OliNo

Naar aanleiding van een vraag voor uitleg over koud en warm licht heb ik dit hoofdstuk geschreven. Het hoofdonderwerp is kleurtemperatuur. Dit artikel is een naslagwerk, waarnaar ik kan refereren vanuit andere artikelen.

Overzichtstabel

Grootheid (Nl)	Grootheid (Eng)	Eenheid	Toelichting, link
Kleurtemperatuur	Color Temperature	K(elvin)	De kleurimpressie van een perfecte zwarte straler bij bepaalde temperaturen.
Spectrale vermogensverdeling of vermogensspectrum	Spectral power distribution (SPD)	energie per Hertz	Het uitgestraalde vermogen van de lamp voor iedere golflengte in het zichtbare gebied (van 380 tot 760 nm).
Dominante golflengte	Hue	nm
Kleursoort	Chromaticity
Gecorreleerde kleurtemperatuur	Correlated color temperature	K(elvin)	Methode om een kleurtemperatuur toe te wijzen aan een kleur dichtbij de plaats van zwarte lichamen
Plaats van zwarte lichamen	Planckian locus	K(elvin) in xy vlak	De lijn van xy punten in een kleursoort diagram die de kleursoorten/tinten van zwarte lichamen bij verschillende temperaturen vertegenwoordigen

Kleurtemperatuur

De internationale commissie over verlichting CIE stelt het volgende:

De kleurtemperatuur van een bepaalde lamp wordt bepaald door de kleursoort van de kleur van die lamp gelijk te leggen aan de kleurtemperatuur van een Planckse straler met dezelfde kleursoort.

Kleursoort is de kwaliteit van een kleur zoals bepaald door de “puurheid” en de “dominante golflengte”.

Puurheid in deze context is ongeveer gelijk aan de term “saturatie”; hoe lager het saturatieniveau van een kleur, des te meer grijzig en flets de kleur is.

De dominante golflengte is vergelijkbaar met de kleurtoon die we herkennen in de lamp. Normaliter zal een lamp een serie van golflengtes stralen, maar wat wij met ons oog ervan ervaren is een bepaalde kleur, en die kleur is dan de dominante golflengte van die lamp. Let op, ook al lijkt alles wel op wit, er zijn verschillende kleurtonen wit. Dit is wat we met de kleurtemperatuur bedoelen.

Een zwarte straler (= Planckse straler) is een theoretisch object dat alle straling die het raakt, absorbeert. Het reflecteert dus niets en lijkt perfect zwart. Bijvoorbeeld grafiet komt dicht in de buurt, en absorbeert bijna alle licht en straling die erop valt.

Bij een bepaalde temperatuur zal deze zwarte straler ook zelf stralen, en omdat het een zwarte straler is, zal deze ook het maximale stralen wat mogelijk is voor deze temperatuur.

Figuur 1: Zwarte straler stralingscurves met piek golflengtes bij verschillende temperaturen

Bij iedere temperatuur zie je dat er een bepaalde golflengte is waarbij de straling maximaal is. Bij verhoging van de temperatuur zal er uiteindelijk ook zichtbaar licht uitgestraald worden. De hoeveelheid straling neemt ook toe (vooral veel infrarode straling, wat wij ervaren als warmte). Een gloeilamp blijkt erg goed een zwarte straler te benaderen.

Terugkomende op de definitie van kleurtemperatuur: de kleurtoon van een te beschouwen lamp wordt vergeleken met dezelfde kleurtoon van een zwarte straler van een bepaalde temperatuur. Deze temperatuur wordt dan de kleurtemperatuur van deze lamp genoemd.

