Master Verona_5-Sorgenti di luce
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Master Verona_5-Sorgenti di luce
06/09/2009 [email protected] Claudio Oleari Università degli Studi di Parma - Dipartimento di Fisica Campus, Viale GP Usberti 7/A 43100 Parma tel 0521-905214 Misurazione del colore: Sorgenti di luce Colore superficiale 5 COLORIMETRIA per i Beni Culturali Claudio Oleari, Università di Parma 1 06/09/2009 SPECIFICAZIONE DEL COLORE • Specificazione assoluta del colore associato a una radianza spettrale, tipica delle luci, (X, Y, Z), (Y; x, y), (Y; λd, pe), ... . • Specificazione relativa del colore, tipica delle sorgenti di luce e degli oggetti illuminati: La specificazione del colore deve essere associata • all’osservatore scelto (CIE 1931, CIE 1964 o altro); • all’illuminante scelto, nel caso si tratti di colore superficiale; • alla geometria di illuminazione e di visione usata nella misurazione, essendo la misura dipendente da questa; • al tipo di dati spettrali (larghezza di banda e passo con cui lo spettro è scandagliato); • alla tecnica usata nei calcoli colorimetrici. 1. Per le sorgenti di luce si considera la radiazione inviata all’osservatore dal diffusore riflettente (o trasmittente) ideale da queste illuminato; 2. Il colore di un corpo non autoluminoso è riferito al diffusore riflettente (o trasmittente se il corpo è visto in trasmissione) ideale ugualmente illuminato, la cui luminanza riflessa è posta convenzionalmente uguale a 100 (o a 1); 3. Le misurazioni spettrali della radiazione emergente dal corpo possono essere fatte secondo differenti geometrie, la cui scelta è regolata da norme CIE; al cambiare della geometria di illuminazione e di visione la specificazione del colore può cambiare, mettendo in evidenza l’effetto superficiale dei campioni nella valutazione del colore, sia visiva che strumentale. 2 06/09/2009 SORGENTI e ILLUMINANTI Sorgenti di luce e illuminanti standard CIE • radiazione d’illuminante {illuminant} è una radiazione con distribuzione spettrale di potenza numericamente definita • radiazione di sorgente {source} è una radiazione fisicamente emessa da una sorgente. Distribuzione spettrale di potenza emessa assoluta Sλ [W/nm] e relativa S(λ). La grandezza relativa è generalmente riferita al valore assunto alla lunghezza d’onda di 560 nm posto convenzionalmente uguale a 100. L’intervallo spettrale 300 ÷ 830 nm è richiesto per valutare la fluorescenza di corpi fluorescenti. 3 06/09/2009 Tipi di radiazione emessa da sorgenti: 1) radiazione emessa per incandescenza e dipendente dalla sola temperatura: essa è detta radiazione termica o radiazione di corpo nero e non dipende dalla natura del corpo che la emette; 2) radiazione emessa dal corpo per eccitazione di vario tipo: è detta luminescenza, dipende dalla natura del corpo e, molto schematicamente, si suddivide in: • fotoluminescenza, se l’eccitazione è dovuta all’assorbimento di radiazione elettromagnetica (si distingue in fluorescenza se la luminescenza cessa col cessare dell’illuminazione e fosforescenza se persiste, con intensità decrescente, oltre la cessazione dell’eccitazione), • elettroluminescenza, se la luminescenza avviene per passaggio di corrente (per esempio i LED), • catodoluminescenza, se la luminescenza è dovuta a bombardamento con raggi catodici (per esempio cinescopi televisivi) • chemiluminescenza, se la luminescenza avviene per trasformazione chimica, • luminescenza per scarica nei gas, nei quali l’eccitazione è generata dal passaggio di una corrente. Radiazione termica o di corpo nero emettitore pieno o planckiano {black-body radiator, full radiator, Planckian radiator}. L’emettenza radiante spettrale {exitance} del corpo nero è descritta dalla formula di Planck 7000 K Me,λ 6000 K 5000 K 4000 K M e ,λ = c1 λ e 5 1 