Iluminante estándar

Fuente teórica de luz visible.

Distribuciones relativas de potencia espectral (SPD) de iluminantes CIE A, B y C de 380 nm a 780 nm .

Un iluminante estándar es una fuente teórica de luz visible con una distribución de potencia espectral publicada. Los iluminantes estándar proporcionan una base para comparar imágenes o colores grabados bajo diferentes luces.

iluminantes CIE

La Comisión Internacional de Iluminación (normalmente abreviada CIE por su nombre francés) es el organismo responsable de publicar todos los iluminantes estándar conocidos. Cada uno de ellos se conoce por una letra o por una combinación de letra y número.

Los iluminantes A, B y C se introdujeron en 1931, con la intención de representar respectivamente la luz incandescente promedio, la luz solar directa y la luz diurna promedio. Los iluminantes D (1967) representan variaciones de la luz del día, el iluminante E es el iluminante de igual energía, mientras que los iluminantes F (2004) representan lámparas fluorescentes de diversa composición.

Hay instrucciones sobre cómo producir experimentalmente fuentes de luz ("fuentes estándar") correspondientes a las bombillas más antiguas. Para los relativamente más nuevos (como la serie D), los experimentadores deben medir los perfiles de sus fuentes y compararlos con los espectros publicados: ^[1]

Actualmente no se recomienda ninguna fuente artificial para realizar el iluminante estándar CIE D65 o cualquier otro iluminante D de diferente CCT. Se espera que los nuevos avances en fuentes de luz y filtros ofrezcan con el tiempo una base suficiente para una recomendación de la CIE.

—  CIE, Informe técnico (2004) Colorimetría, 3.ª ed., Publicación 15:2004, Oficina Central de la CIE, Viena

Sin embargo, sí proporcionan una medida, denominada índice de metamerismo , para evaluar la calidad de los simuladores de luz natural. ^{[2] [3]} El índice de metamerismo prueba qué tan bien coinciden cinco conjuntos de muestras metaméricas bajo el iluminante de prueba y de referencia. De manera similar al índice de reproducción cromática , se calcula la diferencia promedio entre los metámeros. ^[4]

Iluminante A

La CIE define el iluminante A en estos términos:

El iluminante A estándar CIE pretende representar la iluminación doméstica típica con filamento de tungsteno. Su distribución de potencia espectral relativa es la de un radiador Planckiano a una temperatura de aproximadamente 2856 K. El iluminante A estándar CIE debe usarse en todas las aplicaciones de colorimetría que impliquen el uso de iluminación incandescente, a menos que existan razones específicas para usar un iluminante diferente.

—  CIE, Iluminantes estándar CIE para colorimetría

La salida radiante espectral de un cuerpo negro sigue la ley de Planck :

${\displaystyle M_{e,\lambda }(\lambda ,T)={\frac {c_{1}\lambda ^{-5}}{\exp \left({\frac {c_{2}}{\lambda T}}\right)-1}}.}$

En el momento de estandarizar el iluminante A, ambos (lo que no afecta el SPD relativo) y eran diferentes. En 1968, la estimación de c ₂ se revisó de 0,01438 m·K a 0,014388 m·K (y antes de eso, era 0,01435 m·K cuando se estandarizó el iluminante A). Esta diferencia desplazó el lugar geométrico de Planck , cambiando la temperatura de color del iluminante de su nominal 2848 K a 2856 K: ${\displaystyle c_{1}=2\pi \cdot h\cdot c^{2}}$ ${\displaystyle c_{2}=h\cdot c/k}$

${\displaystyle T_{new}=T_{old}\times {\frac {1.4388}{1.435}}=2848\ {\text{K}}\times 1.002648=2855.54\ {\text{K}}.}$

Para evitar posibles cambios adicionales en la temperatura del color, la CIE ahora especifica el SPD directamente, basándose en el valor original (1931) de c ₂ : ^[1]

${\displaystyle S_{A}(\lambda )=100\left({\frac {560}{\lambda }}\right)^{5}{\frac {\exp {\frac {1.435\times 10^{7}}{2848\times 560}}-1}{\exp {\frac {1.435\times 10^{7}}{2848\lambda }}-1}}.}$

Los coeficientes se han seleccionado para lograr un SPD normalizado de 100 a 560 nm . Los valores del triestímulo son ( X , Y , Z ) = (109,85, 100,00, 35,58) y las coordenadas de cromaticidad utilizando el observador estándar son ( x , y ) = (0,44758, 0,40745) .

