標準光源

標準光源は、公開されているスペクトルパワー分布を持つ理論上の可視光源です。標準光源は、異なる照明下で記録された画像や色を比較するための基準を提供します。

国際照明委員会(通常、フランス語名にちなんでCIEと略される) は、よく知られているすべての標準光源の発行を担当する機関です。これらの標準光源はそれぞれ、文字または文字と数字の組み合わせで知られています。

光源 A、B、C はそれぞれ平均的な白熱灯、直射日光、平均的な昼光を表す目的で 1931 年に導入されました。光源 D (1967) は昼光のバリエーションを表し、光源 E は等エネルギー光源、光源 F (2004) はさまざまな組成の蛍光灯を表します。

古い光源に対応する光源（「標準光源」）を実験的に生成する方法についての指示があります。比較的新しい光源（シリーズDなど）については、実験者が光源のプロファイルを測定し、公開されているスペクトルと比較する必要があります。^[1]

現時点では、CIE 標準光源 D65 または CCT の異なる他の光源 D を実現するために推奨されている人工光源はありません。光源とフィルターの新たな開発により、最終的には CIE 推奨の十分な基盤が提供されることが期待されます。

—  CIE、技術レポート（2004）色彩測定法、第3版、出版物15：2004、CIE中央事務局、ウィーン

それでも、彼らは日光シミュレーターの品質を評価するためのメタメリズム指数と呼ばれる尺度を提供しています。[2] [3] メタメリズム指数は、^{テスト光源}と基準光源の下で5セットのメタメリックサンプルがどれだけよく一致するかをテストします。演色評価数と同様の方法で、メタメリック間の平均差が計算されます。^[4]

CIE は光源 A を次のように定義しています。

CIE 標準光源 A は、一般的な家庭用タングステン フィラメント照明を表すことを目的としています。その相対スペクトル パワー分布は、約 2856 K の温度におけるプランク放射体の分布です。異なる光源を使用する特別な理由がない限り、白熱照明を使用する測色アプリケーションでは必ず CIE 標準光源 A を使用する必要があります。

—  CIE、CIE 測色標準光源

黒体のスペクトル放射発散度はプランクの法則に従います。

${\displaystyle M_{e,\lambda }(\lambda ,T)={\frac {c_{1}\lambda ^{-5}}{\exp \left({\frac {c_{2}}{\lambda T}}\right)-1}}.}$

光源 A を標準化した時点では、（相対 SPD には影響しない）とが異なっていました。1968 年に、c ₂の推定値は 0.01438 m·K から 0.014388 m·K に修正されました（それ以前は、光源 A が標準化されたときは 0.01435 m·K でした）。この違いによりプランク軌跡が移動し、光源の色温度が公称 2848 K から 2856 K に変わりました。 ${\displaystyle c_{1}=2\pi \cdot h\cdot c^{2}}$${\displaystyle c_{2}=h\cdot c/k}$

${\displaystyle T_{new}=T_{old}\times {\frac {1.4388}{1.435}}=2848\ {\text{K}}\times 1.002648=2855.54\ {\text{K}}.}$

色温度のさらなる変化を避けるために、CIEは現在、c2の元の値（1931年）に基づいてSPDを直接指定しています_。 [ ^1]

${\displaystyle S_{A}(\lambda )=100\left({\frac {560}{\lambda }}\right)^{5}{\frac {\exp {\frac {1.435\times 10^{7}}{2848\times 560}}-1}{\exp {\frac {1.435\times 10^{7}}{2848\lambda }}-1}}.}$

係数は、 560 nmで正規化された SPD が100になるように選択されています。三刺激値は( X、Y、Z ) = (109.85、 100.00、 35.58)であり、標準観察者を使用した色度座標は( x、y ) = (0.44758、 0.40745)です。

光源 B と C は、簡単に実現できる日光シミュレーションです。これらは、液体フィルターを使用して光源 A を変更します。B は相関色温度(CCT) が 4874 K の正午の太陽光の代表として機能し、C は CCT が 6774 K の平均的な日光を表します。残念ながら、これらは自然日光のどの位相にも近似しておらず、特に短波可視光線と紫外線スペクトル範囲では劣っています。より現実的なシミュレーションが実現可能になると、光源 B と C は廃止され、代わりに D シリーズが採用されました。^[1]

