TEKNILLINEN KORKEAKOULU Sähö- j tetolennetenn ossto MIKES TKK Mttusten Vlonlähteden värntosto-omnsuusen uvmnen 1.9.2008 Ales Sormnen les.sormnen()t.f Mttustenn erostyö urssn S-108.3120 Erostyö Opntopsteet (ECTS): Arvosn (1 5) Ohjjn llerjotus. TL Ps Mnnnen
Ssällysluettelo 1 Johdnto... 2 2 Värn ltu uvv termnolog... 3 3 CIE:n värntostondesn määrtelmä... 5 3.1 Värnäytteet... 5 3.2 Referenssvlonlähde... 5 3.3 Värntostondesn lsemnen... 6 3.4 Värntostondesn vuttvt epävrmuustejät... 8 3.5 CIE:n värntostondesn lttyvä ongelm... 9 4 NIST:n prnnusehdotus CIE:n värntostondeslle... 11 4.1 CQS menetelmän perte... 11 4.2 CQS j CRI menetelmen vertlu... 13 5 Mttusohjelm CIE:n värntostondesn määrttämses... 16 5.1 Mttusohjelm... 16 5.2 Ohjelmn testjot... 17 5.3 Mttustuloset... 18 6 Johtopäätöset... 19 7 Vteluettelo... 20 1
1 Johdnto Vlstust suunnteltess on täreää, että vlonlähteden värntosto-omnsuus vodn objetvsest verrt esenään. Vlonlähteden värntostoyyä e vod verrt trstelemll vn väroordnttej t värlämpötloj. Tämän t onn ehtetty erllnen mtt vlonlähteden värntostoyvyn uvmses. Knsnvälnen vlstusomte (CIE, Commsson Interntonle de l Eglrge) estt vuonn 1974 menetelmän värntostondesn määrttämses j lsemses. Menetelmää on vuosen vrrell prnneltu j orjttu. Vmesn orjus on tehty vuonn 1995, jollon CIE juls orjtun tensen rportn vlonlähteden värntostoomnsuusen määrttämsestä j mttmsest [1]. CIE:n ehttämässä menetelmässä vlonlähteen värntostondes (CRI, Color Renderng Index) uv mten hyvn vlonlähde tost vlstven testvärnäytteden värä verrttun referenssvlonlähteeseen. Vlonlähteen värntostoyyä uvv menetelmä on ehtetty erls, mutt tällä hetellä CIE:n menetelmä on no nsnvälsest hyväsytty menetelmä. CRI määrtelmä e utenn ole täydellnen, vn snä on puuttet, jot tulevt lm vrsnn vlos lostedodej (LED, Lght- Emttng Dode) trsteltess. CIE on suostellut uuden ndesn t ndesen ehttämstä, joll votsn orvt CIE:n nyynen värntostondes menetelmä. Tässä työssä on estetty CIE:n värntostondesn lsennn perusteet j sen määrtelmään lttyvä ongelm. Myös NIST:n (Ntonl Insttute of Stndrds nd Technology) ehttämää uutt määrtelmää vlonlähteden värntostoyvyn lmsemses on trsteltu. Lsäs on ehtetty CIE:n CRI määrtelmän pohjlt ohjelmsto, jo lsee tutttvn vlonlähteen orrelodun värlämpötln (CCT, Correlted Color Temperture) seä värntostondesn. Työssä on lsäs lyhyest vertltu tämän ohjelmn lsem rvoj vstvn CIE:n ohjelmn lsemn rvohn. 2
2 Värn ltu uvv termnolog Vlonlähteen värntosto-omnsuus tutttess on täreää ymmärtää värn lttyvää termnolog. Väropp ästtelevää rjllsuutt on helpost stvll, joten tässä ppleess on estetty vn vlonlähteden värntosto-omnsuusen trstelun nnlt oleellsnt värn ltuun lttyvää termnolog. Vär (Color) Vär on sthvnto, jo perustuu slmän yyyn nähdä vlon er llonptuudet värenä. Vären oemnen j stmnen on yslöllstä, joten hmsen teemä värhvnto on subjetvst. Värn objetvst trstelu vrten on ehtetty erls menetelmä uten värpplet j rttoj. Er värjärjestelmen perustn on n jonnlnen olmulottenen mll. Erään mlln mun värä vodn trstell olmen omnsuuden mun, jot ovt värylläsyys, -sävy j rus. [7] Värsävy (Hue) Värsävy on värn omnsuus, jon vull hvtsemme sen hlltsevn llonptuuden el sen mltä vär näyttää. Värsävyn vull erotmme värt tosstn. Kromttsell värllä uten esmers eltsell, punsell, snsellä, vhreällä jne. on värsävy, mutt romttsell värllä uten mustll, vlosell j hrmll e ole värsävyä. [9] Värylläsyys (Sturton) Värylläsyys trott värn vsulst puhtutt t vomuutt, el stä, un un se on neutrlst hrmst. Värnäytteet, joden spetr oostuu pest hupust näyttävät ylläsemmltä un värnäytteet, joden spetr oostuu usest er llonptuusst. Vär on stä ylläsemp mtä lähemmäs värsävy-ympyrän