Iluminantes B y C

Los iluminantes B y C son simulaciones de luz diurna fáciles de lograr. Modifican el iluminante A mediante el uso de filtros de líquido. B sirvió como representante de la luz solar del mediodía, con una temperatura de color correlacionada (CCT) de 4874 K, mientras que C representó la luz diurna promedio con una CCT de 6774 K. Desafortunadamente, son aproximaciones pobres de cualquier fase de la luz natural, particularmente en el onda corta visible y en los rangos espectrales ultravioleta. Una vez que se pudieron lograr simulaciones más realistas, los iluminantes B y C quedaron obsoletos en favor de la serie D. ^[1]

El iluminante C no tiene el estatus de iluminantes estándar CIE, pero su distribución de potencia espectral relativa, valores de triestímulo y coordenadas de cromaticidad se dan en la Tabla T.1 y la Tabla T.3, ya que muchos instrumentos de medición y cálculos prácticos todavía utilizan este iluminante.

—  CIE, Publicación 15:2004 ^[5]

El iluminante B no recibió tanto honor en 2004.

Los filtros de líquido, diseñados por Raymond Davis, Jr. y Kasson S. Gibson en 1931, ^[6] tienen una absorbancia relativamente alta en el extremo rojo del espectro, lo que aumenta efectivamente el CCT de la lámpara incandescente a niveles de luz diurna. Su función es similar a la del gel de color CTB que los fotógrafos y directores de fotografía utilizan hoy en día, aunque mucho menos conveniente.

Cada filtro utiliza un par de soluciones, que comprenden cantidades específicas de agua destilada, sulfato de cobre , manita , piridina , ácido sulfúrico , cobalto y sulfato de amonio . Las soluciones están separadas por una lámina de vidrio incoloro. Las cantidades de los ingredientes se eligen cuidadosamente para que su combinación produzca un filtro de conversión de temperatura de color; es decir, la luz filtrada sigue siendo blanca.

Iluminante serie D

Distribución de potencia espectral relativa del iluminante D y un cuerpo negro de la misma temperatura de color correlacionada (en rojo), normalizada alrededor de 560 nm .

La serie D de iluminantes está diseñada para representar la luz natural y se sitúa a lo largo del lugar de la luz natural . Son difíciles de producir artificialmente, pero fáciles de caracterizar matemáticamente.

En 1964, HW Budde del Consejo Nacional de Investigación de Canadá en Ottawa , HR Condit y F. Grum de Eastman Kodak Company en Rochester, Nueva York , ^[7] y ST Henderson y D. Hodgkiss de Thorn Electrical Industries en Enfield (norte de Londres) , ^[8] totalizando entre ellos 622 muestras. Deane B. Judd , David MacAdam y Günter Wyszecki analizaron estas muestras y descubrieron que las coordenadas de cromaticidad ( x , y ) seguían una relación cuadrática simple , más tarde conocida como el lugar geométrico de la luz del día: ^[9]

${\displaystyle y=2.870x-3.000x^{2}-0.275.}$

El análisis de vectores característicos reveló que los SPD podrían aproximarse satisfactoriamente utilizando la media (S ₀ ) y los dos primeros vectores característicos (S ₁ y S ₂ ): ^{[10] [11]}

${\displaystyle S_{D}(\lambda )=S_{0}(\lambda )+M_{1}S_{1}(\lambda )+M_{2}S_{2}(\lambda ).}$

Vectores característicos del iluminante D; SPD componentes S ₀ (azul), S ₁ (verde), S ₂ (rojo).

En términos más simples, el SPD de las muestras de luz diurna estudiadas se puede expresar como la combinación lineal de tres SPD fijos. El primer vector (S ₀ ) es la media de todas las muestras de SPD, que es el SPD mejor reconstituido que se puede formar sólo con un vector fijo. El segundo vector (S ₁ ) corresponde a la variación amarillo-azul (a lo largo del lugar), lo que explica los cambios en la temperatura de color correlacionada debido a la proporción de luz solar indirecta a directa. ^[9] El tercer vector (S ₂ ) corresponde a la variación rosa-verde (en todo el lugar) causada por la presencia de agua en forma de vapor y neblina. ^[9]

El locus planckiano está representado en el UCS CIE 1960 , junto con isotermas (líneas de temperatura de color correlacionada constante ) y coordenadas de iluminancia representativas.