Een kleine tabel met wat voorbeelden, die ik ook gemeten heb.

lamp-ID	Kleurtemperatuur	Opmerkingen
60 W gloeilamp	2650 K	Zie meetartikel gloeilampen, de 60 W gloeilamp
50 W halogeenlamp	2550 K	Zie meetartikel halogeenlampen, de 50 W halogeenlamp
Ikea 4 W spaarlamp	2650 K	Zie meetartikel spaarlampen, de Ikea 4 W
Par38 70led lamp	2850 K
Spaarspotlamp	2700 K	Zie meetartikel spaarlampen, de Philips 7W
Zonnige dag in maart	5500 K
Bewolkte dag in maart	6800 K

Terug naar tabel.

Spectrale vermogensverdeling of -vermogensspectrum

Ik heb al gesproken over stralingscurves van een zwarte straler. Deze laten zien hoe sterk (met welk vermogen) de verschillende stralingsfrequenties uitgezonden worden. Dit is wat we noemen een spectrale vermogensverdeling. In het geval van lampen is het zichtbare licht interessant. Ik geef een paar voorbeelden.

Figuur 2: spectrale vermogensverdeling gloeilamp 60 W

Figuur 3: spectrale vermogensverdeling halogeenlamp 50 W

Je ziet hier heel mooi het gedrag van een zwarte straler, vergelijk ook maar eens figuur 1, er is veel infrarode straling (warmte) en de piek ligt bij golflengtes groter dan die van zichtbaar licht.

Figuur 4: spectrale vermogensverdeling spaarlamp 4W

Wat een rommeltje nietwaar? Een serie van pieken bij verschillende golflengtes. Deze zijn afkomstig van de gebruikte fosforen in de buis van de spaarlamp, en deze fosforen geven ieder bij een bepaalde golflengte een hoop straling af. Het mooie is dat de som van al deze straling weer mooi een wit licht oplevert.

Het is wel belangrijk te realiseren dat een kleurtemperatuur alleen dus niet alles zegt. Het is zo dat vele verschillende vermogensspectra leiden tot één kleurtemperatuur. Het heeft te maken met de specifieke opbouw van het menselijk ook waarom wij bij vele verschillende vermogensspectra deze toch zien als één specifieke kleur (met fotorolletjes is dit bijvoorbeeld niet zo!).

Figuur 5: spectrale vermogensverdeling Par38 ledlamp 70 leds

Deze combinatie van blauw licht met gelig licht levert een wit licht op met een kleurtemperatuur van 2900 Kelvin (warmwit licht).

Als laatste nog een verdeling van een zonnige dag en een bewolkte dag.

Figuur 6: spectrale vermogensverdeling zonnige dag

Figuur 7: spectrale vermogensverdeling bewolkte dag

Zowal alle golflengtes van het zichtbare licht zijn goed aanwezig, en ongeveer op dezelfde sterkte. Zie ook de kleurtemperaturen voor deze situaties.

Terug naar tabel.

Piek- en dominante golflengte

Ik heb al gemeld dat verschillende vermogensspectra kunnen leiden tot één en dezelfde kleurindruk. Dit was bijvoorbeeld zo wanneer je kijkt naar het vermogensspectrum van een spaarlamp (vele pieken over het zichtbare licht) en naar het vermogensspectrum van een gloeilamp (oplopende hoeveelheid straling bij grotere golflengtes); ze zijn verschillend maar kunnen leiden tot dezelfde keurindruk.

Voor ieder spectrum, wat een bepaalde kleurindruk oplevert, wordt een dominante golflengte gedefinieerd. Deze dominante golflengte is dan licht van die specifieke golflengte alleen, die dezelfde kleurindruk zou opleveren. Nogmaals, we kijken naar lampen en alles lijkt wit (of zou wit moeten zijn), alleen ieder wit heeft zijn eigen kleurindruk (niet ieder wit is gelijk).

lamp-ID	Dominante golflengte
60 W gloeilamp	584 nm
50 W halogeenlamp	585 nm
Ikea 4 W spaarlamp	585 nm
Par38 70led lamp	582 nm
Spaarspotlamp	584 nm
Zonnige dag in maart	552 nm
Bewolkte dag in maart	490 nm

Ieder spectrum heeft ook een piek golflengte. Dat is die golflengte uit het spectrum waar het meeste vermogen in zit (waar het maximum van het spectrum is gelegen). Dit hoeft dus niet gelijk te zijn aan de dominante golflengte.

