圣诞光谱

2023-12-22 13:07:58, Yvette Mattley 北京爱蛙科技有限公司

一到12月，我们的周围充满了迷人的灯光秀和神奇的节日景色。五颜六色、闪闪发光的灯光比比皆是，整个世界充满了节日的欢乐气氛。这也是圣诞灯饰光谱学的最佳时机。

本文中，我们使用高速 Ocean FX 光谱仪测量白炽灯和 LED 节日彩灯的闪烁、颜色和其他光谱特性。LED 以其低功耗、高效率和亮丽的色彩成为节日照明的首选。

然而，我们不禁要问，与白炽灯相比，LED 的节日照明效果如何？更高效的节日照明可能不是每个人的第一要求。以下是我们在描述多色 LED 和白炽灯节日照明的辐照度、闪烁和色彩时的发现。

一、实验装置

使用 Ocean-FX-VIS-NIR 光谱仪（350-1000 nm）、FOIS-1 积分球、600µm VIS-NIR 光纤和 OceanView 光谱软件（图 1）对 20 个多色白炽灯和 LED 灯串进行了测试。以 HL-3P-INT-CAL 辐射校准光源为基准，以绝对光谱辐射通量（uW/nm）为单位，从每一串光源中获取每种颜色的三个灯泡的光谱数据。利用 OceanView 的处理模式，根据 Ocean FX 光谱仪的仪器响应函数对光谱数据进行了校正，强度以每纳米微瓦特功率（uW/nm）为单位进行报告。

图 1 Ocean FX 光谱仪Ocean FX 每秒可采集多达 4,500 次扫描，因此非常适合测量照明中快速发生的闪烁。

之所以选择 Ocean FX，是因为其快速的电子装置使我们能够测量超亮的 LED 节日灯，而不会使探测器饱和。此外，光谱仪的高采集速度还使我们能够定性评估每串灯中蓝色灯泡的闪烁情况（亮度随时间的变化，通常与电源的波动有关）。我们还对 LED 灯串和白炽灯串的每种颜色进行了定量色彩测量。

‖ 白炽灯和LED圣诞灯的光谱数据

我们测量的白炽灯具有宽带光谱，在波长大于 700 纳米的短波近红外区域强度最高（图 2）。这些波长的光超出了人类视觉感知的范围，并且会产生热量，导致灯泡在工作时发热。事实上，根据美国能源部的数据，白炽灯发出的能量中有 90% 是热量。

图 2.白炽灯的热量来自波长大于 700 纳米处的光谱输出，那里的光谱强度最高。

此外，白炽灯的光谱曲线与高通滤光片的光谱曲线相似。这种光谱曲线是由玻璃罩产生的，玻璃罩赋予了白炽灯美丽的色彩。玻璃罩起到了光学滤光片的作用，可以传输所需的波长。

我们测量的 LED 灯串具有窄带发射，在波长大于 700 nm 的短波近红外区域没有强度，这使得灯泡在长时间工作后仍能保持凉爽的触感（图3）。除了发热少，LED 还比白炽灯更节能。与白炽灯绝对光谱辐射通量的功率相比，LED 产生的强度要高得多。之所以会出现这种强度差异，是因为 LED 灯泡直接从灯泡中产生色彩，而不是使用滤光器从发光灯丝中选择所需的波长。

图 3. 我们测试的 LED 灯几乎没有 >700 纳米的光谱输出。

‖ 圣诞灯闪烁特性

由交流电（AC）供电的灯具会出现与交流电频率相关的强度波动。其中最严重的是荧光灯，其强度变化可达20%。这也许可以解释为什么我们更喜欢自然光。尽管眼睛不会记录频率低于 70 赫兹的强度波动，但高达 200 赫兹的频率会导致一些人眼睛疲劳和头痛，另一些人则会在视觉任务中表现较差。在某些情况下，灯光闪烁甚至会导致癫痫发作、恶心和其他健康影响。

研究闪烁所面临的挑战之一，是缺乏能够在闪烁时间尺度（通常比眼睛所能感知的速度更快）上描述光源特性的仪器。有了 Ocean FX，我们就能以每秒 4500 次扫描的速度捕捉全光谱（本研究中为 350-1000 纳米），从而对人眼无法感知的闪烁进行表征。

闪烁的特征是白炽灯和 LED 灯串的蓝色灯泡。(与某些节日彩灯不同，我们的彩灯并不是用来闪烁的）。尽管没有观察到闪烁，但图 4-5 中的光谱显示出白炽灯和 LED 灯之间的巨大差异；例如，观察每个图中不同的 y 轴范围。测量到的灯泡强度变化差异很大，蓝色白炽灯泡的波动范围为 1-1.75 uW/nm，而 LED 灯泡的波动范围为 0-700 uW/nm。

图 4.蓝色白炽灯泡的强度随时间的变化很小，这表明照明的闪烁特性较低。

图 5.虽然肉眼无法看到其强度波动，但蓝色 LED 灯泡的光谱输出显示出比蓝色白炽灯高得多的闪烁。

此外，我们还观察到 LED 灯的光强会持续震荡，而白炽灯的波动则更为随机。这些差异与灯泡本身的性质有关，而与设置的不同无关。白炽灯中使用的灯丝对电流变化的敏感度不如发光二极管。两次测量都使用了相同的设置和采集参数（包括 500 毫秒的积分时间），并连接到相同的交流电源。虽然我们实验中的测量对闪烁进行了定性评估，但类似的高速测量也可用于对光源闪烁进行更定量的评估。

‖ 圣诞灯色彩测量

节日彩灯的美来自于五彩缤纷的灯串中迷人的色彩。我们的眼睛看到的是绿色、蓝色、橙色、黄色等，但要确定灯光的确切颜色--例如，如果您想将其与颜色标准相匹配--则需要进行定量光谱测量。

我们提供多种光谱仪，可用于鉴定包括颜色在内的各种照明参数。表 I 显示了两种灯串之间一致的灯泡颜色的定量颜色值。这些数值与 CIE 色度图上的位置相对应，CIE 色度图允许通过三原色的加权和来定义颜色。为了简化使用 CIE 色彩空间进行色彩分类的复杂系统，蓝色用较低的 x 值和 y 值表示，绿色用较高的 y值表示，红色和橙色用较高的 x 值表示。从相同颜色灯泡的数值差异之大可以看出，定量色彩是一种更为严格、主观性更弱的色彩测量方法。

表 I. 白炽灯和 LED 圣诞灯的色彩定量测量结果

二、结论

我们使用仅由几个组件组成的紧凑型系统，测量了节日灯光的一系列参数，包括人眼无法感知的特性。这些测量结果只是 Ocean Insight 光谱仪和附件所能测量的光特性的一小部分。下次当您在欣赏圣诞彩灯的美丽时，请记住您所看到的只是节日彩灯神奇魅力的一小部分。利用光谱仪的强大功能，您可以打开未知的世界，了解更多节日彩灯的魅力所在。

原文来源海洋光学，爱蛙科技编译整理

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