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
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。
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。
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。
![](http://nwzimg.wezhan.cn/contents/sitefiles2057/10287365/images/51033928.png)
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。
![](http://nwzimg.wezhan.cn/contents/sitefiles2057/10287365/images/51033938.png)
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。
![](http://nwzimg.wezhan.cn/contents/sitefiles2057/10287365/images/51033944.png)
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。