c2 /( λT ) −1 [Wm−3] 0 1000 2000 [nm] 3000 10000 K 9000 8000 7000 la lunghezza d’onda è espressa in metri, la temperatura in Kelvin c1 = 3.74183 × 10−16 [Wm2] c2 = 1.4388 × 10−2 [Wm] e = 2.718282 base neperiana 6000 5000 4000 3000 2000 1000 300 400 500 600 700[nm]800 4 06/09/2009 temperature di colore Tc [Kelvin] temperatura di colore prossimale o correlata {correlated} Tcp. A D65 CB y x 2000 5000 (Tratto da “R. Jackson, L. MacDonald, K. Freeman, “Computer Generated Color”, Wiley, 1994) 1000 K 10000 ∞ y x Distribuzione spettrale di potenza Illuminante equienergetico E 400 500 600 700 [nm] Tcp = 5456 K (x=0.3333, y=0.3333) CRI = 93 D55 (x = 0.3339, y = 0.3488) 5 06/09/2009 Sorgenti standard della CIE A: temperatura del filamento ≈ 2856 K B: temperatura di colore prossimale ≈ 4900 K C: temperatura di colore ≈ 6800 K Nella pratica colorimetrica solo l’illuminante A ha ancora un ruolo importante mentre l’illuminante C è sostituito dal D65. A Distribuzione spettrale di potenza relativa B C 300 400 500 600 700 [nm] OPN, 10,No.3, pag 29 (1999) 6 06/09/2009 Incandescent Lamp Fluorescent Lamp Mercury Vapor Lamp Metal Halide Lamp High-Pressure Sodium Lamp Low-Pressure Sodium Lamp 350 400 450 500 550 600 650 700 nm Lampade Fluorescenti tabulate dalla CIE F2 {cool white} F7 {daylight fluorescent} F11 {white fluorescent} .Normale . banda larga .Tre bande three bands {white} 400 500 F11 Large band {daylight} F7 normal {cool white} F2 600 700 [nm] 7 06/09/2009 Sorgente/lampada Luminanza media cd/m2 Xeno ad arco corto 200 000 ÷ 5 000 000 000 Sole 1 600 000 000 Alogena 10 000 000 ÷ 60 000 000 Incandescente 20 000 000 ÷ 26 000 000 Fluorescente compatta 20 000 ÷ 70 000 Fluorescente 5 000 ÷ 30 000 Nubi illuminate dal sole 10 000 Candela 7 500 Cielo blu 5 000 Specular louvred luminare 100 Illuminazione media in interno 50 ÷ 500 Carta Bianca a 500 lx 100 Carta Bianca a 5 lx 1 Situazioni di illuminamento (stima media) [lux] 100.000 luce naturale ore 12 cielo sereno 65.000 luce naturale ore 10 cielo sereno 35.000 luce naturale ore 15 cielo coperto 32.000 luce naturale ore 12 cielo coperto 25.000 luce naturale ore 10 cielo coperto 2.000 luce naturale un’ora dopo l’alba, cielo coperto 1.000 interno, lampade fluorescenti + luce finestra 1.000 luce naturale un’ora prima dell’alba 800÷700 catene di montaggio 700÷500 grandi magazzini 500÷400 interni con lampade fluorescenti 300÷200 interni 200÷100 scale interne ____________________________________________________ 8 06/09/2009 DAY CABINA DI LUCE D65 CWF CWF U30 U30 A A CWF=Cool White broad band Fluorescent, 4000K, CRI=62 U30=Ultramarine narrow Triphosphor Fluorescent , 3000K, CRI=85, (per punto di vendita americano) UV D65+UV 9 06/09/2009 COLORIMETRIA delle SORGENTI DI LUCE SPETTRORADIOMETRO Tavoletta ideale bianca e lambertiana oculare Specchio di Pritchard Sλ obiettivo spettro spettrometro Fenditura d’ingresso Immagine Monocromatica della fendiyura d’ingresso sul piano della fenditura d’uscita 10 06/09/2009 SPECIFICAZIONE CIE DEL COLORE DI UNA SORGENTE DI LUCE 1) distribuzione spettrale di potenza relativa S(λ): si misura •si misura la distribuzione spettrale Peλ raccolta dalla sfera d’integrazione o riflessa dalla superficie bianca illuminata dalla sorgente che si vuole specificare; •si misura la distribuzione spettrale Pe,c,λ della sorgente campione in uguali situazioni geometriche; la distribuzione spettrale di potenza della sorgente da specificare risulta S (λ ) = k Pe ,λ Pe ,c ,λ S c (λ ) con P k = e,λ =560 Pe,c ,λ =560 −1 tale che S(λ = 560) = Sc(λ = 560) =1. (per scala percentuale S(λ = 560) = 100). 