OliNo

Duurzame Energie

Licht grootheden uitgelegd II

Geplaatst door Marcel van der Steen in Uitleg
Tags:
Geef een reactie

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.

Plaatje van licht

Overzichtstabel

Grootheid (Nl) Grootheid (Eng) Eenheid Toelichting, link
Kleurtemperatuur Color Temperature K(elvin) De kleurimpressie van een perfecte zwarte straler bij bepaalde temperaturen.
Kleurweergaveindex (CRI) CRI of Ra8 - De mate van kleurrendering van het licht van de lamp; in hoeverre de kleeurweergave overeenkomt met het licht van de zon (een zwarte straler).
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.

Plaatje van straling van een zwarte straler, bij verschillende temperaturen

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.

Kleurweergaveindex (CRI)

De CRI waarde geeft aan hoe goed het licht van een lamp de kleuren kan renderen. Dat wil zeggen, hoe goed de kleuren dat met het licht van de lamp in test, worden ervaren door de ogen van de (gemiddelde) mens. Met de lamp in test, worden zo een aantal referentiekleuren belicht en wordt bepaald in hoeverre deze kleuren overeenkomen met de kleurindrukken die zouden verkregen worden wanneer het licht zou zijn gebruikt van een zwarte straler.

Waarom nu een zwarte straler? Eigenlijk gaat het om het spectrum van zonlicht. Daar heeft de mens als soort zich op aangepast, en de ogen zijn zo aangepast dat er maximaal voordeel uit het licht (en dus het spectrum) van de zon gehaald wordt (bron: Lorenz K., 1943; v. Ditfurth, 1972). Nu is het spectrum van een zwarte straler, voor kleurtemperaturen tussen de 2000 – 8000 K erg sterk overeenkomstig met dat van de zon. En een zwarte straler is zelf te maken. Door deze dan op een temperatuur te brengen, verkrijgt men het gewenste spectrum en is zo dus te genereren wanneer men zelf wil.

De CRI waarde kan berekend worden, waarbij een referentieset van 8 kleuren wordt gebruikt. Van het licht van een bepaalde, te testen lamp, moet bekend zijn van welke kleurtemperatuur het is. Dan wordt bepaald hoe de referentiekleuren afgebeeld zouden worden wanneer men gebruik zou maken van het licht met het lichtspectrum van een zwarte straler met deze kleurtemperatuur. Dezelfde referentiekleuren worden bekeken met het licht van de te testen lamp, en een vergelijk per kleur wordt berekend. Het gemiddelde van deze 8 kleuren vormt de CRI waarde, ook wel Ra genoemd. Dit is een waarde tussen 0 en 1, waarbij het volgende vaak wordt gehanteerd als beoordelingsschaal.

De klassificatie van de website arboplus:

CRI waarde klassificatie
100-90 zeer goed
90-80 goed (vaak 80 als minimumeis)
80-60 redelijk
60-30 slecht

Een andere, meer uitgebreidere klassificatie is de volgende (op deze website gevonden):

Colour rendering group CIE general colour rendering index Typical application
1A Ra > 90 Wanneer nauwkeurige kleurovereenkomst gewenst is, bijvoorbeeld bij kleurprintinspectie.
1B 80 <= Ra < 90 Wanneer nauwkeurige kleurbeoordelingen nodig zijn en/of goede kleurbeleving is nodig voor het presenteren/uitstallen van goederen, bijvoorbeeld bij winkels of andere commerciële instellingen.
2 60 <= Ra < 80 Wanneer acceptabel is dat kleurindukken slechts ongeveer overeenkomen met dat wanneer zonlichtgebruikt wordt.
3 40 <= Ra < 60 Wanneer kleurindrukken of kleurbeleving niet zo van belang is, maar waarbij geen grote afwijkingen mogen onstaan.
4 20 <= Ra < 40 Wanneer kleurindrukken of -beleving van geen belang is en waarbij geheel verkeerde kleurindrukken acceptabel zijn.

Noot:aangezien er maar 8 kleuren gebruikt worden, kan het zo zijn dat de CRI waarde hoog is, maar dat er toch nog kleuren zijn die niet goed of natuurgetrouw worden weergegeven. Dat is een van de tekortkomingen van de gebruikte methode. Een fabrikant zou kunnen optimaliseren om de CRI zo hoog mogelijk te krijgen, iets wat bij TL buizen en Spaarlampen zeker het geval kan zijn. Kijk voor het gemak maar eens naar een spectrum van zo’n lamp, dat uit vele pieken bestaat, waarbij er vele fosforen gebruikt zijn in de buis om een spectrum te creëeren dat een goede CRI geeft.