uloreun lutn. [9] Krus (Brghtness) Krus uv vlon määrää el vlon hvttu vomuutt. Slmän verolvoll on suvsoluj seä tppsoluj, jot vstvt vlon stmsest. Alle 10-2 cd/m 2 lumnnsstsoll suvsolut vstvt näemsestä. Tällön vären näemnen e ole mhdollst. Yl 10 cd/m 2 lumnnsstsoll näemnen tphtuu oonn verolvon tppsolull. Tppsoluj on olmenls, jot mhdollstvt vären hvtsemsen nden olless tvs. [7, 9] Vleus (Lghtness) Vleus trott suhteellst rutt el ohteen rutt suhteutettun bsoluuttseen vloseen [9]. Vleuden määrttämses on ldttu hrm-steoj, joss tosess päässä on must, tosess vlonen j näden välssä ersävysä hrmt [8]. 3
Munselln värjärjestelmä Munselln värjärjestelmä on ys tunnetummst menetelmstä vären uvmseen. Järjestelmää uv nn snottu Munselln värpple (Kuv 1), joss värlle määrtetään olme ttrbuutt: sävy, ylläsyys j rus. Munselln värpple oostuu vdestä päävärsävystä (eltnen, snnen, punnen, vhreä j purppur), vdestä välvärsävystä seä näden välssä olevst lsävärestä. Ken n Munselln värppleess on ss 20 er värsävyä uvv tso. Munselln värppleess on vleussteoll 9 porrst j ylläsyyssteoll 14 porrst. Esmers tunnusell 5R9/14 uvtn täysn vlet seä täysn yllästä punst värä. [7] Kuv 1. Munselln värpple. 4
3 CIE:n värntostondesn määrtelmä CIE:n määrttämässä menetelmässä vlonlähteen värntostoyyä vodn uvt yhdellä luvull el ylesellä värntostondesllä R, jo sdn lsettu vlonlähteen hdesst ensmmäsestä erosvärntostondesstä R ( = 1,2,...,14). Erosvärntostondesen määrttämnen perustuu shen, että lsetn 14 CIE:n määrttämän * * * värnäytteen värsrtymä E CIE:n 1964 W U V värvruudess un referenssvlonlähde vhdetn tutttvn olevn vlonlähteeseen. [1, 7] 3.1 Värnäytteet CIE on määrttänyt 14 Munselln värnäytettä (CIE 1974 test color smples) värntostondesn määrttämstä vrten. Khdesn ensmmästä värnäytettä ttvt värsävy-ympyrän j nllä on esmääränen värylläsyys seä sm vleusste esenään. Tämän lsäs CIE on määrttänyt uus muut värnäytettä, jost neljä ovt ylläsä värejä j s muut värä edust hon värä seä lehtvhreää. CIE on β λ 5nm välen. [1] tuluonut värnäytteden spetrset rdnssertomet ( ) 3.2 Referenssvlonlähde Värntostondesn määrttämnen perustuu tutttvn vlonlähteen vertmseen referenssvlonlähteeseen. Referenssvlonlähteen spetr määrtetään mtemttsest, joten nostn tutttvn vlonlähteen spetr tulee mtt. Referenssvlonlähteellä tulee oll smt t lähes smt väroordntt un testttvll vlonlähteellä. Mäl mhdollst tuls referenssvlonlähde vlt sten, että referenssvlonlähteen j testttvn vlonlähteen väroordntten ero DC (chromtcty dfference) CIE:n 1960 3 UCS-dgrmmss on penemp un 5,4 10. Mäl väroordntten ero DC on 3 suuremp un 5,4 10, nn tällön lsettujen erosvärntostondesen rvojen vodn olett olevn epätremp un jos olts äytetty referensslähdettä, jolle ehto ols toteutunut. Referenssvlonlähteen j testttvn vlonlähteen väroordntten ero vodn lse yhtälöllä ( u u ) + ( v v ) 2 r 2 r DC =, ( 1 ) mssä ( u, v ) ovt testttvn vlonlähteen väroordntt j ( r v r ) väroordntt CIE:n 1960 UCS-dgrmmss. u, referensslähteen Elle tosn ole spesfotu, nn mäl testttvn vlonlähteen orrelotu värlämpötl on lle 5000 K, nn tällön referensslähteenä äytetään vstvn värlämpötln omv Plncn säteljää. Mäl vlonlähteen orrelotu värlämpötl on yl 5000 K, nn 5
