incand A -lampulla mitatut spektrit ovat samankaltaisia. Molemmat lamput ovat hehkulamppuja. Incand A -lamppu lähettää keltaista valoa jonka värilämpötila on 2856K. Horizon-lampun lähettämä valo on 15

punaisempaa ja sen värilämpötila on 2300K. UV-valo yhdistettynä D65-valoon sekä Incand A -valoon ei muuttanut spektriä merkittävästi verrattuna esimerkiksi pelkällä Incand A -valolla mitattuihin spektreihin (kuvat 4.14 ja 4.15). Kuvissa 4.9-4.23 on esitetty eri väristen näytteiden reektanssispektrejä eri valonlähteissä. 100 90 80 70 Reflektanssi % 60 50 40 30 20 10 Kuva 4.9: Punaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna Horizon-lampun valossa. 16

90 80 70 60 Reflektanssi % 50 40 30 20 10 Kuva 4.10: Punaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna D65-lampun valossa. 100 90 80 70 Reflektanssi % 60 50 40 30 20 10 Kuva 4.11: Punaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna UV+D65 -valossa. 17

60 55 50 45 Reflektanssi % 40 35 30 25 20 15 10 Kuva 4.12: Syaanin näytteen reektanssispektrit mitattuna D65-lampun valossa. 60 55 50 45 Reflektanssi % 40 35 30 25 20 15 Kuva 4.13: Syaanin näytteen reektanssispektrit mitattuna UV+D65 -valossa. 18

100 90 80 Reflektanssi % 70 60 50 40 30 20 10 Kuva 4.14: Punaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna Incand A - lampun valossa. 100 90 80 70 Reflektanssi % 60 50 40 30 20 10 Kuva 4.15: Punaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna UV+Incand A -valossa. 19

60 55 50 45 Reflektanssi % 40 35 30 25 20 15 Kuva 4.16: Syaanin näytteen reektanssispektrit mitattuna Incand A - lampun valossa. 60 55 50 45 Reflektanssi % 40 35 30 25 20 15 Kuva 4.17: Syaanin näytteen reektanssispektrit mitattuna UV+Incand A -valossa. 20

100 90 80 70 Reflektanssi % 60 50 40 30 20 10 Kuva 4.18: Punaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna Cool white - lampun valossa. 70 60 50 Reflektanssi % 40 30 20 10 Kuva 4.19: Syaanin näytteen reektanssispektrit mitattuna Cool white - lampun valossa. 21

65 60 55 50 Reflektanssi % 45 40 35 30 25 20 15 Kuva 4.20: Syaanin näytteen reektanssispektrit mitattuna Horizon-lampun valossa. 180 160 140 120 Reflektanssi % 100 80 60 40 20 0 Kuva 4.21: Syaanin näytteen reektanssispektrit mitattuna TL84-lampun valossa. 22

1000 900 800 700 Reflektanssi % 600 500 400 300 200 100 0 Kuva 4.22: Keltaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna TL84-lampun valossa. 800 700 600 500 Reflektanssi % 400 300 200 100 0 Kuva 4.23: Punaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna TL84-lampun valossa. 23