Voorbeeld van een spectrum van een spaarlamp, met een CRI waarde van 82.

Bij een led wordt normaliter gebruik gemaakt van 1 fosfor en ziet het spectrum er heel wat continuer uit.

Voorbeeld van een spectrum van een ledlamp, met een CRI waarde van 87.

De piek in het spectrum bij de 450 nm is afkomstig van de leds aleen (zonder fosfor), die een blauwachtig licht afgeven. Er is fosfor gebruikt dat een gedeelte van het licht van de led omzet in groen-geel-rood licht, zoals aan de bult in de grafiek te zien is. Tezamen is voor dit voorbeeld een resultaat verkrijgbaar voor het licht dat een goede CRI waarde heeft.

Zie voor meer informatie ook deze Engelse website over CRI.
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.

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_SPD_incandescent_lamp60W_small.jpg

Figuur 2: spectrale vermogensverdeling gloeilamp 60 W

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_SPD_halogeen_50W_small.jpg

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.

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_SPD_spaarlamp_4W_small.jpg

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!).

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_SPD_par38_70ledlamp_small.jpg

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.

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_SPD_zonnige_dag_maart_small.jpg

Figuur 6: spectrale vermogensverdeling zonnige dag

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_SPD_bewolkte_dag_maart_small.jpg

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.

Plaatje van CIE 1931 xy kleursoort diagram

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.

Plaatje van het pad van de zwarte straler in 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.

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_chromaticity_60W_gloeilamp_small.jpg

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

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_chromaticity_halogeen_50W_small.jpg

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.

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_chromaticity_par38_70ledlamp_small.jpg

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.

/wp-content/uploads/2008/articles/licht_parameters_chromaticity_zon_maart_small.jpg

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

Terug naar tabel.

7 Reacties to “Licht grootheden uitgelegd II”

  1. nico@koreman.nl Says:

    Ik vind niets terug over kleurweergave index van de genoemde lichtbronnen?

    Hoe zit dat?

    Nico Koreman

  2. mvdsteen Says:

    Hoi Nico,
    Als je de CRI bedoeld, dan heb ik sinds kort daar een meetresultaat van. Zie de laatste lampmetingen waar ik dit publiceer, en zie ook dit artikel.

  3. Tomas Says:

    Cool

  4. Marius Says:

    Duidelijk uitgeleg in dit artikel. Precies waar ik op zoek naar was.
    Ook meetgegevens op de rest van de website zeer leerzaam.
    Marius

  5. jan f Says:

    ik wil even verifieren of wat ik hieronder beweer ook klopt:
    een zwarte strale absorbeert alle opvallende elektromagnetische golven.

    als een zwaerte starler verwarmt wordt gaat ie el.mag golven uitzenden, bij o K is dat geen, en daarboven begint het te lopen.

    bij stel een zwarte straler van gietijzer, die met zwarte hitteverf is bespoten, onstaat bij hogegre temperatuur een lichtrode kleur, nog hoger end e kleur wortd kersenrood, en nog hoger geelachtig, en nog hoger kan wit ontstaan, als het gietijzer niet begint te smelten voor die tijd.

    is bij die temperatuur nog steeds sprake van een zwarte straler?

    als je een vuursteen heet stookt tot 3000 C dan geeft die zoveel wit ligt af ( gele al oxide steen0 dfat je er blind van wordt, zo fel is dat licht, en de alu ocxide vormt zelfs een smeltbad, dat ook wit fel licht uitzend.

    is dit ook een zwarte starler?

    want heet staal , gietijzer of vuursteen geeft alle drie wit licht af bij zeer hoge temperaturen/

    zijn dit dan allemaal zwarte stralers?

    of is de term zwart, afhankelijk van d etemperatuur van het lichaam?

    in d evorm van : zolang je een zwarte kleur hebt op de straler is ie zwart, maar zodra hij rood begint aan te lopen , is ie niet meer zwart??
    etc.

    wie kan dit verder uitleggen?

