家用照明灯中光度检测方案(光纤光谱仪)

www.oceanoptics.cn Hotline： 400-623-2680A HALMA COMPANY 超高速光谱仪如何应用于家用照明灯具检测方案 作者： Dieter Bingemann，Ph.D. 由于供电系统的原因，家用照明实际上一直有伴随着“频闪”，但是由于其频闪时间及其短暂(us级)，人眼无法察觉，所以一般不被人所知并关注。但实际上家用照明的频闪对人眼及健康还是有比较大的不良影响，由于其速度极快，一般的检测设备无法完全捕捉闪烁信息，但是海洋光学新一代Ocean FX 光谱仪基于其快速扫描的检测器，可以简单快速地获取家用照明设备的频闪信息。我们通过数日的对家用照明灯进行观察记录，寻求整个过程中照明灯的强度和颜色的真实情况。 介绍 人眼存在“视觉暂留”的现象，视网膜在连续光源或者光点消失后的暂留时间是 40-50ms。，当你在黑暗的环境观察到一闪烁发光物时，你就会自我感觉到该现象。人眼能观察到的最快移动物体大概是13ms，但是整个过程中的强度和颜色波动我们却很难获取。 这并不是说这些参数不重要，研究表明，当频率到达2000Hz 就会影响生理i和认知。低频人眼存在“视觉暂留”的现象，视网膜在连续光源或者光点消失后的暂留时间是 40-50ms。当你在黑暗的环境观察到一闪烁发光物时，你就会自我感觉到该现象。人眼能观察到的最快移动物体大概是13ms，但是整个过程中的强度和颜色波动我们却很难获取。 率频闪大概在3-70Hz， 可以被一些敏感人群(大约1/40000)所察觉。而当频率达到可察觉的的值100-120Hz 后，可能会导致部分人群的头痛或者眼部紧张 光源存在的频闪现象并不作为光源特有的特征参数(比如：频率，振幅，颜色波动)而被大家关注，另外还包括视觉参数(对照，可观察距离，可激发的视网膜面积等)。而这些参数之前是很难检测的， OceanFX 特有高速扫描及高灵敏度功能，使得这些参数测量变成可能。每秒4500张的扫描速度， 高灵敏度的 CMOS检测器，可提供200-1100nm的检测，通过对光谱仪进行绝对辐射校准，可以实现光源强度和颜色从 10us 到10s的精确测量，从而获得照明灯的闪烁频率参数，并评估该现象对易敏感人群的危害。 光源的频闪对电视录像制作也有非常大的影响。当高速摄像机运转时，由于频闪现象的影响，有些像素边框就会出现不连续的现象，我们可以通过使用高功率灯泡来避免该问题。条形码扫描机也会因为频闪问题出现工作不正常现象――比如说当室内灯光的频闪速率与条形码扫描机的频闪速率一致时，就会影响扫描机的检测性能(比如扫不上条形码等等) 为了深入挖掘信息，我我决定通过查看瞬时光谱、校正色温及 xy 色坐标来对日常照明光源进行测试： ● 头顶照明荧光灯 桌面照明荧光灯 ● 智能手机 LED ● 家用白光 LED 家用照明钨灯 测量搭建 OceanFX (使用 HL-3P-CAL 对光谱仪预先进行绝对辐射校准)， 400um芯径VIS-NIR 波段 1m 光纤， CC-3余弦校正器。预先将校准光源预热25分钟，然后再进行绝对辐射校准。 光纤一端连接CC-3， 另一端连接 OceanFX光谱仪，而无需其他光学附件。所有的光源都在同一时间进行检测，积分时间设置为100ms， CC-3对准待测光源，所有光谱数据都在 3s 内获得。 荧光灯 测试的第一组荧光灯表现出高频闪现象，通过使用镇流器可以减轻频闪 1-20%。 通过测量，我们发现荧光灯在405nm， 436nm 和546nm 有较强的谱线。我们可以清楚地观察到由于 AC交流电供应引起的100Hz 的频率振动(德国的测量结果表现得更好一些，振动频率大概为50Hz)。 不是所有波长的振动都是均等的，比如，在405nm 和436nm的汞线振动基本为0，而在611nm和544nm处的振动就相对比较大，大概分别为70%和30%。我们以 50ms 为一个间隔，记录10s的振动情况，分析找到整个长度下的尖峰或者其他不正常闪烁点。 