光源 C は CIE 標準光源のステータスを持っていませんが、多くの実用的な測定機器や計算で依然としてこの光源が使用されているため、相対的なスペクトル分布、三刺激値、および色度座標が表 T.1 および表 T.3 に示されています。

—  CIE、出版物15:2004 ^[5]

2004 年、イルミナント B はそれほど名誉を受けませんでした。

1931年にレイモンド・デイビスとカッソン・S・ギブソンによって設計された液体フィルター^[6]は、スペクトルの赤端で比較的高い吸収率を持ち、白熱電球のCCTを昼光レベルまで効果的に高めます。これは、今日の写真家や映画撮影者が使用するCTBカラージェルと機能的に似ていますが、利便性ははるかに劣ります。

各フィルターは、蒸留水、硫酸銅、マンナイト、ピリジン、硫酸、コバルト、硫酸アンモニウムの特定量からなる 2 つの溶液を使用します。溶液は無色のガラス板で分離されています。成分の量は、組み合わせによって色温度変換フィルターが生成されるように慎重に選択されます。つまり、フィルターされた光は白色のままです。

Dシリーズの光源は、自然光を表すように設計されており、日光軌跡に沿って配置されています。人工的に生成するのは困難ですが、数学的に特徴付けるのは簡単です。

1964年までに、オタワのカナダ国立研究会議のHW Budde 、ニューヨーク州ロチェスターのイーストマン・コダック社のHR ConditとF. Grum 、^[7]およびロンドン北部のエンフィールドのThorn Electrical IndustriesのST HendersonとD. Hodgkiss ^{[8]によって、日光のスペクトル分布}（SPD）がいくつか独立して測定され、合計622のサンプルが測定されました。Deane B. Judd、David MacAdam、およびGünter Wyszeckiはこれらのサンプルを分析し、 （x、y）色度座標が単純な二次関係に従うことを発見しました。これは後に日光軌跡として知られるようになりました。^[9]

${\displaystyle y=2.870x-3.000x^{2}-0.275.}$

特性ベクトル解析により、SPDは平均（S0）と最初の2つの特性ベクトル（S1とS2）を使用して十分に近似できることがわかっ_た。_[ 10 _] [ ^{11 ]}

${\displaystyle S_{D}(\lambda )=S_{0}(\lambda )+M_{1}S_{1}(\lambda )+M_{2}S_{2}(\lambda ).}$

簡単に言えば、研究対象の日光サンプルの SPD は、3 つの固定 SPD の線形結合として表すことができます。最初のベクトル (S ₀ ) はすべての SPD サンプルの平均であり、固定ベクトルのみで形成できる再構成された最良の SPD です。2 番目のベクトル (S ₁ ) は黄色と青の変化 (軌跡に沿って) に対応し、間接日光と直射日光の割合による相関色温度の変化を説明します。 ^[9] 3 番目のベクトル (S ₂ ) は、蒸気やもやの形で水が存在することによって引き起こされるピンクと緑の変化 (軌跡全体) に対応します。^[9]

DシリーズがCIEによって公式化された頃には^[12]、特定の等温線の色度の計算が組み込まれていました。 ^[13]その後、Juddらは、地球の大気の月の分光吸収データを使用して、再構成されたSPDを300 nm～330 nmおよび700 nm～830 nmに拡張しました。 ^[14]現在CIEによって提示されている表形式のSPDは、10 nmデータセットを5 nmまで線形補間して導出されています。^{[15]ただし、代わりに}スプライン補間を使用するという提案があります。^[16]${\displaystyle (x,y)}$

同様の研究は世界の他の地域でも行われており、ジャッドらの分析を現代の計算手法で再現している。これらの研究のいくつかでは、日光軌跡はジャッドらの分析よりもプランク軌跡に著しく近いことがわかった。 ^{[17] [18]}

CIE は D65 を標準的な昼光光源として位置付けています。

[D65] は平均的な日光を表すことを目的としており、相関色温度は約 6500 K です。異なる光源を使用する特別な理由がない限り、代表的な日光を必要とするすべての色彩計算では、CIE 標準光源 D65 を使用する必要があります。日光の相対的なスペクトル分布は、季節、時間帯、地理的位置の関数として、特に紫外線スペクトル領域で変化することが知られています。