Cuando la CIE formalizó la serie D, ^[12] se incluyó un cálculo de la cromaticidad para una isoterma particular. ^[13] Judd y cols. Luego extendió los SPD reconstituidos a 300 nm – 330 nm y 700 nm – 830 nm utilizando los datos de absorbancia espectral de la Luna de la atmósfera terrestre. ^[14] Los SPD tabulados que presenta hoy la CIE se derivan de la interpolación lineal de los datos de 10 nm establecidos hasta 5 nm . ^[15] Sin embargo, existe una propuesta para utilizar la interpolación spline en su lugar. ^[dieciséis] ${\displaystyle (x,y)}$

Se han llevado a cabo estudios similares en otras partes del mundo, o repitiendo Judd et al.' Análisis con métodos computacionales modernos. En varios de estos estudios, el locus de luz diurna está notablemente más cerca del locus planckiano que en Judd et al. ^{[17] [18]}

La CIE posiciona la D65 como iluminante de luz diurna estándar:

[D65] está destinado a representar la luz del día promedio y tiene una temperatura de color correlacionada de aproximadamente 6500 K. El iluminante estándar CIE D65 debe usarse en todos los cálculos colorimétricos que requieran luz del día representativa, a menos que existan razones específicas para usar un iluminante diferente. Se sabe que ocurren variaciones en la distribución relativa de potencia espectral de la luz del día, particularmente en la región espectral ultravioleta, en función de la estación, la hora del día y la ubicación geográfica.

—  ISO 10526:1999/CIE S005/E-1998, Iluminantes estándar CIE para colorimetría ^[19]

Lugar de luz natural en el UCS CIE 1960. Las isotermas son perpendiculares al lugar de Planck. Las dos secciones del lugar de luz diurna, de 4000 a 7000 K y de 7000 a 25 000 K, están codificadas por colores. Tenga en cuenta que los dos loci están separados por una distancia bastante uniforme, de alrededor de . ${\displaystyle \Delta _{uv}=0.003}$

Cálculo

La distribución relativa de potencia espectral (SPD) de un iluminante de la serie D se puede derivar de sus coordenadas de cromaticidad en el espacio de color CIE 1931 . ^[20] En primer lugar, se deben determinar las coordenadas de cromaticidad: ${\displaystyle S_{D}(\lambda )}$ ${\displaystyle (x_{D},y_{D})}$

${\displaystyle x_{D}={\begin{cases}0.244063+0.09911{\frac {10^{3}}{T}}+2.9678{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-4.6070{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&4000\ \mathrm {K} \leq T\leq 7000\ \ \mathrm {K} \\0.237040+0.24748{\frac {10^{3}}{T}}+1.9018{\frac {10^{6}}{T^{2}}}-2.0064{\frac {10^{9}}{T^{3}}}&7000\ \mathrm {K} <T\leq 25000\ \mathrm {K} \end{cases}}}$

${\displaystyle y_{D}=-3.000x_{D}^{2}+2.870x_{D}-0.275}$

donde T es el CCT del iluminante. Tenga en cuenta que los CCT de los iluminantes canónicos, D ₅₀ , D ₅₅ , D ₆₅ y D ₇₅ , difieren ligeramente de lo que sugieren sus nombres. Por ejemplo, el D50 tiene un CCT de 5003 K (luz de "horizonte"), mientras que el D65 tiene un CCT de 6504 K (luz de mediodía). Esto se debe a que el valor de las constantes de la ley de Planck ha cambiado ligeramente desde la definición de estos iluminantes canónicos, cuyos SPD se basan en los valores originales de la ley de Planck. ^[1] La misma discrepancia se aplica a todos los iluminantes de la serie D (D ₅₀ , D ₅₅ , D ₆₅ , D ₇₅ ) y puede "rectificarse" multiplicando la temperatura de color nominal por ; por ejemplo para D ₆₅ . ${\displaystyle {\frac {c_{2}}{1.4380}}}$ ${\displaystyle 6500\ {\text{K}}\times {\frac {1.438776877\dots }{1.4380}}=6503.51\ {\text{K}}}$

