Világítódiódák fotometriai és színingermetrikai jellemzése
című doktori (PhD) értekezés tézisei
Csuti Péter
Témavezető:
Dr. Schanda János✝
Konzulens:
Dr. Hangos Katalin
PANNON EGYETEM
MŰSZAKI INFORMATIKAI KAR
INFORMATIKAI TUDOMÁNYOK DOKTORI ISKOLA
2016.
1
1. Előzmények, célkitűzések
1.1. Világítódiódák fotometriai jellemzése
Napjainkban a világítódiódák, vagy más néven LED-ek, az örökéletű
jelzőfény szerepből kilépve fokozatosan hódítják meg nem csak a
hangulatvilágítás, hanem az általános világítás területeit is. Fontos
tehát, hogy a világítódióda alapú világítótestek esetében is
megbízhatóan alkalmazhassuk a fotométereket.
A fotométerek spektrális érzékenységének az ember láthatósági
függvényéhez, a ( )V -hoz [1] való illesztettségét az 1
f színképi
illesztettlenségi mutató (1) százalékos értékével jellemzik a CIE, azaz
a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság ajánlása alapján [2,3].
*
rel
01
0
( ) ( ) d
100%
( )d
s V
f
V
, (1)
amelyben
A
* 0rel rel
A rel
0
( ) ( )d
( ) ( )
( ) ( ) d
S V
s s
S s
,
ahol:
( )V , a láthatósági függvény,
rel( )s , a fotométer spektrális érzékenységét jellemző függvény,
*
rel( )s , a fotométer normált spektrális érzékenységi függvénye,
A( )S , a szabványos CIE A megvilágító spektrális teljesítmény
eloszlása [4], mint a fotométer kalibráló etalonja.
2
Az *
rel( )s normált érzékenységi függvény a fotométer izzólámpával
történt kalibrált állapotát írja le. Az 1
f színképi illesztettlenségi
mutató nem ad becslést arra, hogy mekkora fénymérési hibára
számíthatunk egy általános – a kalibráló fényforrástól eltérő
spektrumú – fényforrás mérésekor. Az 1
f értéke az eltérés irányáról
sem hordoz információt, ezért az a mérési hiba korrekciójához sem
használható. A korrekcióra csak abban az esetben van mód, ha
ismerjük mind a mérendő fényforrás spektrális teljesítmény eloszlását,
mind a detektor színképi érzékenységét. Ez a feltétel azonban a
legritkább esetben teljesül, legfeljebb a mérendő fényinger
színezetéről (fehér, kék, zöld, vörös, stb.) lehet információnk.
1.2. Világítódiódák színingermetrikai jellemzése
Korábbi keskeny színképű teszt (1. ábra, LED-RGB adatsor)
megvilágítókat alkalmazó színinger összehasonlító kísérletek
előkészítésénél tapasztaltam, hogy egy észleletbeli zöldes-sárgás
eltolódás jelent meg a referencia megvilágító (1. ábra, Halogén
adatsor) által keltett színingerhez képest. Mindez olyankor
jelentkezett, amikor mesterségesen állítottunk elő metamer
színingerpárokat, úgy hogy a színességeket az ( ), ( )x y és ( )z ,
szabványos CIE 1931-es 2°-os színinger-megfeleltető függvények [5]
segítségével határoztunk meg objektív módon. A metamer színingerek
definíció szerint eltérő színképi-teljesítményeloszlásokkal
rendelkeznek, de a színingerekhez tartozó tristimulusos értékek
megegyeznek.
3
1. ábra
Metamer színingerek spektrális teljesítmény eloszlása
Tekintsünk két vizuálisan egyeztetett – metamer – színingert, 1(λ)S ,
illetve 2(λ)S spektrális teljesítmény eloszlásokkal. Az eloszlásokból
kiszámíthatóak az ,X Y és Z színinger összetevők. Az X színinger
összetevő az alábbiak szerint számítható (az Y és Z esetében az ( )x
helyére ( )y , illetve ( )z kerül):
1 1
2 2
( ) ( )
( ) ( )
m
m
X k S x
X k S x
, de 1 2X X
azaz, az 1 2X X színinger összetevő különbözőséget az ( ), ( )x y és
( )z függvények és az emberi percepció közötti eltérés okozza. A
feladat tehát az, hogy meghatározzuk az ( ), ( )x y és ( )z
függvényeken végzendő módosításokat ahhoz, hogy az 1 2X X
egyenlet teljesüljön a vizuálisan egyeztetett színingerekre.