—  ISO 10526:1999/CIE S005/E-1998、CIE測色標準光源^[19]

Dシリーズ光源の相対スペクトルパワー分布（SPD）は、CIE 1931色空間における色度座標から求めることができます。^[20]まず、色度座標を決定する必要があります。 ${\displaystyle S_{D}(\lambda )}$${\displaystyle (x_{D},y_{D})}$

${\displaystyle x_{D}={\begin{cases}0.244063+0.09911{\frac {10^{3}}{T}}+2.9678{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-4.6070{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&4000\ \mathrm {K} \leq T\leq 7000\ \ \mathrm {K} \\0.237040+0.24748{\frac {10^{3}}{T}}+1.9018{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-2.0064{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&7000\ \mathrm {K} <T\leq 25000\ \mathrm {K} \end{件}}}$

${\displaystyle y_{D}=-3.000x_{D}^{2}+2.870x_{D}-0.275}$

ここで、T は光源の CCT です。標準光源 D ₅₀、D ₅₅、D ₆₅、および D ₇₅のCCT は、名前が示すものとは少し異なります。たとえば、D50 の CCT は 5003 K (「地平線」の光) ですが、D65の CCT は 6504 K (正午の光) です。これは、プランクの法則の定数の値が、これらの標準光源の定義以降わずかに変更されているためです。これらの標準光源の SPD は、プランクの法則の元の値に基づいています。^[1]同じ矛盾は、D シリーズのすべての光源 (D ₅₀、D ₅₅、D ₆₅、D ₇₅ ) に当てはまり、公称色温度に を掛けることで「修正」できます。たとえば、D ₆₅の場合は です。 ${\displaystyle {\frac {c_{2}}{1.4380}}}$${\displaystyle 6500\ {\text{K}}\times {\frac {1.438776877\dots }{1.4380}}=6503.51\ {\text{K}}}$

これらの座標に対応するDシリーズSPD（S _D ）を決定するために、特性ベクトルS ₁およびS ₂の係数M ₁およびM _{2 を}決定します。

${\displaystyle S_{D}(\lambda )=S_{0}(\lambda )+M_{1}S_{1}(\lambda )+M_{2}S_{2}(\lambda ),}$

${\displaystyle M_{1}=(-1.3515-1.7703x_{D}+5.9114y_{D})/M,}$

${\displaystyle M_{2}=(0.0300-31.4424x_{D}+30.0717y_{D})/M,}$

${\displaystyle M=0.0241+0.2562x_{D}-0.7341y_{D}}$

ここで、平均および最初の2つの固有ベクトルSPDは図に示されています。^[20]特性ベクトルは両方とも560 nmでゼロになります。これは、すべての相対SPDがこの点について正規化されているためです。標準光源の公開データのすべての有効桁と一致させるには、S _{Dを計算する前に、M 1}とM ₂の値を小数点以下3桁に丸めなければなりません。^[1]${\displaystyle S_{0}(\lambda ),S_{1}(\lambda ),S_{2}(\lambda )}$

標準2°観測者を用いた場合、D65のCIE 1931色空間 色度座標は^[21]

$${\displaystyle {\begin{aligned}x&=0.31272\\y&=0.32903\end{aligned}}}$$

XYZ三刺激値（ Y = 100に正規化）は、

$${\displaystyle {\begin{alignedat}{2}X&={}&95.047\\Y&={}&100{\phantom {.000}}\\Z&={}&108.883\end{alignedat}}}$$

補助的な10°観測者については、^{[引用が必要]}

$${\displaystyle {\begin{aligned}x&=0.31382\\y&=0.33100\end{aligned}}}$$ 対応するXYZ三刺激値は

$${\displaystyle {\begin{alignedat}{2}X&={}&94.811\\Y&={}&100{\phantom {.000}}\\Z&={}&107.304\end{alignedat}}}$$

D65 は白色光を表すため、その座標も白色点であり、相関色温度6504 Kに相当します。HDTVシステムで使用されるRec. 709 は、CIE 1931 座標を x=0.3127、y=0.329 に切り捨てます。