Para determinar el SPD de la serie D (S _D ) que corresponde a esas coordenadas, se determinan los coeficientes M ₁ y M ₂ de los vectores característicos S ₁ y S _{2 :}

${\displaystyle S_{D}(\lambda )=S_{0}(\lambda )+M_{1}S_{1}(\lambda )+M_{2}S_{2}(\lambda ),}$

${\displaystyle M_{1}=(-1.3515-1.7703x_{D}+5.9114y_{D})/M,}$

${\displaystyle M_{2}=(0.0300-31.4424x_{D}+30.0717y_{D})/M,}$

${\displaystyle M=0.0241+0.2562x_{D}-0.7341y_{D}}$

¿Dónde están la media y los dos primeros SPD de vectores propios , que se muestran en la figura? ^[20] Ambos vectores característicos tienen un cero a 560 nm , ya que todos los SPD relativos se han normalizado alrededor de este punto. Para que coincidan todos los dígitos significativos de los datos publicados de los iluminantes canónicos, los valores de M ₁ y M ₂ deben redondearse a tres decimales antes del cálculo de S _D . ^[1] ${\displaystyle S_{0}(\lambda ),S_{1}(\lambda ),S_{2}(\lambda )}$

Valores D65

Utilizando el observador estándar de 2° , las coordenadas de cromaticidad del espacio de color CIE 1931 de D65 son ^[21]

$${\displaystyle {\begin{aligned}x&=0.31272\\y&=0.32903\end{aligned}}}$$

y los valores del triestímulo XYZ (normalizados a Y = 100 ), son

$${\displaystyle {\begin{alignedat}{2}X&={}&95.047\\Y&={}&100{\phantom {.000}}\\Z&={}&108.883\end{alignedat}}}$$

Para el observador suplementario de 10 ° , ^{[ cita necesaria ]}

$${\displaystyle {\begin{aligned}x&=0.31382\\y&=0.33100\end{aligned}}}$$

$${\displaystyle {\begin{alignedat}{2}X&={}&94.811\\Y&={}&100{\phantom {.000}}\\Z&={}&107.304\end{alignedat}}}$$

Dado que D65 representa luz blanca , sus coordenadas también son un punto blanco , correspondiente a una temperatura de color correlacionada de 6504 K. Rec. 709 , utilizado en sistemas HDTV , trunca las coordenadas CIE 1931 a x=0,3127, y=0,329.

Simulador de luz natural

No existen fuentes de luz diurna reales, sólo simuladores. Construir una fuente de luz práctica que emule un iluminante de la serie D es un problema difícil. La cromaticidad se puede replicar simplemente tomando una fuente de luz conocida y aplicando filtros, como el Spectralight III, que utiliza lámparas incandescentes filtradas. ^[22] Sin embargo, los SPD de estas fuentes se desvían del SPD de la serie D, lo que lleva a un mal desempeño en el índice de metamerismo CIE . ^{[23] [24]} En la década de 2010 se lograron mejores fuentes con LED blancos recubiertos de fósforo que pueden emular fácilmente los iluminantes A, D y E con un alto CRI. ^[25]

Iluminante E

El iluminante E está debajo del locus planckiano y aproximadamente en el CCT de D ₅₅ .

El iluminante E es un radiador de igual energía; Tiene un SPD constante dentro del espectro visible . Es útil como referencia teórica; un iluminante que da el mismo peso a todas las longitudes de onda. También tiene valores de triestímulo CIE XYZ iguales , por lo que sus coordenadas de cromaticidad son (x,y)=(1/3,1/3). Esto es por diseño; Las funciones de coincidencia de colores XYZ están normalizadas de modo que sus integrales en el espectro visible sean las mismas. ^[1]

El iluminante E no es un cuerpo negro, por lo que no tiene temperatura de color, pero puede aproximarse a ella mediante un iluminante de la serie D con un CCT de 5455 K. (De los iluminantes canónicos, el D ₅₅ es el más cercano). Los fabricantes a veces comparan fuentes de luz contra el iluminante E para calcular la pureza de excitación . ^[26]

Serie de iluminantes F

La serie F de iluminantes representa varios tipos de iluminación fluorescente .

