Światło naturalne
Analizowanie, a szczególnie testowanie świetlówek, w kontekście zastosowań związanych z kolorem, to przedsięwzięcie tak samo karkołomne jak obliczenia oporu aerodynamicznego roweru na kwadratowych kołach. Dziwne porównanie, prawda? Odpowiedzią na ten pozorny bezsens, jest specyfika przedmiotu badania. Tak samo jak rower na kwadratowych kołach nie jest pełnowartościowym bicyklem, tak światło świetlówek nie jest naturalnym światłem! Nie bez powodu użyłem słowa "naturalny". Wszystko wynika i podporządkowane jest prawom tego świata, prawom natury. Światło jakie znamy, które towarzyszy nam od początku historii ludzkości, to światło słońca i ognia. Mówiąc językiem fizyków, są to źródła "cieplne", których promieniowanie wynika z temperatury jego samego. Wnikliwi prawdopodobnie natychmiast skojarzyli, że popularny parametr "temperatury barwowej", jest wyrażony w Kelwinach [K], czyli jednostce związanej z ciepłem. Niniejsza obserwacja naturalnego światła leży u podstaw wszystkich metod matematycznego modelowania zjawisk związanych ze światłem i postrzegania przez ludzi.
Jednym z głównych założeń pomagających w zrozumieniu natury światła, jest "ciało doskonale czarne", wymyślone w XIX w przez Gustava Kirchhoffa. Nie chodzi oczywiście o jego kolor, a o założenie teoretyczne istnienia obiektu, który nie odbija a tylko promieniuje. Dzięki temu założeniu, można wysnuć wniosek, że ciało stałe promieniuje wyłącznie w funkcji temperatury. Wydaje się to oczywiste, kiedy wyobrazimy sobie np kawałek rozgrzanego żelaza. Czym gorętszy, tym barwa będzie się zmieniała od czerwieni, przez pomarańcz, żółty aż po biało-niebieski, jakim palą się zimne ognie.
Rys. Widmo promieniowania ciała doskonale czarnego w funkcji temperatury.
Z powyższego rysunku łatwo widać, że maksimum energii promieniowania, w miarę wzrostu temperatury, przesuwa się w stronę coraz krótszych długości fali, czyli niebieskiego. W przeciwnym kierunku, w miarę jak energia promieniowania jest mniejsza, tym maksimum jest coraz bardziej czerwone. Jest to fizyczna interpretacja zjawiska zmiany koloru przykładowego rozgrzanego żelaza, nazywane prawem Wiena (*).
(*) - Ciekawą anomalią, jest popularny pogląd kojarzenia żółtego i czerwonego z "ciepłą" barwą, a niebieskiego z "zimną", kiedy w rzeczywistości jest odwrotnie.
Światło rzeczywiste
Kluczową cechą decydującą o jakości światła jest jego skład widmowy. Ludzkie oczy działają w dość specyficzny sposób. Ignorują rzeczywisty skład widmowy, ale niezwykle ważna jest wzajemna proporcja bodźców np czerwonego, zielonego i niebieskiego. Patrząc na krzywe promieniowania (widma) ciała doskonale czarnego, widać zmieniający się udział poszczególnych długości fali, co powoduje odbiór innej barwy. Znając zasadę stałej proporcji między składowymi, można również zadziałać na odwrót: Skonstruować źródła światła o różnych widmach, ale wywołujące podobne wrażenie barwne. Światła takie lub barwy, o różnym widmie, ale podobnym wrażeniu barwnym, nazywa się metamerami. Pojęcie metameryzmu jest drugim, kluczowym zjawiskiem o które opiera się cała technika wizyjna. Dobrze sobie zdać sprawę, że w rzeczywistych sytuacjach, np na ekranie, nie syntetyzujemy konkretnej barwy, np żółtej (zakres około 620nm) tylko odpowiednio wyważone proporcje czerwonego (ok 700nm) i zielonego (ok 550nm). Słowem, na codzień, mamy do czynienia z ordynarnym oszustwem, a nasze oczy i mózg biorą to jako rzeczywistość. Dokładnie te same zasady działają w przypadku samego światła jak i pochłaniania/odbicia światła przez przedmioty. Barwa przedmiotu bierze się bowiem z silniejszego odbijania lub pochłaniania konkretnego zakresu długości fali. Znając zasadę proporcji, jeśli wzrośnie udział czerwonego w widmie, widzimy jako czerwony. Wszystko jest w normie, o ile mamy do czynienia z widmem ciągłym, czyli takim gdzie wszystkie składowe długości fali istnieją w ilościach wystarczających do osiągnięcia odpowiedniego efektu metamerycznego. Jeśli pomidor oświetlimy diodą (LED), która będzie miała braki w emisji czerwieni, pomidor będzie miał odcień pn pomarańczowo-brązowy.
