Цветовая температура и источники света

В телевидении и фотографии, когда говорят об источниках света, пользуются термином «цветовая температура».

Цветовая температура – это температура, до которой нагрето воображаемое абсолютно черное тело, излучающее свет вследствие нагрева.

Согласно физической теории, спектр света, произведенного нагреванием, зависит главным образом от температуры тела, а не от материала. Это важнейшее утверждение было доказано Максом Планком, который вывел формулу, объясняющую взаимосвязь между максимальными длинами излучаемых волн и температурой, до которой нагрето тело:

λ_m = 2896/T (29)

Здесь λ_m – длина волны, а Т – температура в градусах Кельвина.

Рис. 2.15. Типичный источник света 3200° К с вольфрамовой лампой, используемый при фотосъемках

Из диаграммы на рис. 2.16 видно, что максимальные значения различных температур находятся вне видимого спектра, то есть в инфракрасной области. Для нити накаливания из вольфрама рабочая цветовая температура приблизительно равна 2800° К, и больше чем 3/4 энергии излучается в инфракрасной области в виде теплового излучения. Тепло – это не что иное, как инфракрасный свет. Более высокую температуру для вольфрамовой лампы использовать нельзя, потому что точка плавления вольфрама равна примерно 3500° К. Увеличение температуры выше 2800° К значительно сократит срок службы вольфрамовой лампы. Чтобы минимизировать горение нити, в современных вольфрамовых лампах воздух из лампочки выкачивается.

Рис. 2.16. Спектральная характеристика черного тела при различных температурах

Вольфрамовые лампы годятся для ч/б камер, так как они более чувствительны к инфракрасной части спектра. Цветным камерам нужно обеспечивать компенсацию желтого/красноватого цвета, производимого источником света в 2800° К.

Для более точного тестирования камер очень часто используются источники света с цветовой температурой примерно 3200° К. Их можно приобрести в магазинах, торгующих профессиональной фототехникой. Имеется достаточно простое правило, которое позволит вам посчитать цветовую температуру и световой поток таких источников света:

– вольфрамовая лампа 500 Вт → 3200° К (примерно 27 люменов/Вт)

– вольфрамовая лампа 200 Вт →2980° К (примерно 17.5 люменов/Вт)

– вольфрамовая лампа 75 Вт → 2820° К (примерно 15.4 люмена/Вт)

В фотоаппаратах это компенсируется синими (дополнительный цвет) оптическими фильтрами, помещенными непосредственно на объектив, тогда как в электронных камерах это делается с помощью электроники: информация об основных цветах меняется до определенного процентного соотношения.

Большинство телекамер, которые используются для видеонаблюдения, имеют функцию «автоматический баланс белого» (automatic white balance, AWB). Это означает, что цветовая температура автоматически настраивается при включении телекамеры, когда она «увидит» достаточную область белого цвета. Более совершенные телекамеры умеют перенастраивать баланс белого «на лету».

Для этого не требуется выключения и повторного включения телекамеры. Такая функция обычно называется автоматическим отслеживанием баланса белого (automatic tracking white, ATW ), и она особенно полезна в поворотных телекамерах, которые ведут наблюдение за большими площадями, где, например, могут быть зоны, освещенные как вольфрамовыми, так и неоновыми лампами.

Рис. 2.17. Стандартные источники света

Солнце, как естественный источник света, имеет очень высокую физическую температуру, но эквивалентная цветовая температура света, которую мы получаем на поверхности Земли, колеблется в зависимости от времени суток и погодных условий. Это происходит в результате отражения и преломления света в атмосфере. Как видно из рис. 2.19 «Цветовая температура для различных источников света», в ясный полдень цветовая температура достигает более 20000° К, тогда как в облачный день она понижается почти до 6000° К. Именно поэтому фотографии, снятые на закате, кажутся красноватыми.

Чем ниже цветовая температура, тем более красными будут снимки, и чем выше цветовая температура, тем больше будет синего цвета.

