Yapay Işığın Renksel Özelliklerinin Tanımlanmasına Yönelik Güncel Yaklaşımlar
Bölüm-1

Prof. Dr. F. Rengin Ünver

 

Isıl ışımanın dışındaki yöntemlerle yapay ışık üreten boşalmalı lambaların ve LED’ lerin gündeme gelmesi ile ışığın renksel özelliklerinin belirlenmesinde kullanılan metriklerde de olmuştur. Aydınlatma sistemlerine seçilecek yapay ışık kaynaklarının renksel özellikleri için önceleri, renksel görünüm ve renk sıcaklığı ölçütleri yeterli kabul edilmekte idi. 1965 ten bu yana, bir ışık kaynağının renksel özelliklerinin, aydınlattığı nesnelerin öz renklerinde yol açtığı değişimlerin, öz renk-görünen renk ayrımları ile belirlenmesi,yani ışıklayıcının renksel geriverim değeri önem kazanmaya başladı. Bu bildiride, Uluslararası Aydınlatma Komisyonu’nun CIE 253:2024 numaralı “Beyaz Işık Kaynaklarının Renk Doğruluğunun Ötesindeki Renksel Geriverimini Değerlendirme Yöntemlerine Genel Bakış” başlıklı yayınında sunulan bilgiler ele alınmıştır. Bu bağlamda, yapay ışık kaynaklarının renksel özelliklerinin belirlenmesine, kaynak seçimine yönelik güncel gelişmeler, lamba üreticilerine, aydınlatma tasarımcılarına ve yapay ışık konusunda çalışma yapan sektör paydaşlarına yol gösterici bilgiler aktarılmış olacaktır. 

Anahtar kelimeler: Işık Rengi, Renk Görünümü, Renk Sıcaklığı, Renksel Geriverim, Beyaz Işık Kaynağı

1.    GİRİŞ

İnsanlar çevrelerindeki aydınlatılmış varlıkların rengini, o andaki koşullar için, yayımladıkları ışığın renksel niteliğine (görünen rengine/perceived colour) göre algılar ve belirler. Varlıkları aydınlatan ışığın renksel özelliği değiştikçe, göze gelen ışığın algılanan rengi de değişecektir. Örneğin, türsüz-beyaz (achromatic-white) ışıkla aydınlanan kavunun “sarı - öz renginde” görünmesinin nedeni sarı ışık yansıtmasıdır. Öz rengi sarı olan kavun, renkli (chromatic) örneğin kırmızı ışıkla aydınlatıldığında görünen rengi “turuncu”, mavi ışıkla aydınlatıldığında “yeşil” olarak algılanacaktır. Bu bağlamda, renk, varlıkların yayımladıkları ışığın bir özelliğidir. Bu nedenle, renk, maddesel varlığın değil, ışığın ayrılmaz bir parçasıdır. 

Uluslararası Aydınlatma Komisyonu (Commission International de l’Éclairage, CIE), rengi “öznel olarak bir duyulanma öğesi nesnel olarak da bu duyulanma öğesini doğuran ışık uyartıları” olarak tanımlamaktadır (1, 2). Renk algılama sürecinde, görsel algılama için gerekli olan, birbirinden bağımsız olarak değişebilen, aydınlatan ışık kaynağının (ışıklayıcı; illuminant) renksel özellikleri, aydınlanan maddesel varlığın (nesne/yüzey) renksel özellikleri ve görme organın renk algılama sistemi olmak üzere üç bileşen rol oynar. 

İnsan görme organın renk algılama sisteminin özellikleri değişmez olarak kabul edildiğinde, birbirinden bağımsız olarak değişebilen bu öğelerden aydınlatan ışık kaynağının (ışıklayıcı) tayfsal enerji dağılımı ile aydınlanan maddesel varlığın/yüzeyin tayfsal ışık yansıtma çarpanları, yansıyarak göze gelen ışığın/yüzeyin renksel özellikleri belirler (3). Tayfsal yapısı bilinen bir kaynağın, aydınlattığı nesne ve yüzeylerin öz renklerine etkisi, yani görünen rengin öz renge yakınlı ya da uzaklığı önceden tahmin edilebilir.