tällön referensslähteenä äytetään vstvn värlämpötln omv pävänvlon speträ. [1] 3.3 Värntostondesn lsemnen Mtttvn vlonlähteen j referenssvlonlähteen r spetrestä seä CIE 1974 värnäytteden ( = 1,2,3,...,14) spetrsstä rdnssertomst lsetn vstvt CIE 1931 olmväromponentt X, Y, Z. K rvot lmotetn neljän mertsevän numeron truudell rppumtt stä ovto rvot mtttuj v lsettuj. Kolmväromponentt sdn lsettu seurvst yhtälöryhmästä X = K Y = K Z = K norm norm norm λ λ λ S S S ( λ) x( λ) ( λ) y( λ) ( λ) z( λ) dλ dλ, ( 2 ) dλ mssä S ( λ) on vlonlähteen spetr, K norm normlsonterron j x ( λ), y ( λ), z ( λ) ovt CIE:n määrttämät 2 steen stndrdhvtsjn värnsovtusfuntot, jot perustuvt 1-4 steen näöenttään [2]. Normlsontertomet tulee vlt sten, että mtttvn vlonlähteen j referenssvlonlähteen olmväromponentten Y j Y r rvot ovt 100. Mtttvn vlonlähteen j referenssvlonlähteen normlsontertomet evät välttämättä ole yhtä suur. Värnäytteden olmväromponenttej lsettess vlonlähteden spetrt tulee erto ysesen värnäytteen spetrsllä rdnssertomll ( λ) β. Seurvs dt muunnetn CIE:n 1960 UCS-dgrmmn (u,v)-oordntes yhtälöllä 4X u = X + 15Y + 3Z. ( 3 ) 6Y v = X + 15Y + 3Z Lsettess värntostondesä tulee ott huomoon slmän värsopeutumnen. Tämä johtuu stä, että slmän ltstuess ylläselle vlolle värnv jo ärsyyntyy enten heenee j srtyy oht heentynyttä ärsytystä vstv omplementtvärä [7]. Värsopeutumsen seurusen hyväsytään usen er vlonlähteden erlsten värntosto-omnsuusen suuretn muutoset trsteluympärstössä. Värsopeutumnen otetn huomoon Von Kresn menetelmällä lsemll värnäytteden väroordntt u ', j v ', yhtälöllä 6
u' v',, cr 10,872 + 0,404 c c = cr 16,518 + 1,481 c c 5,520 = cr 16,518 + 1,481 c c,,, d r 4 d d d r d, d d d r d,,, ( 4 ) mssä = 1,2,3,..., 14 seä u ', j v ', ovt värnäytteden väroordntt un värsopeutumnen on huomotu [1]. Tämä on svutettu srtämällä tutttv vlonlähde,, referenssvlonlähteen r luo el u = ur j v = vr. Tätä e tule seott CIE 1976 ( u ', v' )-dgrmmn väroordnttehn. Yhtälössä 4 olevt ertomet c j d sdn lsettu yhtälöstä 1 c = v 1 d = v ( 4 u 10v) ( 1,708v + 0,404 1,481u ). ( 5 ) Kertomet c j d lsetn tutttvlle vlonlähteelle u, v (sdn rvot c, d ), referenssvlonlähteelle u r, vr (sdn rvot c r, dr ) j testttvll vlonlähteellä vlstulle näyttelle u,, v, (sdn rvot c,, d, ). [1] * * * Seurvs dt muunnetn CIE 1964 W U V värvruuteen äyttäen yhtälötä W U V r * r, * r, *, = 25 = 13W = 13W 1 ( Y ) 3 r, 17 * r, ( ur, ur ) * ( v v ) r, r, r ( 6 ) j W U V *, *, *, = 25 = 13W = 13W 1 ( Y ) 3, 17 *, ( u', u' ) * ( v' v' ),,. ( 7 ),, Mssä u = ur j v = vr ovt testttvn vlonlähteen väroordntt un on otettu huomoon värsopeutumnen. Y, j Y r, tulee oll normlsotu sten, että Y = Y r = 100. [1] 7
* * * Seurvs lsetn unn värnäytteen värsrtymä E CIE:n 1964 W U V värvruudess un referenssvlonlähde vhdetn tutttvn olevn vlonlähteeseen. Tämä sdn lsettu yhtälöllä * * 2 * * 2 * * ( U U ) + ( V V ) + ( W W ) 2 E =. ( 8 ) r,, r,, r,, Nyt vodn määrttää erosvärntostondest yhtälöstä R = 4, 6 100. ( 9 ) E Värntostondest on slttu sten, että värntostondesn olless 100 (täydellnen) värnäytteen väroordntt ovt smt un värnäytettä on vlstu mtttvll vlonlähteellä j un värnäytettä on vlstu referenssvlonlähteellä. Slusess on äytetty erront 4,6, jollon lämmnvlen 3000 K lostelmpun ylenen värntostondes R on 50, un hehulmppu on äytetty referensslähteenä. R rvot pyörstetään lähmpään oonsluuun. Mäl R :n ensmmänen desml on vs j seurvt desmlt noll, nn tällön rvot tulee pyörstää lspän lähmpään oonsluuun. Käytännössä tällä e ptäs oll suurt mertystä värntostondesejä lsettess. [1] Ylenen värntostondes R sdn lsemll esrvo ensmmäsestä hdesst erosvärntostondesstä el 8 1 R =. ( 10 ) R 8 = 1 3.4 Värntostondesn vuttvt epävrmuustejät Värntostondes e ole bsoluuttnen rvo. Värntostondesä määrtettäessä tutttv vlonlähdettä verrtn referensslähteeseen, joll on sm värlämpötl un tutttvll vlonlähteellä. Tästä seur, että ht ertyyppstä vlonlähdettä verrtn er referensslähtesn, jot tostvt värä er tvll. Tästä johtuen myös testttvt vlonlähteet tostvt värä er tvll v nllä olsn sm värntostondes. Esmers 6500 K pävänvlolostelmpull j 2800 K hehulmpull, vo oll smt R rvot (lähes 100), mutt nden värntosto ero tosstn yhtä pljon un nden referenssvlonlähteden värntosto [7]. Koeellsest on todettu, että nyyset mttusmenetelmät vovt heutt 1-3 ysön epävrmuuden ylesen värntostondesn R mttustulosn. Vden ysön ero erosvärntostondesssä R on stttvss väreron prhss hvnto-olosuhtess. Tämä e utenn päde R :hn, sllä R on stu lsemll esrvo hdesst ensmmäsestä erosvärntostondesstä. Epävrmuutt mttustulosn vo tull myös 8