Искусственные источники света имеют различные цветовые температуры, в зависимости от источника. Вышеупомянутая формула (29) применима только к тепловым источникам, то есть к источникам света, в которых металл нагрет до высокой температуры. Однако существуют и газовые источники света, в которых происхождение света имеет другой характер. Например, свечение неона или паров ртути возникает под воздействием электромагнитного поля. Атомы возбуждаются энергией, достаточной для того, чтобы вызвать определенные реакции атома, и энергия высвобождается в форме света. Вследствие квантового поведения атомов этот свет имеет дискретный характер. Длины волн будут зависеть от используемого газа. Некоторые стеклянные электронные лампы, в которых используются такие газы, изнутри покрыты флуоресцентным порошком, который способен поглощать некоторые основные волны и затем восстанавливать непрерывный вторичный спектр видимого света.

Газовые источники света можно также описать их цветовой температурой, только в этом случае мы используем так называемую корреляционную цветовую температуру.

В целях получения контрольной точки и правильного воспроизведения цветов были определены стандартные источники белого света. На практике используется несколько определений (стандартов). Эти стандартные источники белого света обозначаются как А, В, С, D₆₅₀₀ и W.

Источник А – самый обычный стандарт, поскольку он представлен вольфрамовой лампой, которая для уменьшения горения нити заполняется газом. Именно поэтому большинство других, позднее разработанных, стандартов основано на источнике А.

Как уже упоминалось, при определенной температуре характеристики вольфрамовой лампы во многом совпадают с излучением абсолютно черного тела. Это означает, что спектр источника А, при определенной температуре, может быть представлен только одной характеристикой – температурой, равной температуре абсолютно черного тела. Если быть точными, реальная температура вольфрама и абсолютно черного тела, при которой их спектры считаются идентичными, не совсем одинакова. Абсолютно черное тело приблизительно на 50° К горячее. Характеристика спектра стандартного источника А определяется как цветовая температура 2854° К, тогда как реальная температура нити – приблизительно 2800° К. Однако это различие незначительно, и теоретическое приближение правомерно и принимается в качестве дескриптивного фактора для цветовой температуры таких источников.

Источник стандарта В излучает белый свет, аналогичный прямому солнечному полуденному свету.

Источник В можно получить, фильтруя свет из источника А через специальный светофильтр.

Точно так же, используя другой тип светофильтра, можно получить стандартный источник света С.

Как видно из диаграммы, характеристики источников В и С нельзя представить в виде цветовой температуры абсолютно черного тела. Однако если цвет абсолютно черного тела выглядит аналогично источнику В или С, мы пользуемся термином «корреляционная цветовая температура». Так, корреляционная температура источника В равна 4880° К, источника С – 6740° К.

В 1965 г. Международный комитет по свету (CIE) предложил новый стандартный источник света, который, предположительно, представлен средней цветовой температурой дневного света и обозначается как стандарт D. Рекомендуемая корреляционная цветовая температура для стандарта D равна 6500° К, поэтому данный стандарт обозначается D₆₅₀₀. Этот источник света нельзя получить посредством изменения источника А, но его спектральная характеристика приближается к некоторыми другим физическим источникам, как в случае соразмерного смешения трех люминесцентных слоев ЭЛТ цветного монитора. Говоря о системах видеонаблюдения, нам важно помнить этот факт, поскольку D₆₅₀₀ часто рекомендуется для цветных мониторов.

Рис. 2.18. Рассеяние спектральной энергии различных источников света

Рис. 2.19. Цветовая температура различных источников света

Наконец, существует еще один, фиктивный источник света с однородным распределением излучаемой энергии, которая внешне напоминает плоскую горизонтальную линию. Он используется только для вычислений и обозначается кодом W. Человеческий глаз легко приспосабливается к разнице цветовых температур, и наш мозг автоматически компенсирует цветовые вариации различных источников света. Светочувствительные слои пленки, ЭЛТ и ПЗС‑матрицы несколько отличаются друг от друга. При использовании пленочных фотоаппаратов для корректировки цветовой температуры нужно пользоваться специальной пленкой или оптическими фильтрами. При работе с телекамерами компенсация производится при помощи электроники (вручную или автоматически).

Наконец, как уже упоминалось, необходимо учитывать цветовую температуру экрана монитора. Температура большинства ЭЛТ равна 6500° К, но некоторые могут иметь более высокую (9300° К) или низкую (5600° К) температуру.