Rys. Widmo rzeczywistego źródła światła cieplnego.
W praktyce trudno uzyskać ciągłe widmo równomierne ilościowo we wszystkich zakresach długości fali. Dodatkowym utrudnieniem jest roztrząsany w pierwszym rozdziale fakt, że idealnymi są źródła termiczne. Ciało stałe promieniuje w wyniku rozgrzewania, więc jeśli chcemy światło, to jednocześnie dostajemy ciepło. Ciepło nie zawsze jest pożądane, np w letnie popołudnia a i niebagatelnym jest koszt, kiedy 97% energii zużytej do zasilenia żarówki idzie w ciepło, a tylko 3% w światło. Jednym z najlepszych rzeczywistych termicznych źródeł światła jest żarówka halogenowa i metalhalogenkowa. Widmo ma ciągłe, bardzo zbliżone do widma ciała doskonale czarnego i kilkukrotnie wyższą sprawność w stosunku do żarówki.
Rys. Widmo typowego halogenu dostępnego w markecie.
Zmierzyłem widmo taniego, "ciepłego" halogenu o bardzo niskiej temperaturze barwowej, około 3000-3500K. Pomimo, że kosztuje 3 zł, jego widmo jest wiernym odwzorowaniem widma ciała doskonale czarnego.
Rys. Wycinek widma ciała doskonale czarnego odpowiadający taniemu halogenowi.
Stosując lepsze halogeny, o wyższych temperaturach barwowych, możemy odwzorować w zasadzie dowolną krzywą widmową ciała doskonale czarnego z zakresu 3000-5000K. Halogen i metalhalogen o T=5000K pod tym względem, jest źródłem niemal idealnym. Choć założenia teoretyczne wskazują tylko pewne przybliżenie w stosunku do rzeczywistości, to stopień pokrywania się krzywej widmowej (rozkładu Plancka) modelu teoretycznego, daje wnioski, że jest to źródło, będące najlepszym znanym odpowiednikiem światła dziennego.
Halogeny mają jednak poważny problem - ciepło. Tak tak, już o tym pisałem, ale ciepło to nie tylko rachunki za energię. Słowa klucze - temperatura i trwałość. O ile halogeny o niskich temperaturach barwowych mają deklarowany czas pracy do 3000h, to te o wyższych muszą być bardziej gorące, zgodnie z teorią, że temperatura barwowa jest wyższa, kiedy temperatura ciała stałego jest wyższa. Muszą być, ponieważ te o niskiej temperaturze, jak widać po powyższym widmie taniego halogenu, mają braki składowych w zakresach niebieskim i zielonym. Dlatego przedmioty oświetlone ich światłem, mają barwy zaburzone w stronę żółtego i czerwonego. W zastosowaniach, gdzie trzeba emulować światło dzienne, są mało użyteczne.
Rys. Wpływ "ciepłego" widma na wygląd przedmiotów.
Podnosząc temperaturę halogenu do T=4700K osiągniemy widmo bardziej "kompletne", ale wzrośnie temperatura, a trwałość spadnie kilkukrotnie w stosunku do zwykłych 3500K. Z tego samego powodu halogeny 5000K to białe kruki. Bezkompromisowość kosztuje. Trzeba być przygotowanym na zużycie energii, klimatyzowanie pracowni, a na dokładkę, trzeba mieć w szufladzie torbę zapasowych. Wszystko to sprawia, że po halogeny o T=4700-5000K sięga się rzadko, najczęściej przy ekskluzywnych pokazach. W pracowniach foto i graficznych goszczą niesłychanie rzadko.