2) specificazione colorimetrica (osservatore standard CIE 1931 or CIE 1964) 780 X = K ∫ S ( λ ) x ( λ ) dλ con 380 780 Y = K ∫ S ( λ ) y ( λ ) dλ 380 780 K = 100 / 780 Z = K ∫ S ( λ ) z ( λ ) dλ 380 ∫ S ( λ ) y (λ )dλ 380 Y=100 , X, Y, Z , numeri puri. La cromaticità è sufficiente per specificare la sorgente x = X / (X + Y + Z) , y = Y / (X + Y + Z). COLORIMETRIA del COLORE NON AUTOLUMINOSO le regole le basi strumentali e gli strumenti il calcolo colorimetrico 11 06/09/2009 SPECIFICAZIONE DEL COLORE SUPERFICISALE Sorgente-Campione-Analizzatore Sorgente-Campione-Analizzatore occhio Analizzatore di spettro Sorgente Sorgente campione / riferimento campione / riferimento BRDF {Bi-directional spectral Reflectance Distribution Function} Le GEOMETRIE di ILLUMINAZIONE e di VISIONE 12 06/09/2009 Geometrie di Misurazione Standard CIE : 0/45 e 45/0 fotorivelatore 8° fotorivelatore 45° 45° 8° riferimento riferimento GEOMETRIA 45°- ANULARE (45°a) spettrometro 45° campione riferimento 13 06/09/2009 GEOMETRIE DI MISURAZIONE STANDARD CIE CON SFERA D’INTEGRAZIONE 0/diff diff/0 SPIN / SPEX SCI/SCE 8°8° 8°8° 8°8° 8°8° COLORIMETRO a TRISTIMOLO 14 06/09/2009 COLORIMETRO A TRISTIMOLO (45 /0 ) R(λ) JENcolour provino / riferimento Filtro UV Sorgente che simula una sorgente standard, e.g. D65 COLORIMETRO A TRISTIMOLO •Osservatore fisso: tre fotorivelatori abbinati a tre opportuni filtri in modo da riprodurre una combinazione lineare delle funzioni colorimetriche di un osservatore standard •Illuminante fisso (quello riprodotto dallo strumento) •Geometria di misurazione standard •Generalmente misura approssimata (sufficiente e utile per il controllo di qualità senza confronto tra laboratori diversi). 15 06/09/2009 SPETTROFOTOMETRO COLORIMETRO “Spectral reflectance factor” R( λ ) = Φλ ,Ω ,campione Φλ ,Ω ,riferimento ideale Φ flusso Ω geometria di illuminazione e di visione 16 06/09/2009 1 2 3 4 5 6 7 Corpi visti in riflessione (Colori superficiali di oggetti non autoluminosi) • fattore di luminanza {luminance factor} β = Lv / Lv,n = Y / 100 Y = Lv / Lv,n 100 = β 100. • fattore di luminanza percentuale Il fattore di luminanza% del diffusore riflettente ideale ≡ 100. La specificazione del colore, attuata con spettrofotometri, richiede: • la misurazione del fattore di riflessione spettrale R(λ) da attuarsi secondo definita geometria • il calcolo colorimetrico (la specificazione del colore superficiale in relazione all'illuminante considerato risulta solo dal calcolo). Si ha un risultato per ogni geometria di misurazione. Noto R(λ) (o β(λ) oppure ρ(λ)) e scelto un illuminante S(λ), si procede al calcolo dei valori del tristimolo (osservatore standard CIE 1931 o osservatore CIE 1964 o altro) 780 780 780 X = K ∫ S (λ ) R( λ ) x (λ ) dλ , Y = K ∫ S (λ ) R( λ ) y ( λ )dλ , Z = K ∫ S ( λ ) R ( λ ) z (λ ) dλ 380 380 con 380 780 K = 100 / ∫ S (λ ) y (λ )dλ 380 X, Y, Z adimensionali ; Y = fattore di luminanza percentuale. La specificazione del colore viene solitamente data nella forma (Y; x, y). 17 06/09/2009 COLORIMETRIA dei COLORI FLUORESCENTI Colori fluorescenti UV D65+UV 18 06/09/2009 Coppia di colori fluorescenti ripresi sotto luce diurna (a sinistra) e sotto luce UV di cabina di luce (a destra). Il fattore di riflessione spettrale, misurato col metodo del singolo monocromatore, supera ampiamente il valore del 100%. MEASURAZIONI IN TRASMISSIONE 19 06/09/2009 0°/0° “transmittance” spettrometro provino I Iin Aria come referimento Iin “Spectral transmittance” Φ λ ,Ω,campione τ (λ ) = Φ λ ,Ω ,aria Φ flusso Ω geometria di illuminazione e di visione 20 06/09/2009 Temperatura e termocromismo!!!! CALCOLI COLORIMETRICI 21 06/09/2009 CALCOLO DEI VALORI DEL TRISTIMOLO DATI SPETTRALI GREZZI IF ∆λ ≤ 1 nm THEN ELSE OR SCELTE •osservatore (CIE 1931, CIE 1964, …) •illuminante (A, B, C, D65, …, F11, …) deconvoluzione interpolazione pesi ottimizzati ASTM 1996 pesi ottimizzati ASTM 1985 funzioni colorimetriche 1 nm CIE funzioni colorimetriche 1 nm CIE VALORI DEL TRISTIMOLO 22