Een kleine duik in de wetenschap om het begrip kleur-temperatuur beter te begrijpen!

Kleurtemperatuur wordt over het algemeen begrepen als de kleur van licht. Technisch gezien is het de wetenschappelijke meting van de temperatuur waarbij een zwart lichaam straling van dezelfde kleur zou uitzenden als een gegeven object. Hoe wordt een temperatuurschaal een meting van kleur?

Inhoudsopgave

1. Wat is kleurtemperatuur?
2. De geschiedenis en wetenschap van kleurtemperatuur
3. De Kelvin-schaal en elektromagnetische straling
4. De oorsprong van de gecorreleerde kleurtemperatuur (CCT)
5. Gecorreleerde kleurtemperatuur versus kleurweergave-index
6. Kleurtemperatuur in leds
7. De rol van kleurtemperatuur in verlichtingsontwerp

1. Wat is kleurtemperatuur?

Voordat we verder gaan, is het belangrijk op te merken dat de termen koel en warm geen betrekking hebben op de temperatuur op de Kelvin-schaal. In plaats daarvan is de kleurverschuiving een correlatie die wordt waargenomen bij het aflezen van de temperatuur. Kleur heeft geen temperatuur, maar temperatuur heeft een kleur.

Om dit te begrijpen, is het nuttig om te kijken naar waar de meting vandaan komt. Vóór de creatie van thermometers waren smeden, pottenbakkers en glasblazers afhankelijk van de kleur van het gloeiende materiaal om de voortgang bij te houden. Denk aan wat er gebeurt wanneer een ijzeren staaf tot een hoge temperatuur wordt verwarmd. Eerst gloeit het rood, dan, naarmate de temperatuur stijgt, wordt het blauwwit. Deze ambachtslieden werkten met het besef dat de meeste mineralen een unieke kleur hadden op verschillende niveaus naarmate de mineralen werden verwarmd.

2. De Geschiedenis en Wetenschap van Kleurtemperatuur

In 1665 verduisterde Isaac Newton zijn kamer aan de Universiteit van Cambridge en maakte een opening in zijn raamluik om een enkele straal zonlicht binnen te laten. Hij nam een glazen prisma en plaatste het in de zonnestraal. Het resultaat was een veelkleurige band van licht die bekend staat als een kleurenspectrum. Newton plaatste vervolgens een tweede prisma, en de regenboog werd hersteld tot wit licht. Newton was de eerste wetenschapper die bewees dat wit licht bestaat uit alle zichtbare kleuren.

In 1724 bedacht Daniel Fahrenheit een kwikthermometer waarbij het aantal stappen (graden) tussen bevriezing en koken van water als 180 werd beschouwd. Bijna twee decennia later, in 1742, creëerde Anders Celsius een meting waarbij 100 stappen tussen dezelfde twee punten werden geplaatst.

De rol van het prisma bij het scheiden van de verschillende kleuren van zichtbaar licht werd gecombineerd met het gebruik van gespecialiseerde thermometers in 1800, toen William Herschel infrarood ontdekte tijdens het bestuderen van de verwarmingseffecten van verschillende kleuren licht.

In 1802 bewees Joseph Louis Gay-Lussac dat een buis die boven op een kolom waterstof dreef, gelijkmatig zou stijgen en dalen met de temperatuur. Met deze kennis merkte hij ook op dat als het afkoelen zou doorgaan, de buis de bodem zou bereiken bij -273℃. Wetenschappers verwijzen naar dit punt als het absolute nulpunt. Op dit punt zullen de deeltjes minimale beweging hebben en verdwijnt de wanorde. Omdat er minimale beweging is, is er niets om warmte te genereren, wat betekent dat niets kouder kan zijn dan het absolute nulpunt.

3. De Kelvin-schaal en Elektromagnetische Straling

William Thomson, beter bekend als Lord Kelvin, is het meest bekend om zijn werk over zwarte lichaamsstraling. Hij gebruikte een temperatuurschaal in zijn werk, die nu zijn naam draagt, Kelvin (K). Het Internationale Stelsel van Eenheden (SI) voor thermodynamische temperatuur begint bij het absolute nulpunt. Het gebruikt dezelfde grootte als de Celsius-graad, wat betekent dat het verschil tussen het bevriezen en koken van water 100 graden is in beide schalen.