Aydınlatma tekniğinde temel hedef, görsel görevlerin yanlışsız yapılabilmesi için ışık kaynaklarını aydınlattığı yüzeyleri gerçek/öz renklerinde gösterebilecek renksel özellikte seçebilmektir. Bu nedenle, yapay ışık kaynaklarının tayfının/renksel özelliklerinin, bunların aydınlattığı varlıklarda yol açtığı renksel değişimlerin (renk dönmelerinin; colour shift) kullanım öncesinde bilinmesi, aydınlatma sistemlerinin tasarım evresinde doğru seçilebilmesi için gereklidir. Konu bu açıdan ele alındığında, uzun yıllardır ışıklayıcıların (aydınlatan ışık kaynağının) renksel özelliklerinin daha doğru belirlenebilmesi amacıyla yeni terimler, metrikler, ölçme yöntemleri ve türsüz-beyaz ışık kaynaklarına yönelik çalışmalar yapılmaktadır. 

Bildiride, önce tarihsel süreçte ışık kaynaklarının renksel özelliklerinin tanımlanmasında kullanılan terimlere değinilmiştir. Ardından Uluslararası Aydınlatma Komisyonu’nun 2024 yılında yayımladığı CIE 253:2024 numaralı “Renk Doğruluğunun Ötesinde Beyaz Işık Kaynaklarının Renksel Geriverimini Değerlendirme Yöntemlerine Genel Bakış” başlıklı “Teknik Rapor” unda sunulan yöntemler ve özellikleri ele alınmıştır. Böylece, yapay ışık kaynaklarının renksel özelliklerinin belirlenmesine, kaynak seçimine yönelik güncel gelişmeler, lamba üreticilerine, aydınlatma tasarımcılarına ve yapay ışık konusunda çalışma yapan sektör paydaşlarına yol gösterici bilgiler aktarılmış olacaktır.
 

2.    IŞIĞIN RENKSEL ÖZELLİKLERİ

Tarihsel süreçte, ışığın renksel özellikleri için, “renksel görünüm (colour appearance)”, “renk sıcaklığı (colour temperature)” ve “renksel geriverim (colour rendering”) tanımlamalarından yararlanılmıştır. Bu terimler kısaca aşağıda açıklanmıştır.

♦    Renksel görünüm: İnsanoğlu var olduğu günden bu yana ve günümüzde de ışığın renksel niteliği, basitçe “renksel görünüm” üne ilişkin, temelde “renk türü sıfatları” na bağlı olarak tanımlanmaktadır. Kırmızı ve turuncu türdeki ışıklar “sıcak”, mavi ve yeşil türdeki ışıklar “soğuk” olarak adlandırılmıştır. Renk türü sıfatları ile yapılan bu belirlemeler, aydınlanan varlıkların öz renk-görünen renk ayrımlarının kesinleştirilmesi, dolayısıyla ışık kaynağının tayfsal yapısı ve renksel niteliğinin tanımlanması açısından yeterli olmamaktadır. 

♦    Renk sıcaklığı: 19. Yüzyıl sonlarında akkor elektrik lambalarının gündeme gelmesi ile malzemenin ısıtılması, yani “ısılışıma (thermoluminescence)” yöntemi ile ışık üreten, “ısılışır ışık kaynakları” nın renksel niteliği “renk sıcaklığı (Tc, Kelvin, K, -273°C)” metriği ile belirlenmeye başlamıştır. CIE, ısılışır bir ışık kaynağının renk sıcaklığını (Tc), “ışınımı verilmiş bir renk uyartısı ile aynı türsellikte bulunan, Planck ışıyıcısının (kara cismin; black body) sıcaklığı” olarak tanımlamıştır (1, 2). Isılışır kaynakların tayfsal erke (enerji) dağılımı, görsel algı aralığı olan 380nm-760nm arasında düzgün ve sürekli/kesintisiz olup, malzemenin ısıtıldığı dereceye bağlı olarak değişim gösterir. Bu nedenle, Kelvin değeri bilinen ısılışır kaynakların yayımladığı ışığın “tayfsal yapısı/erke dağılımı” bilindiği için “renksel niteliği/öz renk-görünen renk etkisi” de belirlenmiş olur. 