Terug naar tabel.

Kleursoort diagram

Nu heeft dus iedere lamp een eigen vermogensspectrum, wat weer leidt tot een bepaalde kleurtemperatuur ofwel dominante golflengte. Deze specifieke kleurtemperatuur kan worden weergegeven op een kleurruimte, en ik wil de standaard “Commission Internationale de L’Eclairage” (CIE) waarneming hiervoor gebruiken, omdat deze gebaseerd is op observaties van kleurmetingen bij mensen. Drie parameters X, Y en Z werden door een grote groep van mensen zo ingesteld dat de kleurindruk/sensatie overeenkwam met bepaalde basiskleuren. Y is dan de luminantie (hoeveelheid licht die wordt uitgestraald in Cd/m²) en XZ zijn specifieke weegfactoren voor kleur. Zo bestaat ook xyY, waarbij xy staan voor kleurtoon coordinaten. Het is deze laatste die ik hier laat zien.

Figuur 8: De tweedimensionale ruimte van het CIE 1931 diagram

In de schoenzoolvormige grafiek zijn de kleuren aan de rand verzadigd en worden naar het midden, het witpunt, bleker. Dit diagram geeft dus de kleursoort of tint aan, en de mate van verzadiging of kleurvolheid. De kleurhelderheid (mate van grijzigheid) is hier niet in meegenomen en zou de derde dimensie zijn.

Terug naar tabel.

Gecorreleerde kleurtemperatuur

In het kleursoort diagram is nog een andere lijn van belang, dat is namelijk de plaats van de zwarte lichamen. Wanneer ik een zwart lichaam op een bepaalde temperatuur breng, dan zal dit lichaam gaan stralen, met een bepaalde kleurtemperatuur. Bij bepaalde temperaturen komt er (zichtbaar) licht van de zwarte straler, en bevindt het licht zich in het vlak van het kleursoort diagram.

Figuur 9: Pad van de zwarte straler in het kleursoort diagram, bij verschillende temperaturen

In dit figuur kun je de posities van licht afkomstig van een zwarte straler zien, bij verschillende temperaturen van deze straler.

Bij de verschillende metingen die ik heb gedaan aan lampen, heb ik wat voorbeelden van waar het licht dat zij genereerden, in dit diagram terecht komt. Als het goed is, zou dit allemaal op het pad van de zwarte straler moeten liggen (want we willen wit licht, en geen blauw of rood of zoiets). Wanneer het licht van een bepaalde lamp er niet precies op ligt maar ietsje daarbuiten, spreken we van een gecorreleerde kleurtemperatuur, dus dan wordt de kleurtemperatuur van de lamp toegewezen aan de dichtsbijzijnde kleurtemperatuur van een zwarte straler. Zie ook figuur 9, waar je de lijnen kunt zien van verschillende kleurtemperaturen, die kruisen met het pad van de zwarte straler. Ik geef weer wat voorbeelden.

Figuur 10: positie van de kleursoort gloeilamp 60 W in het diagram

Figuur 11: positie van de kleursoort halogeenlamp 50 W in het diagram

Je ziet dat het licht afkomstig van beide lampen mooi op et pad van de zwarte straler ligt, en wel dichtbij het rood/geel achtige gebied, dus warmwit licht.

Figuur 12: positie van de kleursoort Par38 ledlamp 70 leds in het diagram

Je ziet dat de Par38 ledlamp niet geheel op het pad licht. Het licht van deze lamp is dan ook niet zuiver wit. (Grote) spectrale compositie afwijkingen van de plaats van de zwarte straler en ook oververlichting kan nadelig zijn voor het fijn werken van mensen.

Als laatste nog de kleursoort van een zonnige dag.

Figuur 13: positie van de kleursoort bij een zonnige dag in het diagram

Terug naar tabel.