Het werk van Lord Kelvin richtte zich op de dynamische theorie van warmte, die stelt dat warmte verschilt van andere vormen van energie omdat het niet wordt opgeslagen binnen een systeem. In plaats daarvan is het altijd energie in beweging. Deze beweging wordt een elektromagnetische golf genoemd.

Elektromagnetische straling is straling met zowel elektrische als magnetische velden en reist in golflengten. Deze golflengten of frequenties komen in zeven typen:

• Radiogolven
• Microgolven
• Infraroodgolven
• Zichtbare lichtgolven
• Ultraviolette golven
• Röntgengolven
• Gammastralen

Volgens de bevindingen van Kelvin straalt een geïdealiseerd ondoorzichtig, niet-reflecterend lichaam (ook wel een zwart lichaamsstraler genoemd) bij absoluut nul geen detecteerbare energie uit. Wanneer verwarmd, geven de atomen en moleculen een deel van hun energie vrij in de vorm van elektromagnetische stralingslicht. Elektromagnetische lichtgolven, weergegeven in toenemende energie, gaan van infrarood naar zichtbaar licht (rood naar oranje naar geel naar groen naar blauw) naar ultraviolet. Zichtbaar licht is het gedeelte van het elektromagnetische spectrum dat zichtbaar is voor het menselijk oog.

Om dit in perspectief te plaatsen, begint het menselijk oog in het donker de emissies van energie rond het bereik van 773K waar te nemen in de vorm van grijs. Dit komt doordat de intensiteit zo laag is dat alleen de grijswaarnemingssensoren van het oog worden geactiveerd. Bij stijgende temperaturen wordt deze gloed zelfs zichtbaar bij achtergrondverlichting.

Dit is gemakkelijk te zien bij het verhitten van ijzer. Naarmate de temperatuur van het object stijgt, wordt een kleurverschuiving waargenomen, eerst als dof rood, dan geel en vervolgens naar blauwwit. Met de documentatie van deze verschuiving in het zichtbare spectrum werd de temperatuur bekend onder zijn kleur. Tegenwoordig wordt deze verschuiving in het zichtbare spectrum gerepresenteerd door de Correlated Color Temperature (CCT).

4. De Oorsprong van de Correlated Color Temperature (CCT)

Het jaar 1931 was belangrijk voor de wetenschap achter het bepalen van de temperatuur aan de hand van kleur. De International Commission of Illumination kondigde de XYZ-kleurruimte aan, die een visuele representatie bood van licht en kleur in de vorm van grafiekcoördinaten. Y vertegenwoordigt helderheid, terwijl X en Z alle mogelijke chromaticiteiten van die helderheid bevatten, of de objectieve specificatie van de kwaliteit van kleur ongeacht de helderheid. De Amerikaanse natuurkundige Deane B. Judd publiceerde een paper over de aard van chromatische stimuli, of het verschil tussen de sensatie van chromaticiteit. De Amerikaanse chemicus en natuurkundige Raymon Davis bedacht de term Correlated Color Temperature (CCT), die hij definieerde als de primaire componenttemperaturen met behulp van trilineaire componenten (of XYZ).

Correlated color temperature is de temperatuur van een zwarte lichaamsstraler wiens waargenomen kleur het meest lijkt op die van een gegeven stimulus bij dezelfde helderheid en onder gespecificeerde kijkomstandigheden. CCT gebruikt XYZ-kleurruimte en de sensatie van chromaticiteit om te meten hoe het zichtbare spectrum van wit licht eruitziet op de warme tot koele schaal ten opzichte van de Kelvin-graden. Deze wiskunde maakt een benadering mogelijk van de kleurtemperaturen van verschillende lichtbronnen.

Met behulp van CCT werd bepaald dat het zichtbare lichtspectrum temperaturen heeft tussen 1.000K en 10.000K. De kleur van natuurlijke bronnen had een bij benadering Kelvin-temperatuur. Daglicht is over het algemeen zeer koel, met kleurtemperaturen van 5300K tot 5500K. Zonsondergang en zonsopgang daarentegen zijn warmer met een Kelvin-meting van 2000K tot 3000K.