Fluorescent Lighting Spectral Irradiance recorded with Ocean FXTM 587 611 Fluorescent Lighting Irradiance with time at peak wavelengths Time(ms) 我们发现除了405nm 和436nm 的汞线在不同时间基本都在他们的最低值，而其他波段的振动都比较大。这些振动引起的相移，意味着色温值也发生着变化。光谱仪进行绝对辐射校准后，就可对测量光源进行色温的检测。每 nm 的光谱，我们都能计算出其色坐标值及色温值。 画出以时间段为横轴，色温值为纵轴的图谱，我们可以看到同一振动频率下的比较大的振幅。这个现象在家用天花板式荧光灯上也同样存在。 色饼图上黑线代表了标准黑体的体色值(色温的真正定义)，黑线上的黑点代表了2000K， 4000K 及其他色温值。深蓝色轨迹线为测试的荧光灯的色温曲线，主要范围还是黄色范围内，但是由于频闪现象，导致颜色值呈现一个比较大的范围区域。 我们还同时测量了另外两种大型照明荧光灯，测量结果与之类似。另外，我们使用同样的方法测试台式荧光灯，测试的结果也非常类似，只是在紫外段的强度高一些。另外，台式荧光灯在 400-550nm段的峰强度更强、宽度更宽。 Fluorescent Lighting Correlated Color Temperature (CCT) Time (ms) CIE 1931 color space 从测试结果看来，台式荧光灯更接近黑体，整个时间段都是在相对最小的振动范围内。 手机闪光灯 接着，我们又测量了智能手机闪光灯光谱随着时间的变化，同样还是使用辐射校准过的 Ocean FX 光谱仪。由于手机闪光灯闪光是瞬时的，我们测试到一系列闪烁频率与时间的光谱图，从图中可以看出闪光灯的光谱还是相对比较稳定的。 鉴于手机闪光灯相对比较稳定，我们就想更深入地对它进行研究。色温对时间作图，可以看出一条明显向上的趋势线。同样，我们在色饼图中也观察到比较稳定的色温范围。再细看，可以发现闪光灯(红，绿，蓝三种闪光灯)的颜色偏差<0.02(X， YY) Smart Phone Spectral Irradiance recorded with Ocean FXTM 440 500 550 600 650 700 Eo寸c 400 500 600 700 Wavelength (nm)Smart Phone Irradiance with time at peak wavelengthsWavelength (nm)440 Time (ms) Smart Phone Flash Correlated Color Temperature (CCT) Time (ms) CIE 1931 color space X 家用照明白光 LED 尽管 LEDs 的频闪不作为产品标准，因其主要原因是因为交流电转直流电引起的供压不稳。另外， LED 驱动设计也会引起一定的频闪，因此又与 LEDs 的厂家，甚至与生产模式有关。 基于我们的测量，我们测量观察的白光 LED 照明灯主要来自于家庭用品货物渠道。尽管都是一些比较宽光谱的光源，但是还是有频闪现象。 Home white LED Spectral Irradiance recorded with Ocean FXIM Wavelength (nm) 从测试结果看，白光 LED 的频闪大概为50-100Hz 一个周期，而且CCT(相关色温)的长期稳定性很高。正如预期一样，色温值也相对地比较稳定，基本落在色饼图普兰克弧线上。 Home white LED Irradiance over time at peak wavelengths Time (ms) Home white LED Correlated Color Temperature (CCT) o Time (ms) CIE 1931 color space 家用白炽灯 最后，再测量25W的低功率家用白炽灯，它的光谱更接近于黑体弧线，而且光谱辐照的稳定性更稳定。 