Światło można jednak uzyskać w inny sposób, nie tylko termiczny. Od dawna istnieją źródła fluorescencyjne i luminescencyjne, gdzie świeci substancja pobudzana przez promieniowanie UV lub przepływ prądu. Źródła tego typu nie działają przez podgrzewanie ciała stałego, przez co mają wyższą sprawność, ale emitowane widmo przestaje przypominać widmo ciała doskonale czarnego. Najgorsze, że nie jest ciągłe. Substancje emitują zakresy długości fali, wynikające z ich właściwości chemicznych. Źródła luminescencyjne, LED, są źródłami wręcz monochromatycznymi, świecącymi tylko w określonym zakresie długości fali.
Rys. Oświetlenie zieloną i niebieską LED.
Jak widać, użyteczność źródeł światła o selektywnym widmie, do oświetlania czegokolwiek, jest dość dyskusyjna. Przypomnijmy sobie jednak zjawisko metameryzmu. Mieszając różne składowe widma, można uzyskać wrażenie światła o dowolnej barwie. Największe oszustwo w kolorymetrii przychodzi więc z ratunkiem w konstrukcji ekonomicznych i efektywnych źródeł światła.
Nie światło a wrażenie światła
Bardzo ważne, aby dobrze zrozumieć skutki, jakie powoduje sztuczne tworzenie wrażenia widzenia barwy, w stosunku do barwy stworzonej w sposób naturalny. Barwa naturalna to konkretna długość fali jaka dociera do oczu i pobudza receptory wzrokowe. Wrażenie barwy to balans barw składowych, wykonywany na widmie. Barwy się miesza, powodując wywołanie konkretnego waloru barwnego.
Rys. Dodawanie (model addytywny) i odejmowanie barw (model substraktywny).
Wystarczy zaświecić w oczy barwami czerwoną i zieloną, a otrzymamy efekt patrzenia na żółty. Niemożliwe? Właśnie to robi w tej chwili Wasz monitor, wyświetlając żółte kółko z rysunku powyżej. Mieszać można przez dodawanie w przypadku świecenia i odejmować w przypadku odbicia od przedmiotów, farb.
Wszystko pięknie, ale to działa tylko, kiedy w widmie jest odpowiednia ilość energii, odpowiadająca długościom fali potrzebnym do efektu metamerycznego. Z przykładu z czerwonym pomidorem, jeśli w widmie brakuje energii promieniowania odpowiadającego czerwieni, to oświetlony takim światłem pomidor będzie wyglądać nienaturalnie.
Rys. Widmo lampy fluorescencyjnej (świetlówki).
Jak widać, widmo w porównaniu do halogenu, jest dramatyczne. Ryzyko "braku" jakiejś długości fali przy odwzorowaniu konkretnych barw, jest duże. Metameryzm, będący z jednej strony sprzymierzeńcem, z drugiej szykuje niezłe pułapki. Aby jakkolwiek sparametryzować jakość świetlówek jako źródła światła, stosuje się wskaźnik CRI (ang. Colour Rendering Index). Oblicza się go odnosząc różnicę kilkunastu wartości referencyjnych indeksów Ra odpowiadających konkretnym wartościom kolorymetrycznym. Indeks 0 oznacza światło monochromatyczne, 100 widmo ciągłe odpowiadające słonecznemu. Wszystkie zakłócenia widma mają wpływ na oddanie barw i wartość indeksu Ra. Choć pomiar CRI nie jest idealny, dość dobrze klasyfikuje różne źródła światła i pomaga na w miarę racjonalny wybór. Przyjmuje się, że poprawność oddania barw do celów profesjonalnych zaczyna się od około Ra=90. Niskie indeksy, około 80-70 to światło choć wizualnie jeszcze akceptowalne, to nie nadające się do pracy. Wartości poniżej 70 powoduje silną degradację widzenia barwnego, zafarby, złe oddawanie barw przedmiotów otoczenia.
Pomiary
Badanie wykonane za pomocą popularnego spektrofotometru X-Rite I1 Pro 2 (rev. E) i oprogramowania BabelColor CT&A (v.4.5).