1.3. Szakirodalmi előzmények
1.3.1. Világítódiódák fotometriai jellemzése
A világítódiódák fotometriai jellemzése már évek óta foglalkoztatta a
szabványalkotó közösségeket. Fehér fényű LED-ek esetében az 1
f
0,000
0,005
0,010
0,015
0,020
400 450 500 550 600 650 700
Sp
ek
trá
lis
su
gá
rsű
rűs
ég
[W
/sr/
m2/n
m]
hullámhossz [nm]
Halogén LED-RGB
4
mutató jól használható a detektor mérési pontosságának becslésére, a
széles sávban sugárzó fényforrásokhoz, az izzólámpákhoz hasonlóan.
Ez annak köszönhető, hogy a fehér fényű LED-ek színképi
teljesítmény eloszlása is viszonylag széles. Ilyen esetekben az 1
f érték
jól korrelál a mérési hibával: nagyobb 1
f esetén a várható hiba is
nagyobb lesz. A CIE 127-es publikációja [6] szerint fehér fényű LED
fényforrásokat 3%-nál kisebb 1
f értékű detektorral célszerű mérni.
Színes fényű LED-ek esetében az 1
f illesztettlenségi mutató nem
korrelál jól a várható hibával, előfordul, hogy két kis illesztettlenségi
mutatóval (pl. 1
f < 2%) rendelkező detektor válasza között igen
lényeges különbséget tapasztalunk színes LED által okozott
megvilágítás mérésekor. Ennek oka, hogy a fotométer színképi
érzékenységének (rel
)(s ) lehet olyan tartománya, ahol az jelentős
mértékben eltér a ( )V láthatósági függvénytől. Ez az eltérés a
szélessávú etalonfényforrással – szabványos CIE A megvilágítóval [4]
– történő kalibráláskor kismértékű, ha viszont a vizsgált színes LED
20 nm – 40 nm-es széles teljesítmény-eloszlása egy ilyen tartományba
esik, akkor a valódi fotometriai értéktől számottevően eltérő
eredményt kaphatunk [7].
A kérdést Young és munkatársai részletesen analizálták [8], de a
problémát megoldó javaslatot nem tettek. Később Y. Ohno és K.
Muray is kidolgozott egy-egy javaslatot, amelyeket az 1,LEDf mutatóval
jelöltek [9]. Mindkét változat az 1
f színképi illesztettlenséget jellemző
függvényen alapul, de a mutatók csak modellezett LED teljesítmény-
eloszlások esetében korrelálnak jól a várható hibával.
5
1.3.2. Világítódiódák színingermetrikai jellemzése
A szabványosított színingermetrika alapja a múlt század húszas
éveinek végére nyúlik vissza, amikor a színinger-megfeleltető
függvények (SZMF) első szabványos megfogalmazását fogadta el a
CIE (Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság) 1931-ben [10], Wright
[11,12] és Guild [13] vizuális kísérletei alapján. A Smith és Pokorny
csap-érzékenység spektrumokat [14] a látás fiziológusok elfogadták,
ezek alapján Vos javított SZMF-ket javasolt [15]. Az ötvenes évek
végére már számottevő bizonyíték állt rendelkezésre arra
vonatkozólag, hogy a színészlelés látószögfüggő. Mérések alapján
hozta létre a CIE a 10°-os színinger-mérő rendszert [16], amely már
jobb egyezést biztosított a vizuális megfigyelések és a fizikai mérések
között.
Már Guild és Wright eredményei is a mért görbék szórását
mutatták, hasonló jelenséget lehet Stiles és Guild méréseinél is
megfigyelni. Természetesen minden megfigyelő csak bizonyos
szóráson belül tudja a méréseit megismételni, de a más eszközökkel
ép-színlátónak kategorizált megfigyelők között is lehet személyfüggő
eltéréseket találni. Sarkar analizálta Stiles és Burch megfigyelőinek
adatait és arra a következtetésre jutott, hogy a megfigyelőket nyolc
nagy csoportba lehetett beosztani [17]. Sajnos Stiles és Burch
megfigyelőinek genotípusos besorolása nem áll rendelkezésre, de
Neitz és Neitz munkája alapján a kisebb színképi érzékenység
különbségek fiziológiai okaira is fény derült [18]. A CIE TC 1-36-os
műszaki bizottsága a szem szaruhártyájára vonatkozóan közzétette a
kísérleti LMS-SZMF-eket, amelyeket kísérleteim értékeléséhez is
felhasználtam.