Isıtarak ışığın elde edildiği ısılışıma yönteminden farklı olarak 1930’ larda, ışılışıma (photoluminescence) yöntemi ile yapay ışık yayımlayan flüoresan, sodyum buharlı vb. boşalmalı lambalar ile 2000’ lerde Elektro-ışılışıma (electroluminescence) yöntemi ile üretim yapan “ışık yayan diyotlar (LED; Light Emitting Diode)” aydınlatma alanında yer almaya başlamıştır. Bu kaynakların ürettiği ışığın renksel niteliği için "benzer/saymaca renk sıcaklığı (Tcp; correlated colour temperature, CCT; K)" terimi kullanılmaya başlanmıştır. CIE bu terimi, “belirlenmiş gözlem koşullarında, verilmiş bir uyartınınkine en çok benzeyen ve aynı parıltıda bir algılanmış rengi olan Planck ışıyıcısının sıcaklığı” biçiminde tanımlamaktadır (1, 2). Bu bağlamda, benzer/saymaca renk sıcaklığı değerleri aracılığı ile ışığın tayfsal yapısı/renksel niteliği//öz renk-görünen renk etkisi konusunda önceden kesin bir bilgi edinilemez.

♦   Renksel geriverim: Aydınlatma tekniği açısından görsel görevlerin yanlışsız yapılabilmesi için ışık kaynaklarının aydınlattığı ortamlardaki varlıkları gerçek/öz renklerinde gösterebilecek renksel özellikte seçebilmek en önemli tasarım konusudur. Nitekim, 1930’lu yıllarda “yapay ışık kaynaklarının renksel niteliğinin, aydınlatılan varlıkların/yüzeylerin görünen renklerinin, öz renklerine yakınlığının (öz renk-görünen renk ayrımlarına) sayısal olarak derecelendirilmesi” yapılarak, önceden belirlenmesine ilişkin çalışmalar başlamıştır. Bu çalışmalar ile ışıklayıcıların renksel niteliğinin belirlenmesine yönelik “Renksel Geriverim (Colour Rendering, CR)” ve “Renksel Geriverim İndisi (Colour Rendering Index; CRI, Ra) metrikleri gündeme gelmiştir (3, 4, 5). 

Öte yandan, 2000’lerden sonra yaygınlaşan, tayfsal enerji dağılımı 380-760nm arasında süreklilik ve düzgünlük göstermeyen, özellikle dar tayflı katı hal ışık kaynağı olan LED’ler için, renksel geriverim indeksi (Ra) değerlerinin, genel algılanan renksel geriverim dereceleri ile tam olarak uyuşmadığını belirlenmiştir. Bu bağlamda, Uluslararası Aydınlatma Komisyonu 2024 yılında, ışık kaynaklarının renksel özelliklerinin belirli bir uygulama alanın amacına bağlı olarak değişim gösterebileceği savıyla, saymaca renk sıcaklığı değerlerine sahip ışılışır beyaz ışık kaynaklarının renksel yeterliliklerini derecelendirmeye yönelik, literatürde yer alan yöntemleri kapsayan, CIE 253:2024 numaralı bir teknik rapor yayımlamıştır. Bu raporun içeriği aşağıdaki bölümde ele alınmıştır.