1. Halogen.
Z racji tego, że nie dysponuję w tej chwili halogenem o wysokiej temperaturze barwowej, zmierzyłem CRI zwykłego, jako punkt odniesienia.
Współczynnik oddania barw rekordowy. Dlaczego, skoro widmo wygląda jak przekątna prostokąta? Wszystko dzięki temu, że widmo jest gładkie, płynne, bez zakłóceń. Wszystkie składowe długości fali są proporcjonalne. Dzięki temu, choć barwy w takim świetle będą "ciepłe", to zmiany są na wszystkich równo. Nie będzie odskoków w postaci zniekształcenia wąskiej grupy barw, jak na przykład czerwony samochód w świetle ulicznej lampy sodowej, który wygląda jak pomarańczowy.
2. Popularne świetlówki dostępne w handlu po 3,99 zł.
Teraz druga granica jakości. Jednym słowem makabra. Świetlówka sprzedawana jako CoolWhite (chłodna biel) ma wyższą temperaturę barwową niż Daylight (dzienne). Charakterystyki widmowe zbliżone, co nie dziwi, wszak producent nie będzie sobie brudził wiader mieszając kijem różne receptury luminoforów. Oddanie barw na złym poziomie. Praca w takim świetle będzie męcząca, nienaturalna.
3. Świetlówki graficzne Philips Graphica oraz Osram Lumilux Proof.
Widma nieco się różniące, Philips nieco chłodniejszy, choć 200K w tych warunkach jest praktycznie niewidoczne. Obie lampy, mimo typowo "świetlówkowego" zębatego widma dają wysokie współczynniki oddania barw. W przypadku lamp fluorescencyjnych i dodatkowo kosztujących raptem 30 do 50 zł/szt to wybitny wynik. Obydwa modele mają wyraźny rozrzut fabryczny, ale bardziej mierzalny niż widoczny.
4. High-endowe świetlówki graficzne JUST Daylight 5000.
Najlepsze na rynku lampy nie będące halogenami. Ra podobny od graficznych świetlówek Philipsa / Osram ale, co ważne, temperatura zbliżona do 5000K. Rozrzut parametrów znikomy. Lampy o tych właściwościach z powodzeniem nadają się do wszystkiego, zarówno oświetlania stanowiska, oglądania wydruków na poziomie niewiele różniącym się od halogenu. I nie jest to kompromis. Nie ma żadnych efektów "trupiego" światła, jak przy świetlówkach "fotograficznych", których z uwagi na niską efektywność świetlną, kiepską trwałość i nieprzyjemne zimnie światło, nawet nie rozważałem w niniejszym teście.
Podsumowanie
Poprawne, a co najważniejsze, naturalnie oświetlone stanowisko pracy, to rzecz nie do przecenienia. Spotyka się często pogląd, że miejsce pracy można oświetlać byle jak, aby tylko w otoczeniu monitora było nieco lepiej niż półmrok. Zgadzam się, że nie należy robić z pomieszczania "laboratorium", ale też nie można popadać w skrajności. Moim zdaniem, wynikającym z ponad 20 lat pracy z obrazem i światłem, wynika że byle jak się nie sprawdza. Światło jest integralną częścią jakości życia. Kiedy świeci piękne słońce, aż chce się wstawać z rana. Kiedy wiszą ciężkie chmury, pogarsza się nam nastrój. Ciepłe światło świec tworzy niesamowity klimat przy kolacji z żoną. Światło wpływa na nas, na humor, na zachowanie, na wszystko. Dlatego miejsce pracy powinno się budować tak, aby pracowało się przyjemnie, a otoczenie było postrzegane tak, jakby pomimo późnej pory, lub fatalnej pogody za oknem, lampy były namiastką prawdziwego słońca.
W problematyce oświetlenia miejsca pracy przy szeroko pojętej edycji fotografii, mamy dwie "szkoły" - "szkołę białostocką" pana Tomka oraz "szkołę krakowską" pana Marcina. Obydwie szkoły mówią zgodnym tonem w jednej spośród dwóch kwestii (ale być może jest ich więcej).