menetelmstä, joll lmppuj ästellään seä äytetystä mttusgeometrst. R j rvohn vutt myös mä spetrlue on määrtelty edustmn näyvän vlon llonptuusluett. Esmers ono llonptuusluees vlttu 360 830 nm v 400 700 nm. [1] CIE suosttelee, että mttusss j lsuss äytetään enntään 5 nm llonptuusvälä. Mäl speträ hlutn tut penemmällä llonptuusvälllä, nn tällön tulee äyttää lnerst nterpolont. R 3.5 CIE:n värntostondesn lttyvä ongelm Er vsulset oeet j smultot ovt osottneet, että CIE:n määrttämä värntostondes e vst vsuls hvntoj vlos LED vlonlähtetä trsteltess [3]. Ongelmt ovt peräsn tvst, joll CRI on määrtelty. CRI:n määrttelyssä on äytetty menetelmä, jot ovt myöhemmn todettu epääytännöllss t vnhentunes. Ongelmt ovt sten olemss myös pernteslle vlonlähtelle, mutt ne tulevt lm eteenn vlos LEDjä trsteltess, joden spetr ssältää pet spetromponenttej. Vlosten LEDen lähes rjton toteutustp on myös ongelmllnen CRI trsteluss. Tästä huolmtt CIE:n menetelmä on edelleen no nsnvälsest hyväsytty menetelmä vlonlähteden värntosto-omnsuusen uvmseen. * * * CRI:n määrtysessä äytetty CIE 1964 W U V värvruus on vnhentunut, eä CIE enää suosttele sen äyttämstä. Tämä värvruus on hyvn epäyhtenänen j sen seurusen väroordntten ero orostuu lotellust vrsnn punsell lueell. * * * Nyysn CIE suosttelee CIE 1976 L b el CIELAB värvruuden äyttöä (e tosn CRI:tä lsettess), jo onn äytössä monss er sovellusss. Lsäs määrtysessä äytetty Von Kresn värsopeutumsen huomov menetelmä on todettu puutteellses. Premmn värsopeutumsen huomo CIE:n värsopeutumsmuunnos CMCCAT2000 t CIE CAT02. [3, 5] Ks er vlonlähdettä vo tost värejä er tvll v nden värntostondest olsvt smt. Ylesen värntostondesn R :n määrttämnen lsemll rtmeettnen esrvo hdesst ensmmäsestä erosvärntostondesstä on ongelmllnen, sllä tämän seurusen vlonlähteen R vo sd hyvän rvon v se tostsn muutm värnäytettä huonost. Tämä johtuu stä, että R on määrtetty hdesst esnertsen ylläsestä värnäytteestä. Kyllästen värnäytteden värntosto R 9, R10,..., R12 vo oll hyvnn huono v R :n rvo olsn suhteellsen hyvä. Vlonlähde jo tost hyvn ylläsä värejä tost myös hyvn vähemmän ylläsä värejä [4]. Tämä yhtäläsyys e utenn päde toseen suuntn. Tämän t R määrtysessä tuls myös jotenn huomod ylläset värnäytteet ( R 9, R10,..., R12 ). [5] CIE:n määrtelmässä on myös se ongelm, ette CRI huomo värnäytteden värmuutosten suunt, un referenssvlonlähde vhdetn tutttvn vlonlähteeseen. 9
Tämän seurusen värnäytteellä, jot vlstn erseen hdell er vlonlähteellä, vo oll sm R :n rvo v ysesen värnäytteen värmuutosen suunt ols er j muutosen suuruus sm. Tämä on huono s, os värylläsyyden penenemsellä on negtvnen vutus värn hvtsemseen, un ts värylläsyyden svu oetn vlstusess usen postvsen sn, sllä se lsää hvttvn värn rutt [4]. Tämän t värnäytteden värmuutosen suunt tuls jotenn ott huomoon värntostondesä määrtettäessä. [1] Vsulsss testessä on hvttu, että CIE:n menetelmässä R :n rvot evät orrelo vsulsten hvntojen nss suurll t penllä CCT rvoll [5]. Tämä johtuu stä, että referensslähteenä äytetään smn CCT:n omv vlonlähdettä un testttvll vlonlähteellä, jollon referenssvlonlähteen CRI on 100 mllä thns CCT rvoll. Todellsuudess värntosto utenn huononee penllä j suurll CCT:n rvoll. Esmers 2000 K Plncn säteljälle (hyvn punertv vlo) j 20000 K pävänvlospetrlle (hyvn snertävä vlo) sdn R :n rvos 100 v nämä vlonlähteet tostvt värejä huonost. [3] Nyysessä CRI määrtelmässä on myös se ongelm, että erosvärntostondest vovt sd negtvs rvoj. Nämä negtvset rvot evät ole meleätä j nden tultsemnen on ongelmllnen. 10