6
1.4. A kutatás célkitűzései
A fentiek alapján igen fontos volt megvizsgálnom a kérdéskört, mert a
jelek szerint a következő évtizedekben nagy szükség lesz
világítódiódák mérése esetén is megbízható fénymérésre és színinger-
metrikára. Célom egyrészt az volt, hogy megkönnyítsem a fénymérő
fejek kiválasztását, másrészt magyarázatot adni a színes
világítódiódákkal működő hangolható világítótesteknél tapasztalható
színinger-egyeztetési problémákra és megoldást kínálni azokra.
Kísérleteim segítségével arra kerestem a választ, hogy miként
határozhatom meg pontosabban a vizuálisan egyeztetett – tehát
metamer – színinger-párok színességeit, és hogy miképpen
csökkenthetőek a korábban is tapasztalt észleletbeli eltérések.
7
2. Az elért eredmények összefoglalása
2.1. Összefoglaló leírás
A világítódiódák fotometriai jellemzése témakörében fogalmaztam
meg a valós fotometriai hibamutatót (2), amelynek bemeneti
paraméterei között szerepel a vizsgált fotométer rel( )s relatív színképi
érzékenysége és egy mérendő LED LED( )S színképi teljesítmény-
eloszlása. Ily módon tetszőleges, ismert színképi érzékenységű
fotométerek hasonlíthatóak össze, akár valós, akár modellezett LED
spektrumok segítségével.
A valós fotometriai hibamutató segítségével fejlesztettem ki a (3)
szerinti parciális színképi illesztettlenségi mutatót, amelynek
segítségével egy rel( )s színképi érzékenységű fotométer ( )V
illesztése miatt várható mérési hibája becsülhető a négyféle (kék, zöld,
sárga és vörös) hullámhossztartományban.
A színingermetrika területén végzett vizuális kísérleteim alapján
megállapítottam, hogy amennyiben a megfigyelők különböző,
szűrőzött izzólámpa fényeket bizonyos keskeny spektrumú színes
világítódiódák keverékekével vizuálisan egyeztetnek, akkor ezt az
egyezést a CIE 1931-es szabványos színingermérő észlelő színinger-
megfeleltető függvényei nem jól írják le, ezt figyelhetjük meg a 2.
ábra u’, v’ színességi diagramban látható színingerek esetében.
A CIE TC1-36 műszaki bizottsága által közölt, az ( ( )l m és ( )s
csapérzékenységi függvényekre épülő és azokból mátrix-
transzformációval előállított Fx , Fy és Fz , ún. fundamentális
színingermegfeleltető függvényei számottevően kisebb hibával írták le
az egyezést. Kutatásom során a mátrix transzformációt és annak
bemenő paramétereit továbbfejlesztve kidolgoztam az MFx , MFy , MFz
színinger-megfeleltető függvény rendszert, amelyek a megfigyelők
8
által beállított színinger egyezéseket Δ(u'v') = 0,006-nél kisebb hibával
írják le. A függvényjelölések indexében az MF rövidítés a módosított
fundamentálist jelenti.
2.2. Az új tudományos eredmények összefoglalása
A munkám során elért tudományos eredményeket az alábbi tézisekben
foglaltam össze. Az 1. és 2. tézisek a világítódiódák fotometriai
jellemzésével kapcsolatosak, míg a 3. és 4. tézisek a világítódiódák
színingermetrikájával kapcsolatos eredmények alapján fogalmazhatók
meg.
1. Tézis: A (2) szerinti valós fotometriai hibamutató alkalmas a
különböző, ismert rel( )s színképi érzékenységű fotométerek
összehasonlítására. [P1], [P2], [P3], [P4]
780 780
*
STD LED LED
380 380
rel LED 780
LED
380
( , ) ( ) d ( ) ( ) d
( ) , ( )
( ) ( ) d
s S V S
PE s S
V S
(2)
ahol:
( )V , a láthatósági függvény,
rel( )s , az érzékelő relatív színképi érzékenységét leíró
függvény,
*
STD rel( , )s , a detektor STD domináns hullámhosszal
rendelkező referencia LED-del ( STD( )S ) normált színképi
érzékenységi függvénye,
LED( )S , a mérendő LED színképi teljesítmény eloszlása.
