Цветовая температура светодиодных ламп и светильников

Введение.

По
нашим психологическим ощущениям цвета
бывают тёплыми и горячими, бывают
холодными и очень холодными. На самом
деле все цвета горячие, очень горячие,
ведь у каждого цвета есть своя температура
и она очень высокая. 
Любой
предмет в окружающем нас мире имеет
температуру, выше абсолютного нуля, а
значит, испускает тепловое излучение.
Даже лед, у которого отрицательная
температура, является источником
теплового излучения. В это трудно
поверить, но это так. В природе температура
-89°С не самая низкая, можно достичь ещё
более низких температур, правда, пока
что, в лабораторных условиях. Самая
низкая температура, которая на данный
момент теоретически возможна в пределах
нашей вселенной – это температура
абсолютного нуля и она равна -273,15°С. При
такой температуре прекращается движение
молекул вещества и тела полностью
перестают испускать любое излучение
(тепловое, ультрафиолетовое, а уж тем
более видимое). Полная тьма, нет ни жизни,
ни тепла. Возможно, кто-нибудь из вас
знает, что цветовая температура измеряется
в Кельвинах. Кто покупал себе домой
энергосберегающие лампочки, тот видел
надпись на упаковке: 2700К или 3500К или
4500К. Это как раз и есть цветовая температура
светового излучения лампочки. Но почему
измеряется в Кельвинах, и что означает
Кельвин? Эта единица измерения была
предложена в 1848г. Ульямом Томсоном (он
же лорд Кельвин) и официально утверждена
в Международной Системе единиц. В физике
и  науках, имеющих непосредственное
отношение к физике, термодинамическую
температуру измеряют как раз
Кельвинах. Начало
отчета температурной
шкалы начинается с точки 0Кельвин,
что означат —273,15
градуса Цельсия.
То есть 0К –
это и есть абсолютный
нуль температуры.
Можно легко перевести температуру из
Цельсия в Кельвин. Для этого нужно просто
прибавить число 273. Например, 0°С это
273К, тогда 1°С это 274К, по аналогии,
температура тела человека 36,6°С это 36,6
+ 273,15 = 309,75К. Вот так всё просто получается.

Чернее чёрного

С чего всё начинается? Всё начинается с нуля, в том числе и световое излучение. Черный цвет – это отсутствие света вовсе. С точки зрения цвета, черный – это 0 интенсивности излучения, 0 насыщенности, 0 цветового тона (его просто нет), это полное отсутствие всех цветов вообще. Почему мы видим предмет черным, а потому, что он почти полностью поглощает весь падающий на него свет. Существует такое понятие как абсолютно черное тело. Абсолютно черным телом называют идеализированный объект, который поглощает всё падающее на него излучение и ничего не отражающее. Конечно же, в реальности это недостижимо и абсолютно черных тел в природе не существует. Даже те предметы, которые кажутся нам черными, на самом деле не абсолютно черные. Но можно изготовить модель почти что абсолютно черного тела. Модель представляет собой куб с полой структурой внутри, в кубе проделано небольшое отверстие, через которое внутрь куба проникают световые лучи. Конструкция чем-то похожа на скворечник. Посмотрите на рисунок 1.

Рисунок 1 – Модель абсолютно черного тела.

Свет, попадающий внутрь сквозь отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Даже если мы покрасим куб в черный цвет, отверстие будет чернее черного куба. Это отверстие и будет являться абсолютно черным телом. В прямом смысле слова, отверстие не является телом, а только лишь наглядно демонстрирует нам абсолютно черное тело.
Все объекты обладают тепловым излучением (пока их температура выше абсолютного нуля, то есть -273,15 градусов по Цельсию), но ни один объект не является идеальным тепловым излучателем. Одни объекты излучают тепло лучше, другие хуже, и всё это в зависимости от различных условий среды. Поэтому, применяют модель абсолютно черного тела. Абсолютно черное тело является идеальным тепловым излучателем. Мы можем даже увидеть цвет абсолютно черного тела, если его нагреть, и цвет, который мы увидим, будет зависеть от того, до какой температуры мы нагреем абсолютно черное тело. Мы вплотную подошли к такому понятию как цветовая температура. Посмотрите на рисунок 2.

