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).