Цветовая температура — это количественная характеристика цвета излучения, основанная на аналогии с температурным излучением абсолютно черного тела. Она определяется как температура абсолютно черного тела, при которой оно излучает свет той же видимой окраски, что и рассматриваемый источник. Измеряется в кельвинах (К).
Цветовая температура особенно важна при описании визуального восприятия источников света: ламп, Солнца, светодиодов и т. д. Например, цветовая температура солнечного света в полдень составляет около 5500–6000 К, в то время как у лампы накаливания — около 2700 К. Свет с низкой цветовой температурой воспринимается как «теплый» (желтовато-красный оттенок), а с высокой — как «холодный» (синевато-белый оттенок).
Абсолютно черное тело является идеализированным объектом, который полностью поглощает все падающее на него излучение и излучает энергию в соответствии с температурой. Распределение энергии излучения по длинам волн описывается законом Планка:
$$ I(\lambda, T) = \frac{2hc^2}{\lambda^5} \cdot \frac{1}{e^{\frac{hc}{\lambda kT}} - 1} $$
где:
По мере повышения температуры максимум излучения смещается в сторону более коротких волн — это отражает закон смещения Вина:
$$ \lambda_{\text{макс}} = \frac{b}{T} $$
где b ≈ 2, 897 × 10−3 м ⋅ К — постоянная Вина.
Таким образом, цвет излучения становится «холоднее» (более синим) при увеличении температуры.
На практике большинство источников света не излучают идеальный спектр абсолютно черного тела. В таких случаях используют понятие коррелированной цветовой температуры (CCT) — это температура черного тела, при которой визуально воспринимаемый цвет излучения совпадает с цветом реального источника.
CCT особенно широко используется в светотехнике и фотографии. Например, белые светодиоды могут иметь CCT от 2700 К (теплый белый) до 6500 К (дневной холодный белый).
Цвет можно количественно охарактеризовать с помощью координат в пространстве цветности, например, в системе CIE 1931 (x, y). В этой системе:
Для определения CCT конкретного источника находят точку его цветности на диаграмме CIE и подбирают ближайшую точку планковского локуса.
Для описания света источника важно знать, как мощность излучения распределена по длинам волн. Это определяется спектральной плотностью мощности излучения Φλ или спектральной световой эффективностью.
Лампа накаливания: Спектр близок к излучению абсолютно черного тела с температурой около 2700 К. Излучение интенсивно в длинноволновой (красной) области и быстро убывает в синей части спектра. Поэтому свет тёплый, с преобладанием жёлто-красных оттенков.
Люминесцентные лампы: Обладают сложным спектром с несколькими ярко выраженными линиями. Их спектральные характеристики зависят от типа люминофора. Цветовая температура может быть от 3000 до 6500 К, но CRI часто ниже 90.
Светодиоды: Могут иметь различный спектральный состав. Белые светодиоды часто получают путем возбуждения люминофора синим чипом. Спектр состоит из узкого синего пика и широкого желтого компонента. Характеристики зависят от состава люминофора и технологии изготовления.
Солнце: Солнечный спектр близок к излучению абсолютно черного тела с температурой около 5778 К, но с наличием линий поглощения — так называемых фраунгоферовых линий. Атмосферное рассеяние изменяет восприятие солнечного цвета в зависимости от угла наблюдения (например, красный закат).
Фотография и видеосъёмка: Цветовая температура используется для установки баланса белого. Камеры регулируют усиление каналов RGB, чтобы белый цвет на снимке соответствовал нейтральному при разных типах освещения.
Светотехника: Подбор источников с нужной CCT влияет на комфорт и продуктивность. Теплый свет (2700–3000 К) используется в жилых помещениях, холодный (5000–6500 К) — в офисах и промышленных зонах.
Астрономия и спектроскопия: Анализ цветовой температуры звёзд позволяет определить их температуру, химический состав и стадию эволюции. Спектры звезд классифицируются по температурным классам (O, B, A, F, G, K, M).
Следует различать энергетическую и фотометрическую оценку света. Спектральная плотность мощности Φλ выражается в Вт/нм, тогда как спектральная световая эффективность учитывает чувствительность человеческого глаза к разным длинам волн (функция V(λ)):
Φv = Km∫Φλ(λ)V(λ) dλ
где Km = 683 лм/Вт — максимальная световая эффективность излучения при 555 нм. Таким образом, два источника с одинаковой энергетической мощностью могут иметь разную освещённость из-за различий в спектральном составе.
Свет различной цветовой температуры по-разному влияет на циркадные ритмы человека. Холодный свет (около 6500 К), содержащий большое количество синего компонента, подавляет выработку мелатонина и способствует бодрствованию. Поэтому его используют в рабочих и медицинских помещениях. Теплый свет предпочтителен вечером — он способствует расслаблению и засыпанию.
Цветовая температура — это психофизическая характеристика, и она не всегда отражает реальный спектральный состав. Два источника с одинаковой CCT могут давать существенно различное освещение и цветопередачу. Поэтому наряду с CCT важно учитывать:
Полноценная оценка качества источника требует анализа полного спектра, а не только одной интегральной величины.