F1–F6 "standard" fluorescent lamps consist of two semi-broadband emissions of antimony and manganese activations in calcium halophosphate phosphor.^[27] F4 is of particular interest since it was used for calibrating the CIE color rendering index (the CRI formula was chosen such that F4 would have a CRI of 51). F7–F9 are "broadband" (full-spectrum light) fluorescent lamps with multiple phosphors, and higher CRIs. Finally, F10–F12 are narrow triband illuminants consisting of three "narrowband" emissions (caused by ternary compositions of rare-earth phosphors) in the R,G,B regions of the visible spectrum. The phosphor weights can be tuned to achieve the desired CCT.

The spectra of these illuminants are published in Publication 15:2004.^[5][28]

• 
  FL 1–6: Standard
• 
  FL 7–9: Broadband
• 
  FL 10–12: Narrowband

Illuminant series LED

Publication 15:2018 introduces new illuminants for different white LED types with CCTs ranging from approx. 2700 K to 6600 K.

LED-B1 through B5 defines LEDs with phosphor-converted blue light. LED-BH1 defines a blend of phosphor-converted blue and a red LED. LED-RGB1 defines the white light produced by a tricolor LED mix. LED-V1 and V2 define LEDs with phosphor-converted violet light.

White point

The spectrum of a standard illuminant, like any other profile of light, can be converted into tristimulus values. The set of three tristimulus coordinates of an illuminant is called a white point. If the profile is normalized, then the white point can equivalently be expressed as a pair of chromaticity coordinates.

If an image is recorded in tristimulus coordinates (or in values which can be converted to and from them), then the white point of the illuminant used gives the maximum value of the tristimulus coordinates that will be recorded at any point in the image, in the absence of fluorescence. It is called the white point of the image.

The process of calculating the white point discards a great deal of information about the profile of the illuminant, and so although it is true that for every illuminant the exact white point can be calculated, it is not the case that knowing the white point of an image alone tells you a great deal about the illuminant that was used to record it.

White points of standard illuminants

A continuación se proporciona una lista de iluminantes estandarizados, sus coordenadas de cromaticidad CIE (x,y) de un difusor perfectamente reflectante (o transmisor) y sus temperaturas de color correlacionadas (CCT). Las coordenadas de cromaticidad CIE se dan tanto para el campo de visión de 2 grados (1931) como para el campo de visión de 10 grados (1964). ^[29] Las muestras de color representan el color de cada punto blanco, calculado automáticamente por Wikipedia utilizando la plantilla de temperatura de color .

1. simplemente utilizan el punto blanco de esta iluminante estándar; no emiten el espectro requerido.

