Ocean FX 光谱仪在家居照明中的应用

 

 

不知不觉中，家庭照明的大多数光源都会产生一些"闪烁"现象，这主要是由于供电电流的交流性质造成的。虽然闪烁发生的速度比一般人的肉眼所能看到的要快，但它还是会对健康和一些高速设备的运行产生影响。Ocean FX 光谱仪的快速扫描速率可以在现场轻松、经济地评估这种闪烁。为了进行研究，我们使用Ocean FX 观察了家用照明光源，以了解其强度和颜色的实时变化情况。

 

一、实验简介

 
人眼有一种神奇的视觉滞留效应，视网膜在光源消失后的40-50毫秒内继续报告光源的存在。当你在黑暗中挥舞烟花时就会看到这种现象，就好像眼睛正在对接收到的光信号进行平均处理一样。从本质上来说，我们更容易看到快速移动的物体--对某些人来说，时间短至13毫秒，比如职业运动员；但在同样的时间尺度上，强度和颜色的变化却很难被感知到。
但这并不意味着它们不重要。研究表明，频率高达2000 Hz的闪烁会影响生理和认知。低频闪烁（通常被感知为闪烁、眨眼或频闪）的频率为3-70 Hz，可导致敏感人群（约1/4000）癫痫发作。高于可视阈值100-120 Hz的频率可在短期内引起部分人群的头痛和眼睛疲劳，平均而言，还会降低纸上和与CRT屏幕交互时执行视觉任务的效率。
闪烁光源的类型并不重要，重要的是闪烁的具体特征：频率、振幅和色度变化，以及观察条件（对比度、观看距离、被刺激的视网膜的面积）。虽然这在以前很难测量，但Ocean FX光谱仪提供的速度和灵敏度使这些光谱辐射测量触手可及，其测量速率高达每秒4,500次扫描，灵敏的CMOS探测器响应范围为200-1100 nm，经辐射校准的Ocean FX光谱仪可在10µs~10s的积分时间内确定光源的强度和颜色，是研究人员能够研究闪烁对高危人群的一系列神经和行为影响的有力工具。
光源闪烁在摄像中也很重要。当摄像机以非常高的帧频运行时，有些帧的每帧光脉冲数并不一致，这些帧就会出现闪烁。高瓦数灯泡可以避免这种情况，其中高灯丝温度减轻了引起闪烁的循环之间的冷却，但对于低瓦数灯泡来说，这一点非常重要。此外，条形码扫描仪也会受到闪烁的影响--如果房间的光源以与条形码扫描仪载波相似的频率闪烁，闪烁就会干扰扫描仪的脉冲检测，扫描仪就无法工作。

为了深入探讨这个问题，我们决定研究以下常见照明光源的时间分辨光谱、相关色温和xy色坐标:

 

  • 顶棚荧光灯

  • 紧凑型荧光台灯

  • 智能手机闪光灯

  • 白色家用LED

  • 家用卤素灯

二、实验测量设置

 

我们用HL-3PCAL灯对Ocean FX光谱仪进行辐射校准，光谱范围为200-850nm。Ocean FX配置了1米长、400微米芯的可见光近红外光纤和CC-3余弦校正器，使其具有朗伯视场。在用Ocean View软件进行辐照度校准之前，先将灯管预热25分钟。

使用 CC-3 余弦校正器观测了各种家用照明设备，没有任何额外的光学器件。所有测量的光源都已开启一段时间，提供稳定输出。光谱仪的积分时间设定为100 微秒，余弦校正器对着光源，连续记录光谱共3 秒钟。此外，光谱仪在单独运行时以相同的设置记录暗光谱，并在软件应用辐照度校准之前从每次扫描中减去暗光谱。

三、荧光照明

 

首批推出的荧光灯闪烁率极高，随着现代电子镇流器的发展，闪烁率通常已经降至 1-20%。

为了探讨这个问题，我们测量了装在同一个头顶灯具中的三个荧光灯泡。正如预期，我们在405nm，436nm和546nm处看到了一系列强汞线，以及其他气体发射线和一些额外的更宽的峰。我们还清楚地看到了由于交流电源而产生的100Hz振荡（测量是在德国进行的，其中线路频率为50 Hz），观测到的振荡频率是线路频率的两倍，因为正负电流方向都会发光。

并非所有波长的振荡都同样“深入”，例如405nm和436nm的汞线一直振荡到零，而其它线仅在约70%（611nm）和可能的30%（544nm）之间徘徊。为了清楚地显示迹线，我们将绘图时间限制在 50 毫秒，但我们记录了 10 秒钟的振荡，这样就可以对整个长度进行分析，寻找尖峰或其他不规则的闪烁。