Рисунок 2 – Цвет абсолютно черного тела в зависимости от температуры нагревания.

а) Есть абсолютно черное тело, мы его не видим вообще. Температура 0 Кельвинов (-273 градуса Цельсия) – абсолютный нуль, полное отсутствие любого излучения.
б) Включаем «сверхмощное пламя» и начинаем нагревать наше абсолютно черное тело. Из-за того, что свет от пламени отражается от гладкой поверхности тела, мы можем увидеть форму предмета. Температура тела, посредством нагревания, повысилась до 273К.
в) Прошло ещё немного времени и мы уже видим слабое красное свечение абсолютно черного тела. Температура увеличилась до 800К (527оС).
г) Температура поднялась до 1300К (1027оС), тело приобрело ярко-красный цвет. Такой же цвет свечения вы можете увидеть при нагревании некоторых металлов.
д) Тело нагрелось до 2000К (1727оС), что соответствует оранжевому цвету свечения. Такой же цвет имеют раскаленные угли в костре, некоторые металлы при нагревании, пламя свечи.
е) Температура уже 2500К (2227оС). Свечение такой температуры приобретает желтый цвет. Трогать руками такое тело крайне опасно!
ж) Белый цвет – 5500К (5227оС), такой же цвет свечения у Солнца в полдень.
з) Голубой цвет свечения – 9000К (8727оС). Такой высокой температуры нет даже в центре Земли и в реальности, такую температуру теплового излучения получить невозможно. Мы можем лишь увидеть такой же голубой оттенок света, например, у светодиодных фонарей или других источников света. Цвет неба в ясную погоду примерно такого же цвета.Подводя итог ко всему вышесказанному, можно дать четкое определение цветовой температуры. Цветовая температура – это температура абсолютно черного тела, при которой оно испускает излучение того же цветового тона, что и рассматриваемое излучение. Проще говоря, температура 5000К – это цвет, который приобретает абсолютно черное тело при нагревании его до 5000 градусов Кельвина. Цветовая температура оранжевого цвета – 2000К, это означает, что абсолютно черное тело необходимо нагреть до температуры 2000 градусов Кельвина, чтобы оно приобрело оранжевый цвет свечения.
Но цвет свечения раскаленного тела не всегда соответствует его температуре. Если пламя газовой плиты на кухне сине-голубого цвета, это не значит, что температура пламени свыше 9000К (8727оС).  Расплавленное железо в жидком состоянии имеет оранжево-желтый оттенок цвета, что в действительности соответствует его температуре, а это примерно 2000К (1727оС).

Баланс белого

С настройками баланса белого особенно хорошо знакомы любители и профессионалы занимающиеся видео и фотосъемками. В меню каждой, даже самой простой мыльницы-фотокамеры, есть возможность настроить этот параметр. Значки режимов настройки баланса белого выглядят примерно так, как показано на рисунке 12.

Рисунок 12 – Режимы настройки баланса белого в фотокамере (видеокамере).

Сразу следует сказать, что истинный белый цвет объектов можно получить, если использовать источник света с цветовой температурой 5500К (это может быть солнечный свет, фотовспышка, другие искусственные осветители) и если сами рассматриваемые объекты белого цвета (отражают всё излучение видимого света). В остальных случаях белый цвет может быть лишь приближен к белому. Посмотрите на рисунок 13. На нем изображена та самая диаграмма цветности XYZ, которую мы недавно рассматривали, а в центре диаграммы помечена крестиком точка белого цвета.

Рисунок 13 – Точка белого цвета.

Отмеченная точка имеет цветовую температуру 5500К и как истинный белый цвет – она является суммой всех цветов спектра. Координаты у неё x = 0,33 и y = 0,33. Эта точка называется точкой равных энергий. Точка белого цвета. Естественно, если цветовая температура источника освещения 2700К, точка белого здесь и рядом не стоит, о каком уж тут белом цвете можно говорить? Там белых цветов никогда не будет! Белыми в данном случае могут быть только блики. Пример такого случая приведен на рисунке 14.

Рисунок 14 – Различная цветовая температура.

