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
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COLORIMETRIA per i Beni Culturali
Claudio Oleari, Università di Parma
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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.
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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.
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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
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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)
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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)
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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]
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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
____________________________________________________
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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).
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SPETTROFOTOMETRO
COLORIMETRO
“Spectral reflectance factor”
R( λ ) =
Φλ ,Ω ,campione
Φλ ,Ω ,riferimento ideale
Φ flusso
Ω geometria di illuminazione e di visione
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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).
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COLORIMETRIA dei
COLORI
FLUORESCENTI
Colori fluorescenti
UV
D65+UV
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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
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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
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Temperatura
e termocromismo!!!!
CALCOLI
COLORIMETRICI
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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
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