4 NIST:n prnnusehdotus CIE:n värntostondeslle CIE on suostellut uuden ndesn t ndesen ehttämstä, jo pystys luotettvmmn uvmn vlonlähteden värntostoyyä. Tämän uuden ndesn tuls oll sovellettvss en tyyppsn vlonlähtesn, e pelästään vloslle LEDelle. Uus menetelmä on mettty j ehtetty vlonlähteden värntostoyvyn uvmslle. NIST on ehttänyt uuden tvn uvt vlonlähteen värntostoyyä. Uudet menetelmät evät utenn orv CIE:n värntostondesä vn ntvt trvttv lsänformtot vlonlähteen värntosto-omnsuusst. CIE:n menetelmä orvntuu vst un on ehtetty trpees luotettv menetelmä j un se on systemttsen testusen jäleen todettu tomvs. [3] Vlos LEDjä ols meleästä äyttää vlstusess, sllä ne ovt tehot, ptääsä j mensest melo estävä. Tämän t olsn täreätä, että ols ys mtt t mttsysteem, joll votsn luotettvst uvt en tyyppsten vlonlähteden värntosto-omnsuus. Vlonlähteden värntosto on pljon tutttu NIST:ssä. NIST:ssä on mm. ehtetty smulontohjelm, joll pystytään helpost tutmn vlonlähteden värntostoomnsuus [4]. Näden tutmusten perusteell NIST on ehdottnut uutt mttjärjestelmää, CQS (Color Qulty Scle) [3], vlonlähteden värntostoyvyn määrttämses. Tämä uus mttjärjestelmä perustuu CIE:n CRI määrtelmään, jon puuttet on orvttu uusll premmll menetelmllä. 4.1 CQS menetelmän perte NIST:n CQS menetelmässä CIE:n 14 Munselln testvärnäytettä on orvttu 15 er Munselln värnäytteellä. Nämä uudet värnäytteet on vlttu sten, että nllä on oren mhdollnen värylläsyys, ne ttvt oo värsävy-ympyrän tssest j ovt upllsest helpost toteutettvss [5]. Suuren värylläsyyden omvt värnäytteet on vlttu, os jos vlonlähde tost ylläsä värejä hyvn, nn tällön se myös tost vähemmän ylläsä värejä hyvn. All olevss uvss (Kuv 2) on estetty nämä 15 värnäytettä seä R :n määrtysessä äytetyt värnäytteet. Kuv 2. Ylemmällä rvllä R :n määrtysessä äytetyt värnäytteet j lemmll rvllä CQS määrtysessä äytetyt värnäytteet. Värnäyttetä on vlstu D65 vlonlähteellä. [5] 11
* * * * * * CQS määrtysessä CIE:n 1964 W U V värvruus on orvttu CIE:n 1976 L b värvruudell. CIE:n menetelmässä vleuden, värsävyn t -ylläsyyden muutosell mhn thns suuntn on negtvnen vutus R :hn. CQS menetelmässä vn värsävyn t vleuden muutosell seä värylläsyyden penenemsellä on negtvnen vutus uuteen värntostondesn. Värylläsyyden svull e ole negtvst vutust uuteen värntostondesn, mutt e myösään postvst vutust. Tämä on toteutettu ottmll n. sturtoerron mun CQS määrtelmään [5]. CQS menetelmässä referensslähteen CCT sovtetn edelleen testttvn vlonlähteen CCT:hen, mutt tässä menetelmässä on otettu äyttöön CCT-erron. CCT-erron ptää huolen, että CQS:n rvot orrelovt vsulsten hvntojen nss myös penllä j suurll CCT rvoll. Tämä erron on stu vlsemll vlttu 15 värnäytettä er CCT:n omvll referenssvlonlähteellä (Plncn säteljä) j trstelemll väroordnttej CIELAB vruudess. CCT-erron tutttvlle vlonlähteelle on vstvn CCT rvon omvll referenssvlonlähteellä vlstujen värnäytteden väroordntten muodostmn pnt-ln suhde smojen vlstujen näytteden väroordntten muodostmn pnt-ln un näyttetä on vlstu 6500 K referenssvlonlähteellä. Tässä on oletettu, että referensslähteen värntosto huononee un väroordntten muodostm pnt-l oordntstosteoll penenee. CCTertomen uvj seä värnäytteden muodostm pnt-l CIELAB väroordntstoss vlstun er CCT rvon omvll referenssvlonlähteellä on estetty ll olevss uvss (Kuv 3). [5] Kuv 3. Vsemmn puolesess uvss 15 värnäytteen väroordntten muodostm pnt-l CIELAB värvruudess er CCT rvon omvll referensslähteellä (Plncn säteljä) vlstun. Oen puolesess uvss CCT-ertomen uvj. [4] Tetyllä CCT rvoll (esm. 4000 K) CCT-erron vos sd hemn suuremp rvoj un ys elle nätä rvoj ols pyörstetty yöss. Pyörstys on tehty, jotte CQS s suuremp rvoj un 100. Värlämpötln tr vutust vlonlähteden värntostoon on ve uvt, mutt tämä menetelmä trjo nn välsen rtsun vlonlähteden trsteluun, joll on hyvn ore t mtl CCT. 12