Home Halogen Spectral Irradiance recorded with Ocean FXTM 400 500 600 700Wavelength (nm)Home Halogen Irradiance at key wavelengths over timeWavelength (nm)400500wwMwWwwwww600700800 E000c上 OO 口 0 10 20 30 40 50 Time (ms) 以色温线作图，可以观察到这种变化非常明显。对光源色温的长期监测，变化也甚微。虽然色温值有变化，但是卤钨灯还是最接近自然黑体，色温范围基本都在普兰克弧线附近。 结论 对日常照明光源的变化进行光谱检测非常普遍，不同的照明光源表现为不同的强度、色温及颜色值。大型照明荧光灯频闪现象比台式照明荧光灯要高，但是光谱形状很相似。其他照明光源，比如白光LEDs， 白炽灯，相对地会更稳定一些。通过测试这些光源的频闪现象，更有利于人们了解该现象引起的生理和认知的危害。 OceanFX 光谱仪在扫描速度和灵敏度上的优势可，以快速获得照明光源在波长和时间上的频闪现象数据。基于 OceanFX 自身携带的50000张图谱板载缓存功能，我们能对光源进行更长时间、更宽光谱范围的监测，从而实现对照明产品的质量控制。 海洋光学亚洲蔚海光学仪器(上海)有限公司Ocean Optics AsiaOcean Optics (Shanghai) Co.， Ltd. 超高速光谱仪如何应用于家用照明灯具检测方案作者： Dieter Bingemann, Ph.D.由于供电系统的原因，家用照明实际上一直有伴随着“频闪”，但是由于其频闪时间及其短暂（us级），人眼无法察觉，所以一般不被人所知并关注。但实际上家用照明的频闪对人眼及健康还是有比较大的不良影响，由于其速度极快，一般的检测设备无法完全捕捉闪烁信息，但是海洋光学新一代Ocean FX光谱仪基于其快速扫描的检测器，可以简单快速地获取家用照明设备的频闪信息。我们通过数日的对家用照明灯进行观察记录，寻求整个过程中照明灯的强度和颜色的真实情况。介绍人眼存在“视觉暂留”的现象，视网膜在连续光源或者光点消失后的暂留时间是40-50ms。当你在黑暗的环境观察到一闪烁发光物时，你就会自我感觉到该现象。人眼能观察到的最快移动物体大概是13ms，但是整个过程中的强度和颜色波动我们却很难获取。这并不是说这些参数不重要，研究表明 ，当频率到达2000Hz就会影响生理i和认知。低频人眼存在“视觉暂留”的现象，视网膜在连续光源或者光点消失后的暂留时间是40-50ms。当你在黑暗的环境观察到一闪烁发光物时，你就会自我感觉到该现象。人眼能观察到的最快移动物体大概是13ms，但是整个过程中的强度和颜色波动我们却很难获取。 率频闪大概在3-70Hz，可以被一些敏感人群（大约1/40000）所察觉。而当频率达到可察觉的阈值100-120Hz后，可能会导致部分人群的头痛或者眼部紧张光源存在的频闪现象并不作为光源特有的特征参数（比如：频率，振幅，颜色波动）而被大家关注，另外还包括视觉参数（对照，可观察距离，可激发的视网膜面积等）。而这些参数之前是很难检测的，OceanFX特有高速扫描及高灵敏度功能，使得这些参数测量变成可能。每秒4500张的扫描速度，高灵敏度的CMOS检测器，可提供200-1100nm的检测，通过对光谱仪进行绝对辐射校准，可以实现光源强度和颜色从10us到10s的精确测量，从而获得照明灯的闪烁频率参数，并评估该现象对易敏感人群的危害。 光源的频闪对电视录像制作也有非常大的影响。当高速摄像机运转时，由于频闪现象的影响，有些像素边框就会出现不连续的现象，我们可以通过使用高功率灯泡来避免该问题。条形码扫描机也会因为频闪问题出现工作不正常现象——比如说当室内灯光的频闪速率与条形码扫描机的频闪速率一致时，就会影响扫描机的检测性能 （比如扫不上条形码等等）为了深入挖掘信息，我们决定通过查看瞬时光谱、校正色温及xy色坐标来对日常照明光源进行测试：头顶照明荧光灯桌面照明荧光灯智能手机LED家用白光LED家用照明钨灯测量搭建 OceanFX（使用HL-3P-CAL对光谱仪预先进行绝对辐射校准），400um芯径VIS-NIR波段1m光纤，CC-3余弦校正器。