Kaikissa lampuissa mitatuista spektreistä laskettiin xy ja Lab-arvot. Lab-arvot laskettiin siten, että Matlabin Lab-ohjelmassa referenssinä käytettiin sekä D65- lampussa että Incand A -lampussa mitattua valkoista. Taulukoissa (Liite A) on esitetty xy ja Lab-arvot punaiselle ja syaanille näytteelle. Valokaapissa mittauksia tehtäessä tutkittiin myös näytteen lämpenemistä eri valonlähteissä mitattaessa. Tulokset ovat taulukossa 4.1. Näytteen lämpötila vaikuttaa saatavaan spektriin. Keraamisilla standardinäytteillä reektanssi on lämpötilasta riippuva [3]. Näytteen absorptiovyöhyke liikkuu lämpötilan noustessa. Spektrin nousevat osat siirtyvät suuremman aallonpituuden suuntaan [7]. Nähdään, että TL84- ja Cool white -valoissa lämpenemistä tapahtuu vähiten, kun taas Horizonja Incand A -valoissa mitattaessa näytteet lämpenivät eniten. Horizon- ja Incand A -lampuilla on huono valotehokkuus, koska suurin osa säteilystä on lämpösäteilyä. Horizon- ja Incand A -valonlähteissä mitattujen spektrien tasot eivät muutu y-suunnassa paljonkaan mittauspaikasta riippuen, vaikka näyte lämpeneekin mittauksen aikana, kun taas Cool white -valossa näyte ei lämpeäne kovinkaan paljoa, mutta spektrien tasot y-suunnassa ovat erilaiset eri mittauspaikoissa. Mittauksissa lamppujen sijainti valokaapissa vaikutti paljon enemmän saatuun spektriin, kuin lämpötilan muutos. Tässä harjoitustyössä eri näytteiden reektanssispektrien muutosta lämpötilasta riippuen ei voida vertailla, koska lämpötilan muutos erivärisillä näytteillä ei ollut yhtä suuri. Lämpötilaan ei vaikuttanut pelkästään eri valonlähteiden tuottama lämpö vaan myös laboratoriossa vallitseva lämpötila. Eri väristen näytteiden lämpötilat ennen mittausta ja mittauksen jälkeen olivat erilaiset koska eriväriset näytteet absorboivat lämpösäteilyä eri tavalla. Jos haluttaisiin tutkia, miten näytteiden spektrit muuttuvat lämpötilan vaikutuksesta eri värejä keskenään vertailtaessa, tulisi kaikkien näytteiden alkulämpötilat sekä loppulämpötilat olla samat. 24

Taulukko 4.1 Mattapintaisten näytteiden lämpötilat ( o C) mittauksen alussa ja lopussa eri valonlähteille. Incand A Horizon Cool white D65 TL84 punainen 27.0 29.7 25.0 28.3 28.2 30.1 26.4 30.2 27.1 28.7 vihreä 27.4 30.0 25.6 33.4 27.9 29.4 27.8 30.3 26.5 29.1 syaani 26.6 30.2 26.4 32.9 27.0 28.3 27.8 31.4 26.3 27.3 kirkkaan keltainen 26.8 30.2 26.4 32.2 27.4 28.2 27.7 31.2 26.6 27.0 syvän sininen 26.6 31.2 26.3 37.9 27.3 28.2 27.7 33.9 26.4 27.3 4.2 Mittauslaitteiden vertailua Eri mittauslaitteiden antamia tuloksia vertailtiin toisiinsa laskemalla eri laitteilla mitatuista spektreistä xy-arvot. Värinäytteet mitattiin radiometrillä ja kromametrillä valokaapin keskiosassa ja lisäksi spektrofotometrilla. Spektrofotometrin ja radiometrin datat interpoloitiin ensin kahden nanometrin dataksi, jotta niitä voitiin vertailla. Kuvassa 4.24 on eriväristen näytteiden x ja y arvot eri laitteilla mitattuna. Mittauksissa käytettiin D65-valonlähdettä. Radiometrin korjattu arvo tarkoittaa sitä, että radiometrin antamaa reektanssispektriä on siirretty 4 nm aallonpituusasteikolla lyhyempien aallonpituuksien suuntaan. Radiometrillä mitatut spektrit poikkeavat todellisesta spektristä noin 4 nm. Kuvasta 4.24 nähdään, että virhe ei ole merkittävä, mutta se on kuitenkin syytä ottaa huomioon tarkkuusvärimittauksessa. Radiometri, kromametri ja spektrofotometri antavat eri väreille melko samanlaiset tulokset, varsinkin keltaiselle ja vihreälle värille. Eniten eroja laitteiden välillä on punaisella ja sinisillä näytteillä. Radiometriä ja spektrofotometriä vartailtiin vielä keskenään laskemalla syaanin ja punaisen näytteen väriero E kaavalla (2.17). Näytteet mitattiin D65-valonlähteessä. Väriero E laskettiin siten, että verrattiin spektrofotometrillä saatuja spektrejä radiometrillä kussakin mittauskohdassa saatuun spektriin. Tuloksista nähdään, että kaikilla mitatuilla näytteillä väriero verrattuna spekt- 25