Nyysessä CIE menetelmässä R vo sd suhteellsen hyvän rvon v se tostsn jotn värejä erttän huonost. Tämä on hyvn ylestä vlonlähtelle, uten vloslle LEDlle, joden spetr ssältää pet spetrpejä. Tämä johtuu stä, että R on lsettu ottmll rtmeettnen esrvo hdesst ensmmäsestä erosvärntostondesstä. Jott mnä thns värnäytteen suurell värnmuutosell ols vutust CQS:n, nn rtmeettsen esrvon sjn on äytetty nelöllstä esrvo värnäytteden värmuutosten lsemseen. Nän ollen värnäytteden värmuutos sdn lsettu yhtälöllä 15 1 2 E RMS = E, ( 11 ) 15 1 mssä E on unn värnäytteen värmuutos un referenssvlonlähde vhdetn tutttvn olevn vlonlähteeseen. CIE:n menetelmässä äytetään erront 4,6 muuntmn värnäytteden värerot erosvärntostondeses. CQS menetelmässä on äytetty er värnäyttetä seä värvruutt j ss er sluserron ptää vlt muunnoseen, jott CQS menetelmä ols vertluelponen CIE:n menetelmän nss. Slusertomen on äytetty rvo 2,81 [5], jollon uus värntostondes sdn yhtälöstä R = 100 2, 81 ( 12 ) n E RMS Negtvsten värntostondesen välttämses CQS menetelmässä tehdään slus, jon seurusen CQS rvot ovt välllä 0-100. Slus on tehty yhtälöllä R /10 ( e + 1) n R = 10 ln, ( 13 ) out mssä R n on slttv rvo j R out slusen tulos, jo on vlonlähteen värntostoyyä uvv suure el CQS. Slus vutt vn 20 penempn tulosn. [4, 5] Tämänhetnen CQS menetelmä äyttää värsopeutumsen huomomsess Von Kresn menetelmää, mutt tulevsuudess tämä ols trotus orvt joo CIE:n menetelmällä CMCCAT2000 t CIE CAT02. CQS menetelmää ehtetään j testtn edelleen, joten mutn uudstus seä prnnus on luvss. [5] 4.2 CQS j CRI menetelmen vertlu NIST:ssä on vertltu CRI j CQS rvoj vloslle LEDelle NIST:ssä ehtetyn vlonlähteden värntostosmulontohjelmn vull [4]. Eräässä NIST:n suorttmss smulonnss tutttn olmvär-vlosten LEDen värntosto [5]. All olevss uvss (Kuv 4) on estetty erään olmen testtun LEDn spetr. 13
Kuv 4. Kolmen tuttun olmvär-vlosen LEDn A, B j C spetrt. Vlonlähtellä on spetrset huput ohdss ) 457nm, 534 nm j 616 nm, b) 463 nm, 538 nm j 603 nm seä c) 464 nm, 538 nm j 613 nm. Ken olmen vlonlähteen CCT on 3300 K. [5] LEDn A ylenen värntostondes R on 67 seä CQS on 80. CRI rvon mun tällä LEDllä ols melosen huono värntosto-omnsuus, mutt CQS rvon mun vlonlähteellä on utenn hyvä värntosto-omnsuus. Tämä johtuu stä, että testvärejä vlstess tällä tutttvll LEDllä A os värestä näyttää ylläsemmltä, un jos ntä vlstsn referenssvlonlähteellä. Kos CQS menetelmä huomo mhn suuntn värnäytteden värmuutos tphtuu, tosn un CIE:n menetelmä, nn CQS rvo on premp un vstv CRI rvo. All olevss uvss (Kuv 5) on estetty 15 värnäytteen smulotu vär-lmenemnen un ntä on vlstu erseen seä referenssvlonlähteellä j tutttvll vlonlähteellä A. Kuv 5. CQS menetelmän 15 värnäytteen smulotu vär-lmenemnen. Värnäyttetä on vlstu erseen seä referenssvlonlähteellä (Ref) j tutttvll vlonlähteellä A (Test). [5] LEDt B j C tostvt värejä er tvll v nden molempen ylenen värntostondes R on 80. All olevss uvss (Kuv 6) on estetty värnäytteden smulotu vär-lmenemnen vlonlähtelle B j C. Vlonlähde B tost hyvn usemp värejä, mutt se tost hyvn huonost purppurnpunst j puns värejä. Vlonlähde C sen sjn tost hyvn värejä j tämän lsäs se lsää mm. vhreän j ornssn värylläsyyttä. Vlonlähteden B j C CQS rvot ovt 73 j 85. Vlonlähde B s huonommn rvon un vstv CRI rvo, os CQS menetelmässä äytetty nelöllnen esrvostus ott huomoon ysttästen värnäytteden huonon värntoston sten, että nden vutus näyy CQS rvoss premmn. Vlonlähde C ts s premmn rvon un vstv CRI rvo, os tämä vlonlähde lsää jodenn värnäytteden värylläsyyttä. [5] 14