预先将校准光源预热25分钟，然后再进行绝对辐射校准。光纤一端连接CC-3，另一端连接OceanFX光谱仪，而无需其他光学附件。所有的光源都在同一时间进行检测，积分时间设置为100ms，CC-3对准待测光源，所有光谱数据都在3s内获得。 荧光灯 测试的第一组荧光灯表现出高频闪现象，通过使用镇流器可以减轻频闪1-20%。 通过测量，我们发现荧光灯在405nm，436nm和546nm有较强的谱线。我们可以清楚地观察到由于AC交流电供应引起的100Hz的频率振动（德国的测量结果表现得更好一些，振动频率大概为50Hz）。 不是所有波长的振动都是均等的，比如，在405nm和436nm的汞线振动基本为0，而在611nm和544nm处的振动就相对比较大，大概分别为70%和30%。我们以50ms为一个间隔，记录10s的振动情况，分析找到整个长度下的尖峰或者其他不正常闪烁点。 我们发现除了405nm和436nm的汞线在不同时间基本都在他们的最低值，而其他波段的振动都比较大。这些振动引起的相移，意味着色温值也发生着变化。光谱仪进行绝对辐射校准后，就可对测量光源进行色温的检测。每nm的光谱，我们都能计算出其色坐标值及色温值。画出以时间段为横轴，色温值为纵轴的图谱，我们可以看到同一振动频率下的比较大的振幅。这个现象在家用天花板式荧光灯上也同样存在。 色饼图上黑线代表了标准黑体的颜色值（色温的真正定义），黑线上的黑点代表了2000K，4000K及其他色温值。深蓝色轨迹线为测试的荧光灯的色温曲线，主要范围还是黄色范围内，但是由于频闪现象，导致颜色值呈现一个比较大的范围区域。 我们还同时测量了另外两种大型照明荧光灯，测量结果与之类似。另外，我们使用同样的方法测试台式荧光灯，测试的结果也非常类似，只是在紫外段的强度高一些。另外，台式荧光灯在400-550nm段的峰强度更强、宽度更宽。从测试结果看来，台式荧光灯更接近黑体，整个时间段都是在相对最小的振动范围内。手机闪光灯 接着，我们又测量了智能手机闪光灯光谱随着时间的变化，同样还是使用辐射校准过的Ocean FX光谱仪。由于手机闪光灯闪光是瞬时的，我们测试到一系列闪烁频率与时间的光谱图，从图中可以看出闪光灯的光谱还是相对比较稳定的。鉴于手机闪光灯相对比较稳定，我们就想更深入地对它进行研究。色温对时间作图，可以看出一条明显向上的趋势线。同样，我们在色饼图中也观察到比较稳定的色温范围。再细看，可以发现闪光灯（红，绿，蓝三种闪光灯）的颜色偏差<0.02(X，Y）。 家用照明白光LED 尽管LEDs的频闪不作为产品标准，因其主要原因是因为交流电转直流电引起的供压不稳。另外，LED驱动设计也会引起一定的频闪，因此又与LEDs的厂家，甚至与生产模式有关。 基于我们的测量，我们测量观察的白光LED照明灯主要来自于家庭用品货物渠道。尽管都是一些比较宽光谱的光源，但是还是有频闪现象。从测试结果看，白光LED的频闪大概为50-100Hz一个周期，而且CCT（相关色温）的长期稳定性很高。正如预期 一样，色温值也相对地比较稳定，基本落在色饼图普兰克弧线上。 家用白炽灯 最后，再测量25W的低功率家用白炽灯，它的光谱更接近于黑体弧线，而且光谱辐照的稳定性更稳定。以色温线作图，可以观察到这种变化非常明显。对光源色温的长期监测，变化也甚微。虽然色温值有变化，但是卤钨灯还是最接近自然黑体，色温范围基本都在普兰克弧线附近。结论 对日常照明光源的变化进行光谱检测非常普遍，不同的照明光源表现为不同的强度、色温及颜色值。大型照明荧光灯频闪现象比台式照明荧光灯要高，但是光谱形状很相似。其他照明光源，比如白光LEDs，白炽灯，相对地会更稳定一些。通过测试这些光源的频闪现象，更有利于人们了解该现象引起的生理和认知的危害。OceanFX 光谱仪在扫描速度和灵敏度上的优势，可以快速获得照明光源在波长和时间上的频闪现象数据。基于OceanFX自身携带的50000张图谱板载缓存功能，我们能对光源进行更长时间、更宽光谱范围的监测，从而实现对照明产品的质量控制。