9
2. Tézis: A (3) szerinti parciális színképi illesztettlenségi
mutatókkal becsülhető a valós fotometriai hiba nagysága. [P1],
[P2], [P3], [P4]
780
*
STD rel
3801,PAR STD 780
380
( , ) ( ) d
( )
( )d
s V
f
V
, (3)
amelyben
780
STD
* 380STD rel rel 780
STD rel
380
( ) ( ) d
( , ) ( )
( ) ( ) d
S V
s s
S s
, és
( )V , a láthatósági függvény,
rel( )s , az érzékelő színképi érzékenységi függvénye,
*
STD rel( , )s , az érzékelő STD domináns hullámhosszal
rendelkező etalon LED segítségével normált színképi
érzékenységi függvénye,
STD( )S , a STD domináns hullámhosszal rendelkező etalon LED
színképi teljesítmény eloszlása.
10
3. Tézis: A CIE 1931-es szabványos színingermegfeleltető
függvények bizonyos keskeny színképben sugárzó LED-ek és
széles sávban sugárzó egyeztető színingerek esetében nem jól
írják le az egyezést (2. ábra). [P5], [P6], [P7]
2. ábra
Kísérleti színingerek a CIE 1931 2°-os színinger-megfeleltetőkkel számítva. Az
üres körök jelzik a megfigyelők által beállított egyeztetések színingereit, a piros
háromszögekkel jelölt referencia színingerekhez
4. Tézis: A (4) szerinti módosított fundamentális
színingermegfeleltető függvények Δ(u'v') = 0,006-nél kisebb
hibával írják le a megfigyelők által beállított
színingeregyeztetéseket, függetlenül az alapszíningerek
csúcshullámhosszától.
*
( 1,9260000 -1,3763289 0,3904850 (
( 0,6597958 0,4111496 0,0000000 (
0,0000822 0,0000000 1,9750000( ( )
MF
MF
MF
x l
y m
z s
(4)
ahol ( ( )l m és ( )s a csapérzékenységi függvények és
*
i i 6( ) ( )s s a függvényértékek eltolása miatt. Az MFx , MFy ,
MFz függvényjelölések indexében a módosított fundamentálist
jelöli az MF rövidítés. [P5], [P6], [P7]
0,3
0,4
0,5
0,6
0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
v'
u'
szubjektív egyeztetések
megfigyelések átlaga
referencia színingerek
#1
#2
#3
#4
#5
#7 #8
#9 #6
11
3. További kutatási lehetőségek
A világítódiódák fotometriai jellemzése még ma is igen népszerű téma
a szakmai fórumokon. 2016-ban már számos LED-etalon gyártó
kínálja a termékeit a legkülönbözőbb kivitelekben. A termékeket
főként az integrálógömbös mérési elrendezésekben használják,
amelyek között megtalálhatóak önálló egységként működő etalonok,
de létezik többféle etalon-LED-et tartalmazó kompakt rendszer is. A
fejlesztések ma már egyre inkább a színképi felbontású mérőeszközök
irányába mutatnak köszönhetően azok egyre kedvezőbb árának. A
kutatási irányok az egyes mérendő LED-ek színképi teljesítmény-
eloszlásának becslésétől a fotométerek ( )V illesztési jóságának
növeléséig terjednek.
A színingermetrikai jellemzéssel kapcsolatos további kutatások
aktualitását a világítódióda alapú kijelzők elterjedése bizonyítja.
Ezeket speciális alkalmazások során a régebbi technológiájú
katódsugárcsöves kijelzőkkel együtt is használják például a nyomdai
előkészítésben, vagy a televíziós stúdiótechnikában. Érdekes kutatási
irány egy kijelző alapszíningereinek kiválasztásához az emberi
észlelés érzékenységi variancia minimumát megkeresni. Egy másik
lehetséges kutatási irány a többcsatornás hangolható világítótestek
egyéni beállítása adott fényszínű fehér referencia fényingerhez,
amelyre az emberközpontú általános világítás területén mutatkozik
egyre nagyobb igény.
12
4. Téziseket alátámasztó saját publikációk
[P1] Csuti P, Kránicz B: „Description of a partial f1’ error index recommended
for LED photometry”, Light & Engineering, 2006. Vol.14, No.1., ISSN
0236-2945 (1. és 2. tézis)
[P2] Csuti P, Kránicz B, Schanda J, ”Comparison of the goodness of fit of
photometers to the V(λ) function using real LED spectra”, CIE Expert Symp.
on LED Light Sources: Physical measurement and visual and photobiological
assessment, Tokyo, Japan, June 2004. (1. és 2. tézis)
[P3] Csuti P, Schanda Gy, Schanda J, ”Decreasing the uncertainty of LED
photometric and colorimetric measurements”, Lighting in the XXI Century
CIE Divisional and Technical Committees Meetings, León, Spain, 12-21.