Referencias

1. Schanda, János (2007). "3: Colorimetría CIE". Colorimetría: comprensión del sistema CIE . Wiley Interciencia . págs. 37–46. ISBN 978-0-470-04904-4.
2. Informe técnico CIE (1999). Un método para evaluar la calidad de los simuladores de luz natural para colorimetría. 51.2-1999 (incluido el Suplemento 1-1999). París: Oficina central de la CIE. ISBN 978-92-9034-051-5. Archivado desde el original el 16 de abril de 2008. Se proporciona un método para evaluar la idoneidad de una fuente de prueba como simulador de iluminantes estándar CIE D55, D65 o D75. El Suplemento, elaborado en 1999, añade el Iluminante CIE D50 a la línea de iluminantes a los que se puede aplicar el método. Para cada uno de estos iluminantes estándar, se suministran datos del factor de radiancia espectral para cinco pares de muestras no fluorescentes que son coincidencias metaméricas. Se calculan las diferencias colorimétricas de los cinco pares para el iluminante de prueba; el promedio de estas diferencias se toma como índice de metamerismo en el rango visible y se utiliza como medida de la calidad del iluminante de prueba como simulador para muestras no fluorescentes. Para las muestras fluorescentes, la calidad se evalúa además en términos de un índice de metamerismo en el rango ultravioleta, definido como el promedio de las diferencias colorimétricas calculadas con el iluminante de prueba para otros tres pares de muestras, cada par consiste en una muestra fluorescente y una no fluorescente que se metamérica bajo el iluminante estándar.
3. Norma CIE (2004). Método estándar para evaluar la calidad espectral de simuladores de luz natural para evaluación visual y medición de color. S012/E:2004.Preparado por TC 1-53 "Un método estándar para evaluar la calidad de los simuladores de luz natural". Norma ISO 23603:2005(E).
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5. Informe técnico CIE (2004). Colorimetría. Publicación 15:2004 (3ª ed.). Oficina Central de la CIE, Viena. ISBN 978-3-901906-33-6. Archivado desde el original el 13 de febrero de 2008.
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7. Condit, Harold R.; Grum, Frank (julio de 1964). "Distribución de energía espectral de la luz natural". JOSÁ . 54 (7): 937–944. doi :10.1364/JOSA.54.000937.
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   Henderson, Stanley Thomas; Hodgkiss, D. (1964). "La distribución de energía espectral de la luz del día". Revista británica de física aplicada . 15 (8): 947–952. Código bibliográfico : 1964BJAP...15..947H. doi :10.1088/0508-3443/15/8/310.
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17. Los estudios de las décadas de 1960 y 1970 incluyen:
    • Cabrestante GT; MC Boshoff; CJ Kok & AG du Toit (abril de 1966). "Características espectrorradiométricas y colorimétricas de la luz natural en el hemisferio sur: Pretoria, Sudáfrica". JOSÁ . 56 (4): 456–464. doi :10.1364/JOSA.56.000456. Se descubrió que las cromaticidades derivadas estaban mucho más cerca del lugar geométrico del radiador completo que las publicadas anteriormente, que se habían obtenido en el hemisferio norte.
    • Das, SR; Sastri, VDP (marzo de 1965). "Distribución espectral y color de la luz diurna tropical". JOSÁ . 55 (3): 319–323. doi :10.1364/JOSA.55.000319.
    • Sastri, VDP; Das, SR (marzo de 1968). "Distribuciones espectrales típicas y color de la luz diurna tropical". JOSÁ . 58 (3): 391–398. doi :10.1364/JOSA.58.000391.
    • Sastri, VDP (11 de enero de 1976). "Locus de las cromaticidades de la luz diurna en relación con las condiciones atmosféricas". Revista de Física D: Física Aplicada . 9 (1): L1–L3. Código bibliográfico : 1976JPhD....9L...1S. doi :10.1088/0022-3727/9/1/001. S2CID  250832186.
    • Dixon, ER (abril de 1978). "Distribución espectral de la luz diurna australiana". JOSÁ . 68 (4): 437–450. doi :10.1364/JOSA.68.000437.
18. Los análisis que utilizan el cálculo más rápido de las décadas de 1990 y 2000 incluyen:
    • Hernández-Andrés, Javier; Javier Romero; Antonio García-Beltrán; Juan L. Nieves (20 de febrero de 1998). "Prueba de modelos lineales en mediciones espectrales de luz diurna". Óptica Aplicada . 37 (6): 971–977. Código Bib : 1998ApOpt..37..971H. doi :10.1364/AO.37.000971. PMID  18268673.
    • Hernández-Andrés, Javier; Javier Romero; Juan L. Nieves; Raymond L. Lee Jr (junio de 2001). "Análisis cromático y espectral de la luz diurna en el sur de Europa". JOSA A. 18 (6): 1325-1335. Código Bib : 2001JOSAA..18.1325H. CiteSeerX  10.1.1.384.70 . doi :10.1364/JOSAA.18.001325. PMID  11393625.
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19. "Iluminantes estándar CIE para colorimetría". www.cie.co.at. ​CIE. 1999. Archivado desde el original el 4 de diciembre de 2017 . Consultado el 17 de diciembre de 2018 .
20. Los coeficientes difieren de los del artículo original debido al cambio en las constantes de la ley de Planck . Consulte Lindbloom para obtener la versión actual y Locus Planckiano para obtener más detalles.
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35. "RECOMENDACIÓN UIT-R BT.470-6 - SISTEMAS DE TELEVISIÓN CONVENCIONALES, p.16" (PDF) .

enlaces externos

• Tablas colorimétricas seleccionadas en Excel, publicadas en CIE 15:2004
• Konica Minolta Sensing: fuentes de luz e iluminantes