3.    CIE 253:2024’İN İÇERİĞİ

CIE 253:2024 numaralı “Renk Doğruluğunun Ötesinde Beyaz Işık Kaynaklarının Renksel Geriverimini Değerlendirme Yöntemlerine Genel Bakış (Overview of Methods for Evaluating Colour Rendition Of White­Light Sources beyond Colour Fidelity) başlıklı raporda, ışık kaynaklarının renksel yeterliliklerinin (öz renk-görünen renk benzerliğinin) belirlenmesinde kullanılabilecek, hakemli literatürdeki yöntemlere yer verilmiştir. Teknik raporun başlığındaki “beyaz ışık kaynağı” terimi CIE tarafından “tanımlanmış bir saymaca renk sıcaklığına (CCT; Tcp) sahip, yani üçtürsel koordinatları kara cisim eğrisine yeterince yakın olan saymaca renk sıcaklığı kavramının belirlenmesi amacıyla kullanılabilecek herhangi bir ışık kaynağı” olarak tanımlanmıştır (6). 

Raporda açıklanan, 

yöntemlerinin özellikleri aşağıdaki bölümlerde ele alınmıştır.

3.1.    Renksel Geriverim İndeksi (CRl) tabanlı Renksel Geriverim Özellikleri (Colour Rendering Index-CRl; Colour Rendition Properties-CRP)

Işık kaynağının renksel niteliğinin belirlenmesine yönelik olarak, öz renk-görünen renk türü ayrımlarının sayısal olarak belirlenmesini olanaklı kılan, Uluslararası Aydınlatma Komisyonu’nun CIE’nin 1948 yılında kullanılmasını önerdiği, 1965 yılında onayladığı, 1974 ve 1995 yıllarında revize ettiği, “renksel geriverim” yöntemi, son elli yıldır aydınlatma sektöründe de kabul görmüştür. CIE’nin “Işık kaynaklarının renksel geriverim özelliklerinin ölçülmesi ve belirlenmesi yöntemi” başlıklı 13.3-1995 numaralı yayınında tanımlanan “CIE genel renksel geriverim indeksi Ra”, aydınlatma endüstrisi tarafından düzenleyici belgelerde, uluslararası-ulusal standartlarda yaygın olarak benimsenmekte ve kullanılmaktadır.

Renksel geriverim yönteminde temelde, insanların duyarlı olduğu 380-760nm aralığındaki ışık tayfı bölümlere ayrılır, bunları temsil eden renkli test örnek yüzeylerden yansıyan ışığın tayfı belirlenir, insan gözünün renksel uyumu hesaba katılarak, bir renk görünüm dizgesi renk uzayındaki koordinatlar hesaplanır. Renkli test örneklerinin, tayfı sürekli olan bir referans ışıklayıcı ve test edilecek ışık kaynağının altındaki “renk türü görünüşleri üzerindeki etkisi sayısal olarak derecelendirilmektedir”. Bu derecelendirmeler, ışık kaynaklarının renksel özelliklerinin tanımlanması için “CIE Genel Renksel Geriverim (RG; Colour Rendering, CR)” ve “Renksel Geriverim İndisi (RGS; CRI, Colour Rendering Index; Ra)” terimleri ile açıklanmaktadır. Renksel geriverim indisi (Ra) yönteminde, referans kaynağın ve test kaynağının aydınlattığı renk test örnekleri için “türsel uyum derecesinin nicel olarak karşılığı bakımından “100 en iyi eşleşme derecesi” olarak belirlenmiştir (6). 