Kuv 6. CQS menetelmän 15 värnäytteen smulotu vär-lmenemnen. Värnäyttetä on vlstu erseen ) seä referenssvlonlähteellä (Ref) j tutttvll vlonlähteellä B (Test), seä b) referenss-vlonlähteellä j tutttvll vlonlähteellä C. [5] 15
5 Mttusohjelm CIE:n värntostondesn määrttämses 5.1 Mttusohjelm Osn tätä työtä tehtn mttusohjelm, jo lsee tutttvn vlonlähteen orrelodun värlämpötln, erosvärntostondest seä ylesen värntostondesn. Tutttvn vlonlähteen spetr tulee oll tllennettun tedostoon 1 nm t 5 nm välen 360 830 nm llonptuuslueell. Mttusohjelm e ss vrsnsest mtt tutttvn vlonlähteen speträ. Tutttvn vlonlähteen spetrn mttus on jätetty tästä ohjelmstost pos ohjelmn ysnertstmsen vuos. Mttusohjelm on toteutettu Lbvew:ll j sen äyttölttymä on estetty ll olevss uvss (Kuv 7). Kuv 7. Lbvew ohjelmston äyttölttymä. K mttusohjelmstoss suortettvt olormetrn j vlonlähteen värntostoon lttyvät lsutomtuset perustuvt CIE:n määrtelmn. Tutttvn vlonlähteen CCT on määrtetty CIE:n (u,v)-oordntstoss. Lsuss äytettn CIE:n määrttämä 2 steen stndrdhvtsjn värnsovtusfuntot, jot perustuvt 1-4 steen näöenttään. Käyttäjä vo sett vpst trsteltvn llonptuuslueen 360 830 nm välltä. Lsäs äyttäjä vo määrttää stetruuden, joll CCT hlutn määrttää. Värlämpötln lsemsen nopeuttmses äyttäjä vo sett trsteltvn lämpötl- 16
lueen slle lueelle, joss olett trsteltvn vlonlähteen värlämpötln olevn. Mäl tämä lämpötl-lue on lj t stetruus pen, nn CCT määrtys estää ptempään. 5.2 Ohjelmn testjot Tässä työssä toteutetun ohjelmn lsem tulos verrtn vstvn CIE:n teemän ohjelmn lsemn tulosn. V CIE:n CRI-lsuohjelm tulee CIE:n 13.3-1995 tensen rportn mun, nn tästä huolmtt tämä ohjelm e ole os CIE:n tenstä rportt, eä CIE nän ollen t sen tomvuutt [1]. Tutttvs vlonlähtes on vlttu CIE:n stndrdvlonlähde A j D65 seä lämmnvle lostevlsn. CIE:n stndrdvlonlähteden A j D65 spetrjum j värlämpötl on tron määrtelty. Stndrdvlonlähde A vst Plncn säteljän värlämpötl 2856 K j stndrdvlonlähde D65 vst pävänvlo, jon värlämpötl on 6505 K [2]. Tutttvn lämmnvlen lostevlsmen spetr on nnettu CIE:n ohjelmston mun. All olevss uvss (Kuv 8) on estetty tutttven vlonlähteden spetrt. 1 Suhteellnen Irrdnss 0,8 0,6 0,4 0,2 0 360 410 460 510 560 610 660 710 760 810 Allonptuus [nm] Stndrdvlonlähde A Stndrdvlonlähde D65 Lämmnvle lostelmppu Kuv 8. Tutttven vlonlähteden spetrt. Spetrt ovt normlsotu sten, että unn spetrn msmrvo on ys. Ohjelmll lsettn värlämpötlt 0,1 K truudell. CIE:n ohjelmn värlämpötln lsenttruudest e ole teto muut un, että snä lsettu värlämpötln tulos estetään 1 K truudell. Molemmss ohjelmss vlonlähteden speträ on trsteltu llonptuuslueell 360 830 nm. 17
5.3 Mttustuloset All olevss tuluoss (Tuluo 1) on estetty työssä ldtun j CIE:n ohjelmn lsemt yleset värntostondest seä orrelodut värlämpötlt. Tuluo 1. Työssä ehtetyn seä CIE:n ohjelmn lsemt yleset värntostondest j orrelodut värlämpötlt tutttvlle vlonlähtelle. Stndrdvlonlähde A Stndrdvlonlähde D65 Lämmnvle lostevlsn Työssä Työssä Työssä CIE:n ehtetty CIE:n lsentohjelm lsent- lsentohjelm ehtetty ehtetty CIE:n lsent- lsentohjelm lsentohjelmohjelmohjelm CCT [K] 2855,5 2856 6502,7 6505 3066,1 3066 R 100,0 99,6 100,0 99,6 51,6 51,8 Ohjelmen rvot poevt tosstn jonn verrn. CIE:n ohjelm lsee stndrdvlonlähteelle A seä D65 oet värlämpötlt, mutt tse tehty ohjelm nt nästä tulosst hun poevt tuloset. Stndrdvlonlähteelle A värlämpötlero on 0,5 K j