Kunstlicht heeft net zoveel variatie in CCT als natuurlijke bronnen. Kaarslicht zit ergens in het bereik van 1.850K tot 1.930K. Typische huishoudelijke wolfraam- en standaard gloeilampen bevinden zich in het bereik van 2500K tot 2900K. Theatrale toepassingen maken gebruik van halogeen lichtbronnen in het bereik van 3000K. Een Compact Fluorescent Lamp (CFL) valt in het bereik van 4200K, wat dicht bij dezelfde kleurtemperatuur ligt als die van de zon in de late ochtend en de late middag.

5. Gecorreleerde kleurtemperatuur versus kleurweergave-index

CCT wordt gebruikt om de temperatuur van een lichtbron te bepalen, maar in het midden van de 20e eeuw toonden kleurspecialisten interesse in het beoordelen van hoe kunstlichten kleuren nauwkeurig konden reproduceren. Hiervoor werd de Color Rendering Index (CRI) gecreëerd.

CCT en CRI meten verschillende aspecten van kleur. CCT is de kleur van het licht dat door de bron wordt uitgestraald door naar de bron te kijken. CRI meet de gereflecteer

de kleurwaarde van een object onder de lichtbron of hoe de lichtbron de kleuren van een object “weergeeft”. Dit wordt gemeten op een schaal van 0 tot 100, waarbij 100 het volledige spectrum van zichtbaar licht en de meest nauwkeurige kleurweergave is.

De kleur van een object wordt bepaald door zijn gereflecteerde kleurgolflengte. Bijvoorbeeld, een snoepappel lijkt rood omdat het de rode golflengten reflecteert en alle andere kleuren in het zichtbare spectrum absorbeert. Als een kunstmatige gloeilamp een CCT heeft die gelijk is aan natuurlijk daglicht, kan men CRI gebruiken om te bepalen of het nauwkeurig hetzelfde spectrum weergeeft. Als het hetzelfde spectrum heeft, zal de reproductie (R) identiek zijn en hetzelfde kleurbereik als de oorspronkelijke bron weergeven. Als het deel van het zichtbare lichtspectrum mist, zal de gereflecteerde kleur vervormd of minder levendig lijken.

De methode om CRI te meten is vergelijkbaar met de visuele beoordeling die wordt gedaan met de snoepappel, maar wordt uitgevoerd met behulp van algoritmische berekeningen zodra het spectrum van de lichtbron is gemeten. Allereerst moet de CCT voor de lichtbron worden berekend om het geschikte spectrum te selecteren voor vergelijking. Dit spectrum wordt bestraald op een reeks kleurmonsters waarvan de gereflecteerde kleur wordt gemeten. De twee kleurmonsters worden vergeleken en formulematig wordt de R-score bepaald voor elk kleurmonster. De R-waarde voor een bepaalde kleur geeft de mogelijkheid van een lichtbron aan om die specifieke kleur nauwkeurig weer te geven. De enige manier om de CRI-waarde van een lichtbron nauwkeurig te meten, is door gebruik te maken van een gespecialiseerd spectraal meetapparaat. De gegevens die door deze apparaten worden verzameld, zijn waar fabrikanten van verlichting op vertrouwen om realistische kleurweergavemetingen te garanderen.

Bij verwijzing naar lichtnauwkeurigheid heeft elke kleurtemperatuur een “referentiestandaard”, dat is de lichtbron die de meest natuurlijke verlichting biedt voor vergelijking. Bijvoorbeeld, 6500K heeft een referentiestandaard die ongeveer gelijk is aan het licht rond het middaguur op een heldere zomerdag. Om deze vergelijking te maken, wordt de lichtbron vergeleken met het licht van zijn referentiestandaard. Deze eis om een kleurtemperatuurwaarde te hebben om de vergelijkingskleur te bepalen, betekent dat CRI op zichzelf bijna betekenisloos is. Een lamp met een CRI van 95 lijkt indrukwekkend, totdat wordt onthuld dat het wordt vergeleken met de golflengte van een 2700K gloeilamp.

Om deze reden is het belangrijk om eerst naar de kleurtemperatuur voor de toepassing te kijken en daarna pas naar CRI te kijken. Wil je bijvoorbeeld dat een kamer het licht van natuurlijk daglicht nabootst? Kies eerst een hoge kleurtemperatuurwaarde (5000K of hoger) en zoek vervolgens een lamp in dat bereik met een hoge CRI-waarde.