Renksel geriverim testlerinde kullanılan, Munsell Renk Dizgesine göre birbirini hemen hemen eşit tür (hue) adımı ile izleyen, orta değer (value) ve orta doymuşluktaki (chroma) “sekiz adet renk test örneği” ile sonradan eklenen “daha doymuş altı renk” kümelerinin toplamı olan “on dört renk örneği” Şekil 1’ de gösterilmiştir. Test edilen ışık kaynağının ve referans ışıklayıcının, renkli test örnekleri üzerinde oluşturduğu değerler arasındaki “renk dönme değeri farkları” belirlenir. Bu hesaplamada gözün von Kries renksel uyma dönüşümü kullanılır.ve renk dönme büyüklüklerine göre “özel renksel geriverim indeksi (special colour rendering; Ri)” değerleri belirlenir. Renk dönmelerinin büyüklükleri, renk örneklerinin CIE 1960 (u,v) renk uzayındaki üçtürsel koordinatları (tristimulus values) kullanılarak hesaplanır. Sekiz test renk örneğinin hesaplanan “özel renksel geriverim indeksi; Ri” değerlerinin ortalaması alınarak tek bir Ra (CIE Genel Renksel Geriverim İndeksi) değeri belirlenir. Bu nedenle Ra değeri, bir referans ışıklayıcıyla karşılaştırılan bir test ışık kaynağı altında sekiz adet renk örneği için “ortalama renk doğruluğunu” temsil eder (Şekil 2). Bu bilgiler, renk dönmelerinin türsel yönü konusuna açıklık getirmemekte ve algılanan yüzey renklerinin değerlendirilmesine ayrıntılı bir katkıda bulunmamaktadır. Oysa, renk dönmelerinin doğrultusunun, algılanan nesne renklerinin değerlendirilmesinde önem taşıdığı bilinmektedir. 

Şekil 1. CIE Genel Renksel Geriverim İndeksi (Ra) için kullanılan sekiz ve altı renk test örneği
(Munsell Renk Dizgesine göre soldan sağa; 7.5 R 6/4, 5 Y 6/4, 5 GY 6/8, 2.5 G 6/6, 10 BG 6/4, 5 PB 6/8, 2.5 P 6/8, 10 P 6/8; 4.5 R 4/13, 5 Y 8/10, 4.5 G 5/8, 3 PB 3/11, 5 YR 8/4, 5 GY 4/4).




Şekil 2. CIE 1960 CIE (u,v) Tekdüze Renk Uzayı’ nın “u*,v* renksellik diyagramı” üzerinde, renk test örneklerindeki renk dönmelerinin gösterimi (6).




Şekil 3. Renk Doğruluk İndeksi/Rf için 99 test renk örneği ve beyaz renk (6).
 

Tayfsal erke dağılımı düzgünlük ve süreklilik göstermeyen, dar tayflı LED ışık kaynakları için, CIE Genel Renksel Geriverim İndeksi (Ra) değerlerinin, genel algılanan renksel geriverim dereceleri ile tam olarak uyuşmadığı belirlenmiştir. Bunun temel nedenleri, Ra için renksellik hesaplamalarının artık güncel olmayan CIE 1960 (u,v) renk uzayına göre yapılması, renkli test örneklerini sayısının sınırlı olması, renk kalitesi özelliklerinin Ra metriği ile yeterli doğrulukla belirlenememesi olarak sıralanabilir. Bu bağlamda CIE, aydınlanan nesne renklerinin niteliği için “CIE Genel Renk Doğruluk İndeksi (Colour Fidelity Index; Rf)” metriğini geliştirmiş ve CIE 224:2017 numaralı "Doğru Bilimsel Kullanım için Renk Doğruluk İndeksi (Colour Fidelity Index for Accurate Scientific Use) başlıklı teknik raporunu yayınlamıştır (7). Bu yöntemde, doksan dokuz renk örneği için referans ışıklayıcıya göre test edilecek kaynağın yol açtığı renk dönmeleri, CIECAM02-UCS renk görünüm uzayında hesaplanır (Şekil 3). Örnek sayısının 14’ten 99’a yükselmesi, doğal /yapay nesneler için renk yelpazesinde daha eşit bir dağılım ve tayfsal açıdan belirli bir düzgünlük sağlamaktadır. 

Bundan sonraki bölümde " Renksel Nitelik Ölçeği (Colour Quality Scale-CQS), Renksel Geriverim Vektörleri ve Renksel Bağıl Doymuşluk Göstergesi (Colour Rendering Vectors-CRV; Colour Saturation Icon-CSI), Karşıtlık Algı İndeks (Feeling of Contrast Index; FCI), IES TM-30 Yöntemi (IES TM-30 Method)" anlatılacaktır.