stndrdvlonlähteelle D65 2,3 K. 1K:n sovtusresoluutoll om lsentohjelm lsee stndrdvlonlähteen A j D65 CCT rvos 2856 K j 6503 K. Stndrdvlonlähteelle A:lle seä D65:lle om ohjelm lsee R rvos 100,0 j CIE:n ohjelm molemmlle 99,6. Ero on äytännössä mertysettömän pen. Om ohjelm lsee oen tulosen, sllä ummnn vlonlähteen tpusess referenssvlonlähteenä äytetään sm vlonlähdettä un tutttv vlonlähde. Tällön näytteden värero on luonnollsest noll j R s rvon 100. Kos R :n rvo on tpn lmott oonsluurvon, nn tällön myös CIE:n ohjelmn lsem R rvo on äytännössä 100. Lämmnvlelle lostevlsmelle sdn värlämpötlojen rvos 3066,1 K seä 3066 K j R :n rvos 51,6 j 51,8. Tulosen erot ovt mtättömän penä, joten nllä e ole äytännössä mtään mertystä. CRI:n määrtelmän ongelm tulee hyvn eslle tätä vlonlähdettä trsteltess, sllä tämän vlonlähteen erosvärntostondes R 9 s rvon -117. 18
6 Johtopäätöset CIE:n määrttämä värntostondes on edelleen no nsnvälsest hyväsytty tp uvt vlonlähteen värntostoyyä v menetelmä onn puutteellnen. Er vsulset oeet ovt osottneet, että CIE:n värntostondes e vst vsuls hvntoj vlos LED vlonlähtetä trsteltess. Värntostondesn ongelmt ovt peräsn tvst, joll se on määrtetty. Ongelmt ovt sten olemss en tyyppslle vlonlähtelle, mutt ongelmt tulevt eslle vrsnn vlos LEDejä trsteltess, joden spetr ssältää pests omponenttej. CIE suosttelee uuden mtn ehttämstä vlonlähteden värntostoyvyn uvmseen. Trotusen ols ehttää sellnen mtt, jo uv luotettvst en tyyppsten vlonlähteden värntostoomnsuus. NIST:ssä suortettujen tutmusten j testen pohjlt on ehtetty uus mtt, CQS, jo pyr luotettvmmn uvmn vlonlähteden värntostoyyä. Tämä menetelmä perustuu CIE:n määrtelmään, jon puutteet on orvttu premmll menetelmllä. NIST:ssä on suortettu smulonttestejä, joss trsteltn mm. er vlosten LED vlonlähteden CRI j CQS rvojen eroj. Näden smulonttesten tuloset osottvt, että CQS menetelmä lmsee vlonlähteden värntosto-omnsuuden premmn un CIE:n menetelmä. CQS menetelmä vt utenn velä jtoehtystä seä testust. Tässä työssä toteutetun vlonlähteen CRI:n j CCT:n lsevn ohjelmston toteutus on onnstunut hyvn. Ldtun ohjelmn lsemt CRI j CTT rvot tutttvlle vlonlähteelle poevt CIE:n ohjelmn lsemst rvost nn vähän, ette eroll ole äytännössä mertystä. Erot todennäösest johtuvt penstä toteutuserost ohjelmstojen välllä, sllä ummtn ohjelmt ovt toteutettu CIE:n määrtelmen pohjlt. Tätä on utenn ve verfod sllä CIE lmott vn, että tensen rportn mun tullut ohjelm on toteutettu CIE:n määrtelmen musest. Om ohjelm votsn jtoss ehttää nn, että sllä votsn mtt tutttvn vlonlähteen spetr seä nn, että se lss vlonlähteen CQS rvon. Tämä tosn vts tremp teto NIST:n CQS menetelmästä, uten uusen värnäytteden spetrsten rdnssertomen tuntemst seä CCT- j sturtoertomen äytön tremp tuntemst. 19
7 Vteluettelo [1] CIE 13.3-1995, Method of mesurng nd specfyng color renderng propertes of lght sources (1995). [2] CIE 15.2-1986, Colormetry (2 nd Edton 1986 Corrected Reprnt 1996). [3] CIE 177:2007, Color renderng of whte LED lght sources (2007). [4] W. Dvs, J.L. Grdner j Y. Ohno, 2005. NIST fclty for color renderng smulton. In Proc. AIC Color 05, 519-522, 2005. [5] W. Dvs j Y. Ohno, Development of Color Qulty Scle. In Proc. 6 th Interntonl LRO Lghtng Reserch Symposum, Lght nd Color Symposum, pper #8, Orlndo FL (2006). [6] Y. Ohno, 2004. Color renderng nd lumnous effccy of whte led spectr, Proc. SPIE fourth nterntonl conference on sold stte lghtng, 5530, p.88-98. [7] L. Hlonen j J. Lehtovr, Vlstusten (Otteto Oy, Jyväsylä 1992), s.113-156. [8] S. Rhlm, Väropp, 6.uusttu pnos(rennusteto Oy, Tmpere 1997), s. 29-34. [9] B.Frser, C. Murphy j F.Buntng, Värnhllnt (Edt Prm Oy, Helsn 2004), s. 30-36 20