rofotometrimittaukseen muuttuu eri mittauspaikoissa. Punaisella näytteellä väriero on keskimäärin suurempi, kuin muilla näytteillä. Väriero radiometridatan ja spektrofotometridatan välillä on suuri osittain siksi, että radiometrin antamia spektrejä ei ole siirretty 4 nm, mikä aiheuttaa tuloksiin virhettä. Väriero on pienempi kun radiometridataa siirretään 4 nm. Tämä nähdään vertaamalla taulukoiden 4.2 ja 4.3 arvoja. Taulukko 4.2 Spektrofotometridatan ja radiometridatan välinen väriero D65-valonlähteessä. E syaani punainen vihreä kirkkaan keltainen syvän sininen 7.936 8.362 6.789 6.139 9.126 6.167 11.013 4.575 8.149 7.387 9.152 5.066 8.014 6.283 7.105 4.844 10.627 5.053 6.661 1.408 5.964 10.580 4.188 7.028 6.180 Taulukko 4.3 Spektrofotometridatan ja korjatun radiometridatan välinen väriero D65- valonlähteessä. E syaani punainen vihreä kirkkaan keltainen syvän sininen 7.861 2.819 7.627 6.268 7.101 Lopuksi vertailtiin vielä radiometrin ja spektrofotometrin antamia spektrejä syaanille, punaiselle, vihreälle ja kirkkaan keltaiselle näytteelle, kun referenssinä käytettiin Spectralonin valmistamaa mattavalkoista näytettä. Spectralon mattavalkoisen ja NPL keraamisen mattavalkoisen näytteen reektanssien ero on noin 11%. Spectralon näytteen heijastus on 99.2% kun NPL keraamisen mattavalkoisen heijastus on vain noin 88%. Spektreistä laskettiin xy-arvot (xy-arvot on merkitty kuvaan 26

4.24 tähdellä) ja väriero E. Spektrofotometridatan ja radiometridatan välinen väriero E on esitetty taulukossa 4.4. 0.9 0.8 0.7 0.6 kromametri spektrofotometri radiometri korjattu radiom. spectralon radiom. spectralon spektrofotom. 0.5 0.4 0.3 syaani vihreä keltainen punainen 0.2 sininen 0.1 0 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 Kuva 4.24: Eri mittauslaitteiden antamat xy-arvot CIE1931-koordinaatistossa. Kuvissa 4.25 ja 4.28 on esitetty radiometrillä valokaapissa keskellä mitattuja heijastusspektrejä syaanille, punaiselle, kirkkaan keltaiselle ja vihreälle siten, että kullekin värille on käytetty referenssinä sekä spectralon mattavalkoista näytettä että NPL keraamista mattavalkoista näytettä. Tuloksista nähdään, että käytettäessä spectralon mattavalkoista näytettä referenssinä, saadaan väriero spektrofotometridatan ja radiometridatan välillä paljon pienemmäksi kuin käyttämällä NPL keraamista mattavalkoista. Tässä radiometridataa on korjattu 4 nm lyhyempien aallonpituuksien suuntaan. Radiometriä ja spektrofotometriä keskenään vertailtaessa on huomioitava se, että laitteilla on erilaiset mittausgeometriat. Radiometrillä mitattaessa valo ei tule kohtisuoraan näytteeseen 27

60 referenssinä spectralon referenssinä NPL keraaminen 50 40 Reflektanssi % 30 20 10 0 400 450 500 550 600 650 700 750 Kuva 4.25: Syaanin näytteen reektanssispektrit mitattuna D65-valossa. 90 80 referenssinä spectralon referenssinä NPL keraaminen 70 60 Reflektanssi % 50 40 30 20 10 Kuva 4.26: Punaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna D65-valossa. 28