Баланс белого цвета – это установка значения цветовой температуры для всего изображения. При правильной установке вы получите цвета соответствующие тому изображению, которое вы видите. Если у получившегося снимка преобладают неестественные синие и голубые цветовые тона, значит, цвета «недостаточно нагреты», установлена слишком низкая цветовая температура сцены, необходимо её повысить. Если же на всём снимке преобладает красный тон – цвета «перегреты», установлена слишком высокая температура, необходимо её понизить. Пример тому — рисунок 15.

Рисунок 15 – Пример правильной и неправильной установки цветовой температуры

Цветовая температура всей сцены рассчитывается как средняя температура всех цветов данного изображения, поэтому в случае смешанных источников освещения или сильно отличающихся по цветовому тону цветов, фотокамера рассчитает среднюю температуру, что не всегда оказывается верно.
Пример одного такого некорректного расчета продемонстрирован на рисунке 16.

Рисунок 16 – Неизбежная неточность в установке цветовой температуры

Фотокамера не способна воспринимать резко отличающиеся яркости отдельных элементов изображения и их цветовую температуру так же, как зрение человека. Поэтому, чтобы сделать изображение почти таким же, как вы видели во время съемки, вам придется его корректировать в ручную в соответствии с вашим зрительным восприятием.

Светодиодное освещение

Освещение на диодах — один из наиболее распространенных типов осветительных приборов. Цветовая температура диодов характеризуется тремя основными оттенками:

1. Белый в теплой гамме (за рубежом обозначается как Warm White) — до 3300 К.
2. Натуральный белый (Neutral White) — до 5000 К.
3. Белый в холодной гамме (Cool White) — более 5000 К.

Температурные особенности светодиодов в значительной степени определяют сферы их применения. Прежде всего, диоды используются в уличном освещении, на рекламных билбордах, а также в автомобильной светотехнике.

Обратите внимание! Цветовая температура диодов позволяет не только установить контрастность, но и дает возможность определиться с тем, как будет восприниматься свет при смене погоды

Белый свет в холодной гамме

Самой большой точностью восприятия отличается солнечное освещение. Для прочих же источников света характерны значительно более низкие показатели. К примеру, для большинства светодиодных светильников показатель температуры находится в границах 5000-8000 Кельвинов. Средний показатель передачи по соответствующему индексу не превышает 65 единиц.

К достоинствам источников света в холодной цветовой гамме относится их высокая контрастность, что очень хорошо при освещении затемненных предметов. Светодиоды, благодаря возможности функционирования на больших расстояниях, — лучший выбор для освещения дорожного покрытия.

Нейтральный и теплый свет

Следует учитывать, что холодные оттенки в наибольшей степени искажают восприятие цветов. Для холодного цвета характерна резкость, благодаря чему достигается контрастность, однако для человеческого глаза это вредно.

Теплая гамма менее раздражающе действует на зрение. В диапазоне 2500-6000 К индекс цветопередачи повышается до 75-80 единиц, и подобные осветительные приборы показывают отличные результаты на незначительных расстояниях. Теплые и нейтральные тона демонстрируют явное преимущество при освещении в плохую погоду. К примеру, атмосферные осадки оказывают существенное влияние на качество холодного света, тогда как для теплых оттенков дождь или снег несущественны. Причина в том, что теплые источники позволяют рассмотреть не только сам объект, но и пространство возле него. Кстати говоря, по той же причине теплая гамма более эффективна под водой.

Заключение

Все характеристики освещения следует рассматривать в единстве. Цветовая температура связана с яркостью, контрастностью, что непосредственно сказывается на комфортности восприятия того или иного источника света. При этом для решения одних задач правильнее выбрать освещение в холодном спектре, для других же случаев оптимальным решением будет теплая цветовая гамма.

Одной из важных характеристик любого источника искусственного света является цветовая температура (Т с). Говоря простым языком, этот параметр показывает, каким является световой оттенок – теплым и желтоватым, нейтрально белым или голубовато-холодным. Цвет свечения светодиодных ламп, в отличие от ламп других типов, может находиться в гораздо более широком диапазоне значений. Именно поэтому в лампочках на основе светодиодов параметру T с уделяют особое значение.