実際の昼光光源は存在せず、シミュレーターのみが存在する。Dシリーズ光源をエミュレートする実用的な光源を構築することは難しい問題である。色度は、よく知られている光源を採用し、フィルター付き白熱電球を使用したSpectralight IIIなどのフィルターを適用するだけで再現できる。^[22]しかし、これらの光源のSPDはDシリーズSPDから外れており、CIEメタメリズム指数のパフォーマンスが低下します。^{[23] [24]} 2010年代には、A、D、E光源を高いCRIで簡単にエミュレートできるリン光体コーティングされた白色LEDを使用した、より優れた光源が実現しました。 ^[25]

光源 E は等エネルギー放射体であり、可視スペクトル内で一定の SPD を持ちます。これは理論的な基準として有用であり、すべての波長に等しい重みを与える光源です。また、CIE XYZ三刺激値も等しいため、色度座標は (x,y)=(1/3,1/3) です。これは設計によるもので、XYZ 色マッチング関数は、可視スペクトル全体の積分が同じになるように正規化されています。^[1]

光源Eは黒体ではないため色温度を持たないが、CCTが5455KのDシリーズ光源で近似することができる。（標準光源の中ではD55_が最も近い。）メーカーは光源を光源Eと比較して励起純度を計算することがある。^[26]

Fシリーズの光源は、さまざまな種類の蛍光灯を表します。

F1～F6の「標準」蛍光灯は、カルシウムハロリン酸リン光体中のアンチモンおよびマンガン活性化による2つの半広帯域発光で構成されています。^{[27] F4は、CIE}演色評価数の較正に使用されたため特に注目されています（CRI式は、F4のCRIが51になるように選択されました）。F7～F9は、複数のリン光体とより高いCRIを備えた「広帯域」（フルスペクトル光）蛍光灯です。最後に、F10～F12は、可視スペクトルのR、G、B領域にある3つの「狭帯域」発光（希土類リン光体の3元組成による）からなる狭帯域3波長光源です。リン光体の重量を調整することで、目的のCCTを実現できます。

これらの光源のスペクトルはPublication 15:2004に掲載されている。^{[5] [28]}

• 
  FL 1～6 : 標準
• 
  FL 7～9 : ブロードバンド
• 
  FL 10～12 : ナローバンド

出版物 15:2018 では、CCT が約 2700 K から 6600 K の範囲にある さまざまな白色 LEDタイプ用の新しい光源が紹介されています。

LED-B1 から B5 は、蛍光体変換された青色光を持つ LED を定義します。LED-BH1 は、蛍光体変換された青色 LED と赤色 LED の混合を定義します。LED-RGB1 は、3 色 LED ミックスによって生成される白色光を定義します。LED-V1 と V2 は、蛍光体変換された紫色光を持つ LED を定義します。

標準光源のスペクトルは、他の光のプロファイルと同様に、三刺激値に変換できます。光源の 3 つの三刺激座標のセットは、白色点と呼ばれます。プロファイルが正規化されている場合、白色点は色度座標のペアとして同等に表現できます。

画像が三刺激座標（または三刺激座標に変換可能な値）で記録される場合、使用される光源の白色点は、蛍光がない場合に画像内の任意の点で記録される三刺激座標の最大値を示します。これは画像の白色点と呼ばれます。

ホワイト ポイントを計算するプロセスでは、光源のプロファイルに関する多くの情報が破棄されるため、すべての光源に対して正確なホワイト ポイントを計算できるのは事実ですが、画像のホワイト ポイントを知るだけでは、その画像を記録するために使用された光源について多くのことがわかるわけではありません。

標準化された光源、完全反射（または透過）拡散板のCIE色度座標（x,y）、および相関色温度（CCT）のリストを以下に示します。CIE色度座標は、2度視野（1931年）と10度視野（1964年）の両方で示されています。^{[29]色見本は、}色温度テンプレートを使用してWikipediaによって自動的に計算された各白色点の色を表しています 。

• CIE 15:2004 で公開されている Excel の選択された色彩表
• コニカミノルタセンシング：光源と照明