100 90 80 70 Reflektanssi % 60 50 40 30 referenssinä spectralon referenssinä NPL keraaminen 20 10 0 400 450 500 550 600 650 700 750 Kuva 4.27: Kirkkaan keltaisen näytteen reektanssispektrit mitattuna D65- valossa. 50 45 referenssinä spectralon referenssinä NPL keraaminen 40 35 Reflektanssi % 30 25 20 15 10 Kuva 4.28: Vihreän näytteen reektanssispektrit mitattuna D65-valossa. 29

Taulukko 4.4 Spektrofotometridatan ja radiometridatan välinen väriero D65-valonlähteessä käytettäessä referenssinä spectralon mattavalkoista. E syaani punainen vihreä kirkkaan keltainen 0.5701 0.3005 0.5266 1.0336 vaan 45 o kulmassa. Spektrofotometrissa on integriova pallo, jonka kautta valo tulee näytteeseen. Spektrofotometrimittaus ei ole yhtä altis ulkopuoliselle valohaitalle kuin radiometrimittaus. Spektrejä vertailtaessa tulisi laitteiden mittausgeometrioiden olla samat. Jos näytteet olisivat kiiltäväpintaisia tulisi ottaa huomioon peiliheijastus, joka muuttaa reektanssispektriä. Kiiltäväpintaisilla näytteillä heijastus on suurempi kuin mattapintaisilla näytteillä. 30

Luku V Yhteenveto Työssä harjoiteltiin spektrofotometrillä, kromametrillä ja radiometrillä mittaamista sekä tutustuttiin valokaapin toimintaan mittaamalla erivärisiä näytteitä kaapissa eri valaistuksissa. Erityisesti tutkittiin sitä, miten eri valonlähteet vaikuttavat saatuihin spektreihin ja miten näytteen mittauspaikan vaihtaminen valokaapissa muuttaa spektriä. Lisäksi eri mittauslaitteilla saatuja tuloksia verrattiin keskenään. Valokaapissa mitattaessa radiometrillä saadun spektrin taso vaihtelee y-suunnassa näytteen paikasta riippuen. Tämä johtuu siitä että eri lamput sijaitsevat valokaapissa eri kohdissa. Lamput ovat myös eri kokoisia ja eri muotoisia. Näytteiden reektanssispektreistä havaittiin, että mittauspaikan muuttaminen vaikuttaa saatuun spektriin y-suunnassa huomattavasti. D65- ja Cool white -valonlähteissä tehdyissä mittauksissa spektrien tasot muuttuivat y-suunnassa enemmän kuin muissa valonlähteissä mitattaessa. Vähiten mittauspaikan muutos vaikutti spektrien tasojen y-suunnan muutokseen Horizon- ja Incand A -valonlähteillä mitattaessa. Koska spektri on erilainen valokaapissa eri kohdissa mitattaessa, olisi suositeltavaa mitata valokaapissa aina samassa kohdassa, esimerkiksi keskellä. D65-valossa mitattaessa kaikilla laitteilla saatiin melko samanlaiset tulokset, mutta pientä eroavaisuutta laitteiden välillä kuitenkin oli. Tämä johtuu siitä, että eri mittauslaitteilla on erilaiset mittausgeometriat. Lisäksi laitteilla on eri mittaustarkkuudet. Näytteen lämpenemisestä aiheutuvaa termokromisuutta tutkittiin mittaamalla näytteen lämpötilan muutos mittauksen aikana. Saaduista tuloksista havaittiin, että valokaapissa mitattaessa mittauspaikan muuttaminen vaikuttaa spktriin enemmän kuin termokromisuus. 31