May 2005. (1. és 2. tézis)
[P4] Csuti Péter, Világítástechnikai évkönyv 2012-2013, „Világítás és ember”
című fejezetben a „LED-es fényforrások fotometriai és villamos
tulajdonságainak meghatározása” című rész. pp. 76-79., HU ISSN 1416-1079
(1. és 2. tézis)
[P5] Csuti P., N. Vidovszky Á., Schanda J., ”On the Application of Modern
Light Sources – with emphasis on home lighting”, Przeglad
Elektrotechniczny, Vol 2008, No. 8, p 84-88, PL ISSN 0033-2097 (3. és 4.
tézis), Impakt faktor: 0,242 (2008)
[P6] Csuti, P; Schanda, J (2010), ”A Better Description of Metameric
Experience of LED-Clusters”, Light & Engineering, Vol. 18, No. 1, p 44-50,
2010, ISSN 0236-2945 (3. és 4. tézis), Impakt faktor: 0,036 (2010)
[P7] Csuti P, Schanda J: “Colour matching experiments with RGB-LEDs”,
Color Research and Application, April 2008. Vol.33, Issue 2, p 108-112 (3.
és 4. tézis), Impakt faktor: 1,0 (2008)
13
5. Irodalomjegyzék
1 Gibson, K.S., The relative Visibility Function, Recueil des Travaux, 6th Session 1924, Commission
internationale de l'Eclairage proceedings, 1926. Cambridge University Press, Cambridge. pp
232-238.
2 Comission Internationale de l’Eclairage, Methods of characterizing the performance of radiometers
and photometers. Publication CIE 53-1982.
3 Comission Internationale de l’Eclairage, Methods of characterizing illuminance meters and
luminance meters: Performance, characteristics and specifications. Publication CIE Publication
CIE 69-1987.
4 International Organization for Standardisation, Comission Internationale de l’Eclairage, Standard
Illuminants for Colorimetry, ISO 11664-2:2007(E)/CIE S 014-2/E:2006, Joint ISO/CIE Standard
5 Comission Internationale de l’Eclairage, Proc. of the 8th Session of CIE, Cambridge, 19-29, (1931)
6 Comission Internationale de l’Eclairage, Measurement of LEDs, Publ. CIE127:2007, ISBN 978 3 901
906 58 9
7 Suzuki, K., Kohmoto, K., Nakagawa, Y., Kondoh, H., Bandou, K., Oba, H., Yagi, T., Okazaki, J.,
Yamada, K.: Round robin LED photometry test in Japan. CIE Symp. 2001 “LED Measurement”
CIE x022-2001 pp. 11-
8 Young, R., Muray, K., Jones, C.F., Quantifying Photometric Spectral Mismatch Uncertainties in LED
Measurements, Proc 2nd
CIE Expert Symp. on LED Measurement, Standard methods for
specifying and measuring LED and LED cluster characteristics, Gaithersburg, USA, May 2001.
pp. 39 – 44. CIE x022-2001.
9 Comission Internationale de l’Eclairage, Measurement of LEDs, Publ. CIE127.2 (Revision of
CIE127-1997) Draft No. 4, Dec. 2003.
10 Comission Internationale de l’Eclairage, Proc. of the 8th Session of CIE, Cambridge, 19-29, (1931)
11 Wright, W.D., A re-determination of the trichromatic coefficients of the spectral colours, Trans. Opt.
Soc. London 30, 141-164 (1928-29)
12 Wright, W.D., A re-determination of the mixture curves of the spectrum, Trans. Opt. Soc. London
31, 201-211 (1929-30)
13 Guild, J., The colorimetric properties of the spectrum. Philos. Trans. Roy. Soc. London, Ser. A 230,
149-187 (1931)
14 Smith, V.C., Pokorny, J, (1975) Spectral sensitivity of the foveal cone photopigments between 400
nm and 500 nm, Vision Research, 15, pp. 161-171
15 Vos, J.J., (1978) ‘Colorimetric and Photometric Properties of a 2° Fundamental Observer’, Col.
Res. and Appl., 3, No. 3, pp. 125-128
16 Comission Internationale de l’Eclairage Proceedings (1964) Vienna Session, 1963, Vol. B, pp. 209-
220 (Committee Report E-1.4.1), Bureau Central de la CIE, Paris
17 Sarkar, A., Blondé, L. (2013), Colorimetric Observer Categories and Their Applications in Color and
Vision Sciences, Proceedings of the CIE Centenary Conference, April 2013, Paris
18 Neitz, M, Neitz, J., Molecular genetics of color vision and color vision defects, Arch. Ophthalmol.
118, 691–700 (2000).