6. Kleurtemperatuur in LEDs

De traditionele gloeilamp zendt licht uit door een draadfilament te verwarmen met een elektrische stroom om fotonen, energiepakketten van licht, uit te zenden. LEDs gebruiken een fenomeen waarbij fotonemissie wordt gecreëerd door de elektronische excitatie van een materiaal om licht te creëren. Het meest gebruikte materiaal is galliumarseen, maar er zijn veel variaties van deze verbinding in gebruik. al deze verbindingen bevinden zich in de III tot V groep van halfgeleiders, of verbindingen die zich bevinden in kolommen III en V van het periodiek systeem. Dit is belangrijk om te onthouden, want afhankelijk van de combinatie van halfgeleiders kan de golflengte (en daarmee de kleur) worden veranderd. Elke combinatie komt overeen met een Kelvin en de bijbehorende CCT.

LED-lichtbronnen zullen ook een CRI-nummer bevatten om de nauwkeurigheid van de kleurweergave aan te geven, wat gemiddeld tussen 80 en 90 op de CRI-schaal ligt. Deze nauwkeurigheid maakt ze beter geschikt voor een binnenomgeving dan alternatieve verlichtingsopties (zoals de gemiddelde tl-buis met een gemiddelde CRI van ongeveer 50).

7. De Rol van Kleurtemperatuur in Lichtontwerp

Denk aan een keer dat een vergaderruimte op kantoor overweldigend aanvoelde. Overweeg nu de ontspannen sensatie van een kampvuur. Deze voorbeelden bevinden zich aan tegenovergestelde uiteinden van een emotionele sensatie: de ene onderdrukkend en de andere verlichtend. Denk nu aan de kleurtemperatuur van die situaties. Het kampvuur had een warme kleur, terwijl het kantoor koud was. In beide situaties speelt de kleur van het licht een rol in de reactie van de hersenen op de omgeving. Om deze reden kan het kiezen van de juiste kleurtemperatuur een van de belangrijkste factoren zijn bij het verlichten van een ruimte.

De natuurlijke kleurtemperaturen die gedurende de dag worden waargenomen, variëren van warm naar koel naar warm. Dit is een patroon dat van invloed is op de interne klok, ook wel het circadiane ritme genoemd. In de natuurlijke wereld zijn er drie bronnen van licht: de zon, de nachtelijke hemel en vuur. Kunstlicht beïnvloedt onze cognitieve processen. Onze lichamen zijn bedraad om op verschillende momenten van de dag hormonen vrij te geven, wat van invloed is op onze stemming en alertheid. Onze geest is het meest actief wanneer de zon op zijn helderst is, maar naarmate de zon de horizon bereikt, begint het lichaam tot rust te komen en te ontspannen. Licht geeft signalen aan onze hersenen om onze hongerrespons, lichaamstemperatuur en hormonensecretie te reguleren. Recente studies tonen positieve gezondheidsveranderingen aan in omgevingen waar kunstverlichting de temperaturen van de zon gedurende de dag nabootst.

Studies tonen aan dat de geesten kunnen worden misleid om zich op specifieke manieren te gedragen op basis van de kleurtemperatuur. Warmer licht heeft de neiging meer ontspannend te zijn omdat onze interne klok het associeert met het einde van de dag en het voorbereiden om te slapen. Koelere kleuren hebben het tegenovergestelde effect omdat die klok de hersenen vertelt dat het midden van de dag is en actief zou moeten zijn. Met die kennis wordt kleurtemperatuur het best geselecteerd door rekening te houden met het gebruik van de ruimte.

• Wanneer scherpe focus nodig is, kies dan een kleurtemperatuur die dichter bij daglicht ligt in het spectrum van 3500K tot 4100K.
• Voor ontspanning, plaats lampen die dichter bij zonlicht tijdens het gouden uur of kaarslicht (2000k-3000k) komen.
• In gebieden die van doel veranderen, boots de hoek van de zon na bij het selecteren van een kleurtemperatuur.
• Plaats een “neutrale” kleurtemperatuur in overheadarmaturen in het bereik van 3500K tot 5000 voor taken die meer aandacht vereisen.

Daglicht aan het begin en het einde van de dag is enigszins warm, en velen geloven dat het interieur op een vergelijkbare manier moet reageren. Naarmate de hoogte van het armatuur de vloer nadert, warmt de kleurtemperatuur op, wat het natuurlijke cyclus van de zon nabootst.