Lisäksi havaittiin, että referenssinä käytetty NPL keraaminen mattavalkoinen näyte oli likainen, ja sen heijastus oli vain noin 88%. Referenssin likaisuus aiheuttaa virhettä saatuihin mittaustuloksiin. Tämän vuoksi referenssinä tulisi käyttää valkoista näytettä jonka heijastus on likimain 100%. 32

Viitteet [1] R. S. Berns, Billmeyer and Saltzman's principles of color technology (A Wiley- Interscience Publication, Permissions Department, John Whiley & Sons, 2000). [2] Chroma meter CS-100A, Instruction Manual (Minolta Co.Ltd, 2000). [3] J. Hiltunen, P. Silfsten, T. Jääskeläinen, and J. P. S. Parkkinen, A Qualitative Description of Thermochromism in Color Measurements, Color research and application 27, 271225 (2002). [4] Lambda 18 UV/Vis Spectrometer, Instrument Guide (Bondenseewerk Perkin- Elmer GmbH, 1994). [5] National Physical Laboratory, A set of 5 reectance standards BL97 (Certicate of Calibration, 1997). [6] PR-705/715, Instruction Manual (Photo Research, Inc, 1999). [7] Timo Jääskeläinen, Väriopin luentomoniste (Joensuu, 2001). [8] G. Wyszecki and Stiles, Color science: concepts and methods, quantitative data and formulae (A Wiley-Interscience Publication, Permissions Department, John Whiley & Sons, 1982). 33

Liite A Taulukoita 34

Taulukko A.1 Incand A x, y Lab 'D65' Lab 'A' syaani pun. syaani pun. syaani pun. 0.234 0.272 0.406 0.320 62.641-10.907-25.825 55.208 31.192 9.025 62.641-26.616-97.616 55.208 15.001-41.564 0.230 0.269 0.416 0.319 62.406-11.488-27.039 52.870 33.261 9.892 62.406-27.120-99.190 52.870 17.454-38.519 0.234 0.272 0.409 0.320 62.850-10.990-25.969 54.129 31.784 9.235 62.850-26.738-97.984 54.129 15.787-40.433 0.232 0.271 0.411 0.320 62.363-11.145-26.319 54.164 32.253 9.628 62.363-26.785-98.116 54.164 16.227-39.893 0.232 0.270 0.414 0.319 61.572-10.957-26.290 52.8383 32.583 9.634 61.572-26.442-97.467 52.838 16.815-38.867 Taulukko A.2 Horizon x, y Lab 'D65' Lab 'A' syaani pun. syaani pun. syaani pun. 0.235 0.274 0.407 0.315 65.354-11.188-25.977 54.345 33.084 7.816 65.354-27.444-99.916 54.345 16.981-42.650 0.232 0.272 0.407 0.314 62.771-11.382-26.163 53.288 32.886 7.469 62.771-27.095-98.203 53.288 17.011-42.340 0.235 0.273 0.411 0.315 63.999-11.059-25.718 53.362 33.509 8.130 63.999-27.041-98.501 53.362 17.588-41.442 0.234 0.273 0.411 0.314 64.594-11.243-26.100 52.908 33.486 7.996 64.594-27.339-99.510 52.908 17.661-41.287 0.232 0.271 0.407 0.315 62.565-11.632-26.256 52.980 32.496 7.602 62.565-27.290-98.180 52.980 16.703-41.911