此外，除了405nm和436nm的汞线之外，其他所有汞线都在不同的时间达到它们的最小值。这些振荡相对于其他振荡是相移的，这意味着色温也必须振荡。由于使用的光谱仪是经过辐射校准的，因此我们进行了计算，以确定光源的色温与时间的函数关系。以 1 nm 为单位对光谱进行插值，计算出三模量（XYZ）值以及色温（罗伯逊近似值）。将得出的色温随时间变化绘制成图，我们发现在相同的振荡频率下，色温会有明显的波动。头顶荧光灯的色度（xy 色坐标）随时间变化的曲线图也证明了这一点。

色度图上的黑线表示标准黑体色值（色温的实际定义），黑点表示 2000 K、4000 K 等色温。追踪色度图黄色部分的深蓝色线显示了荧光灯在50 Hz交流振荡中循环时的颜色值——在感知颜色上有相当宽的摆动。

对同一顶灯中的另外两个灯泡也进行了同样的测试，结果非常相似。在紧凑型荧光灯台灯上进行相同系列的测试，显示出相同的汞线，但相对强度不同（紫外线峰值更强）。此外，台灯的背景峰值更强、更宽，波长跨度为 400-550 纳米。虽然我们仍能看到 100 赫兹的振荡，但深度远小于在顶棚荧光灯下观察到的。观察到的色温以相同的频率从 6200K 震荡到 7400K，急剧的峰值很快消失。至于颜色，台式荧光灯看起来更像真正的黑体，位于黑体线上，随时间的变化极小。

四、智能手机闪光灯

 

接下来，我们再次使用校准过的 Ocean FX 光谱仪测试了智能手机闪光的时间和光谱特性。由于手机闪光是瞬时的，我们依次测量了一系列闪光，并绘制了每个闪光随时间变化的数据图。这里显示的是一次闪光（时间跨度约为 10-50 毫秒）的光谱和时间图，其强度非常稳定。

虽然闪光的光谱稳定性相当高，但我们还是好奇地对其进行了更仔细的观察。随时间变化的色温图显示色温有轻微的上升趋势，在 15毫秒内大约上升了500 K。正如非常稳定的色度图所示，色彩一致性也很高。放大后，我们可以看到，在测量的三个闪光灯的寿命期间，闪光灯颜色在 x 和 y 方向上的变化小于0.02。

五、白色LED灯

 

虽然 LED 通常不会闪烁，但转换交流电的电源可能会对产生的直流电产生纹波效应，从而导致闪烁。这在很大程度上取决于LED 驱动器的设计，因制造商甚至型号而异。

在测量过程中，我们从一家流行的家居用品连锁店选了基于白光LED 的室内照明。尽管它是一种更宽带的光源，但LED 在100 Hz 频率下也会出现一定程度的闪烁，不过更多的是噪音。

观察LED相关色温，没有看到50或100 Hz的周期，并且长期CCT稳定性非常高。正如预期的那样，色坐标也保持非常稳定，并且正好位于普朗克轨迹上。

六、卤素灯

 

作为最后一项测试，我们研究了一款专为家用照明设计的 25 瓦低压卤素灯。它的光谱显示出预期的黑体曲线，光谱辐照度随着时间的推移极其稳定。仔细观察，可以发现灯丝在交流周期之间冷却时，振幅会有轻微变化。

这种变化在色温曲线图中更为明显，色温的周期为30 K，虽然很小，但还是可以探测到的。虽然这种变化在大多数应用中并不重要，但它确实凸显了Ocean FX 光谱仪在进行此类测量时的灵敏度。色温的长期测量结果显示，色温仅下降了几度。尽管CCT 发生了变化，但卤素灯仍然保持了其黑体特性，这可以从其在色度图普朗克位置上的位置看出。

七、结论

 

通过对各种光源进行简短的光谱辐射测量，我们发现照亮我们日常生活的光源比我们想象的要多得多。强度、色温和感知颜色等参数随着所观察到的光源类型而发生独特的变化，甚至在照明家族中也是如此。头顶上的荧光灯以两倍于交流电频率的速度在光谱的黄色-橙色部分循环，而一台紧凑型荧光灯则显示出类似的光谱，但动态却截然不同。相比之下，白光LED 和卤素灯等其他照明设备则保持相当稳定。随着研究人员试图更好地了解闪烁的影响，测量这些参数并将其与人体生理和认知相关联的能力将成为关键。

Ocean FX 光谱仪速度快、灵敏度高，可记录家用照明产品中随波长和时间变化的闪烁。这样就能以所需的速度记录与光谱相关的闪烁值，以及振荡幅度和相移。通过使用Ocean FX 的50,000 光谱缓冲功能，甚至可以测量尖峰或掉电，从而揭示家用照明产品的特性和质量控制方面更广泛的问题。