  6. mvdsteen Says:

    Hoi Jan,
    Een zwarte straler wil zeggen dat ie alle em straling absorbeert en ook weer kan uitstralen. Je kunt er een vorm van em straling (stel groen licht van 550 nm) op richten, en dan zal een zwarte straler dit allemaal absorberen. Hierdoor warmt de zwarte straler op en dan zal deze zwarte straler in temperatuur gaan toenemen. Bij een temperatuur van > 0 Kelvin gaat de zwarte straler ook energie uitstralen, en wel met een spectrum dat eens is uitgerekend door Planck en dat alleen maar van de temperatuur van de zwarte straler zelf afhangt.
    De straler zal in temperatuur net zolang toenemen totdat de energie die het ontvangt van de omgeving gelijk is aan de energie die het zelf uitstraalt naar die omgeving agv zijn eigen temperatuur. En het maakt niet uit of de energie die erop valt van een bepaalde golflengte of golflengtegebied is, want de zwarte straler absorbeert toch alles. En bij een bepaalde eigen temperatuur reken je met de formule van Planck het spectrum uit van em straling wat zo’n zwarte straler uitstraalt.
    Hoe meer energie wordt toegevoegd aan de zwarte straler, des te hoger zijn interne temperatuur. Met Planck rekenen we keurig het spectrum uit en Wien heeft eens berekend dat de top van dat spectrum bij golflengte Lambda = 2898/T[K] ligt. Dus bij hogere temperaturen wordt de golflengte waar de top van de energie ligt kleiner. Bij 3000 K valt deze top al in het zichtbare licht en dat neemt alleen maar toe van rood naar blauwachtig wit.

    Nu bestaan zwarte stralers niet echt. Ze zijn er als object om de theorie goed te begrijpen, om berekeningen bij benadering uit te voeren om een idee te krijgen wat in werkelijkse situaties wel eens zou kunnen.
    Er bestaat nog een hypothetisch object, dat is een grijsstraler (een grey body). Die absorbeert alle straling, alleen niet perfect maar met een bepaald percentage. Bijvoorbeeld alle straling voor 80 %. En deze objecten bestaan ook niet (wel weer bij benadering).
    Een echte straler is een object dat veel straling zal opvangen en ook veel kan uitstralen. De emissiviteit van zo’n object ligt dan in de buurt van de 1. De huid van een mens ligt op 0.98, en een stuk schilderstape ligt op 0.95. Dit vermogen van absorptie is echter van de golflenge van de straling afhankelijk en ook nog eens van de temperatuur van het object zelf.

    Nu weer even terug naar jouw objecten. Een zwarte straler, of een object wat daar dicht in de buurt komt, kun je warm stoken (veel infraroodstraling, of gewoon middels een stroom warmstoken van binnenuit)en deze gaat dan energie stralen met een spectrum volgens hoe Planck dat berekent. En dan krijg je mooi dat verschijnsel van dieprood naar blauwwit.
    Materialen die bij heetstoken ineens een heel fel wit licht gaan uitstralen en niet via de dieprood naar geel naar wit naar blauwwit gaan, zijn ook geen zwarte stralers. Deze materialen hebben blijkbaar een emissie die hoog is bij bepaalde golflengtes en lager is bij andere. Energie die ze ontvangen willen ze graag kwijt bij deze golflengtes waar ze goed kunnen stralen en minder bij anderen. Vandaar dat ze ineens felwit kunnen zijn.

  7. Tim Ophalvens Says:

    Hoi Marcel,

    alvast proficiat en bedankt voor de uitgebreide uiteenzetting!
    Ik zit wel nog steeds met een vraagje waaraan ik niet uit geraak.

    Voor de keuze van een led baseer ik mij op de Planckian tabel.
    Ik begrijp dat een horizontale beweging een verschil in kleurwarmte in Kelvin uitdrukt, de x-as met andere woorden.
    Maar waarvoor staat de Y-as?
    Ik zie in de tabel voor deze leds bv 2 vakjes onder elkaar die dezelfde kleur weergeven. Maar waar zit dan het effectieve verschil in het bovenste en onderste vakje, in de y-as met andere woorden.

    Grts,
    Tim

Geef een reactie

 

WP Theme & Icons by N.Design Studio
Gebruiksvoorschriften | Privacybeleid Adverteren Entries RSS Comments RSS Log in