Taulukko A.3 Cool white x, y Lab 'D65' Lab 'A' syaani pun. syaani pun. syaani pun. 0.231 0.268 0.410 0.321 64.987-10.911-28.217 51.579 32.243 10.301 64.987-27.104-102.870 51.579 16.751-36.938 0.231 0.268 0.412 0.321 64.293-10.573-27.900 52.922 31.396 9.828 64.293-26.639-101.880 52.922 15.667-38.652 0.232 0.269 0.410 0.322 63.213-10.380-27.239 53.206 30.827 9.723 63.213-26.232-100.097 53.206 15.067-39.021 0.233 0.269 0.422 0.321 67.319-10.780-28.533 51.887 33.590 10.946 67.319-27.460-105.114 51.887 17.970-36.242 0.231 0.268 0.413 0.321 61.448-10.359-26.855 52.253 31.388 10.026 61.448-25.847-98.189 52.253 15.798-37.853 Taulukko A.4 TL84 x, y Lab 'D65' Lab 'A' syaani pun. syaani pun. syaani pun. 0.232 0.270 0.405 0.324 60.696-10.585-26.056 54.594 29.256 9.791 60.6961-25.907-96.458 54.594 13.285-39.987 0.231 0.268 0.411 0.322 63.991-10.604-27.826 53.383 31.087 10.017 63.991-26.606-101.541 53.383 15.278-38.732 0.235 0.270 0.407 0.323 64.186-9.845-26.744 54.184 30.281 9.798 64.186-25.923-100.127 54.184 14.345-39.663 0.233 0.270 0.411 0.323 64.678-10.651-27.071 53.786 30.787 10.312 64.678-26.793-100.978 53.786 14.909-38.614 0.232 0.268 0.411 0.323 64.283-10.557-27.829 53.476 30.861 10.236 64.283-26.622-101.770 53.476 15.044-38.487

Taulukko A.5 D65 x, y Lab 'D65' Lab 'A' syaani pun. syaani pun. syaani pun. 0.235 0.275 0.416 0.324 63.212-11.510-25.144 50.713 30.677 10.676 63.212-27.308-97.069 50.713 15.439-35.732 0.235 0.275 0.406 0.324 60.529-10.939-24.129 51.992 28.474 9.803 60.529-26.210-93.545 51.992 13.077-37.975 0.233 0.273 0.429 0.323 64.767-12.002-26.169 48.622 33.238 11.941 64.767-28.097-99.743 48.622 18.309-32.301 0.232 0.273 0.408 0.324 58.315-11.349-24.185 51.843 28.851 9.857 58.315-26.144-91.929 51.843 13.467-37.782 0.235 0.275 0.408 0.324 59.917-10.970-23.830 51.319 28.717 9.793 59.917-26.114-92.645 51.319 13.448-37.473 Taulukko A.6 UV+D65 x, y Lab 'D65' Lab 'A' syaani pun. syaani pun. syaani pun. 0.234 0.271 0.411 0.321 62.676-10.708-26.084 53.927 31.602 9.835 62.676-26.433-98.017 53.927 15.656-39.411 0.234 0.272 0.406 0.322 62.553-10.499-25.846 54.449 30.142 9.400 62.553-26.209-97.578 54.449 14.158-40.440 0.231 0.270 0.416 0.321 62.656-11.123-26.875 53.132 32.811 10.492 62.656-26.824-99.144 53.132 16.972-37.853 0.236 0.273 0.407 0.322 63.673-10.452-25.770 54.735 30.700 9.486 63.673-26.396-98.327 54.735 14.630-40.536 0.233 0.271 0.408 0.321 62.391-10.684-26.066 54.198 30.862 9.428 62.391-26.352-97.771 54.198 14.896-40.208

Taulukko A.7 UV+A x, y Lab 'D65' Lab 'A' syaani pun. syaani pun. syaani pun. 0.231 0.271 0.416 0.320 62.710-11.466-26.518 53.320 33.107 10.298 62.710-27.162-98.669 53.320 17.215-38.278 0.231 0.269 0.414 0.3191 62.235-11.113-26.976 53.005 32.775 9.473 62.235-26.728-98.967 53.005 16.964-39.228 0.233 0.272 0.410 0.320 62.883-10.907-26.050 53.825 31.710 9.609 62.883-26.666-98.126 53.825 15.780-39.659 0.234 0.272 0.409 0.320 63.240-10.917-25.846 53.958 31.498 9.512 63.240-26.749-98.106 53.958 15.550-39.902 0.231 0.270 0.415 0.320 61.888-11.149-26.642 52.791 32.594 10.135 61.888-26.691-98.218 52.791 16.835-38.107