Koel Wit licht, kleurtemperaturen van 5000K en hoger, voegen een blauwachtige tint toe aan bestaande kleuren. Deze kleurreeks maakt rood minder intens en versterkt bestaande blauwtinten. Koel wit creëert een heldere, verkwikkende en attente sfeer vanwege de gelijkenis met de intensiteit en helderheid van zonlicht. Lampen in dit bereik worden vaak gebruikt in magazijnen en industriële faciliteiten. De meest toegankelijke temperaturen in het koele spectrum zijn Bright White (helder wit) en Daylight White (daglicht wit).

Bright White, 5000K op de kleurenschaal, is levendig en helder zonder de kleuren te vervormen. Dit is het bereik dat het beste voldoet aan de OSHA-voorschriften. Hierdoor wordt deze kleurreeks vaak gebruikt in magazijnen, stadions en gezondheidsomgevingen. Daylight White light, op 6500K, is een favoriet van ontwerpers voor zaken als interne landbouw, kunststudio’s, beveiligingsverlichting, autowerkplaatsen, straatlantaarns en grote industriële ruimtes. Dit spectrum is geweldig voor deze toepassingen omdat het daglicht nabootst. Deze gelijkenis zorgt voor consistentie van kleur gedurende de dag.

Neutraal Wit licht, met kleurtemperaturen tussen 3500K en 5000K, verbetert alle bestaande kleuren. Deze kleurnauwkeurigheid maakt dit bereik veelgebruikt in winkels, kantoren en showrooms. Deze kleurreeks verbetert de efficiëntie en levendigheid en geeft toch het gevoel van balans aan een ruimte. De twee kleurnamen in dit temperatuurbereik zijn Neutraal Wit en Koel Wit. Vaak vertegenwoordigd in dit bereik is “Neutraal Wit”, of 3500K kleurtemperatuur. Beschouwd als het dichtst bij echt wit, wordt deze kleurtemperatuur gebruikt in kantoorruimtes en winkels. De naam Koel Wit is een beetje misleidend. Deze kleur heeft een temperatuur van 4100K, ruim binnen het neutrale kleurbereik. Aan het koelere uiteinde is deze kleur ideaal voor gebieden waar precisie, netheid en focus belangrijk zijn, zoals garages, kunststudio’s en supermarkten.

Warm Wit licht, kleurtemperaturen van 3500K en lager, voegen een amberkleurige tint toe aan bestaande kleuren. Dit zorgt ervoor dat rood levendiger lijkt en blauwtinten doffer lijken. Deze kleurreeks voelt uitnodigend, gezellig, kalm, uitnodigend en intiem aan, daarom wordt het gebruikt in huizen, restaurants, spa’s en hospitality-projecten. Warm Wit wordt beschouwd als de kleurtemperatuur die het vaakst wordt gekocht voor thuis en heeft een temperatuurmeting van 2700K. Deze specifieke temperatuur wordt gebruikt in woonkamers, restaurants en hotels. Aan het koelere uiteinde van dit bereik bevindt zich de kleur die bekend staat als Soft White, met een meting gelijk aan 3000K. Dit zorgt voor een ontspannen sfeer met meer helderheid, dus het wordt vaak geplaatst in badkamers en thuiskeukens.

In kamers waar daglicht voor omgevingsverlichting zorgt, moeten ontwerpers een passende kleurtemperatuur kiezen. Zoals eerder vastgesteld, is daglicht aan het koelere uiteinde van het spectrum. Lampen in het bereik van 5500K en hoger lijken te koud na zonsondergang. Om deze reden kiezen sommige ontwerpers ervoor om lampen in het bereik van 3500K en 4100K te plaatsen. Dit neutrale bereik is niet te warm wanneer het wordt gecombineerd met daglicht en lijkt ’s avonds niet blauw. 2700K en 3000K zal merkbaar warmer zijn en kan geschikt zijn wanneer ’s avonds een warme kleurtemperatuur gewenst is. Als vuistregel wordt trouwens ook wel gehanteerd dat hoe dichter men bij de evenaar komt, hoe “kouder” de gebruikte kleurtemperatuur wordt. in Scandinavië is het gebruik van 2400K kleurtemperatuur zeker geen uitzondering. In projecten in Zuid Europa zien wij bijna altijd een voorkeur van minimaal 3000K…