第３３卷第１期 光学仪器 Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．１ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１ １ ２０１１年２月 （）ＰＴＩＣＡＩ ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴＳ 文章编号：１００５—５６３０（２０１１）０１—００１０—０５ 光谱扫描问隔对节能光源色度测试的影响研究 ＊ 朱腾飞，蔡怡，朱育军 （杭州市质量技术监督检测院，浙江杭州 ３１００１９） 摘要：研究了光谱扫描间隔对节能照明光源色度测试及合格性判断的影响。实验采用积分球一 光谱仪测试系统，分别以ｌｎｍ和５ｎｍ两种光谱扫描间隔测量节能灯样品光谱、色温、显色指数、 色坐标等参数。实验结果发现：１ｎｍ、５ｎｍ采样条件下光源光谱功率在６１０ｎｍ附近峰值相差最 为显著；ｌｎｍ扫描间隔所测色温值均高于５ｎｍ间隔所测值，显色指数均低于５ｎｍ扫描间隔所测 值，色温和显色指数的最大相差值分别为４１Ｋ和０．５。研究认为光谱扫描间隔对光源色参数测 试存在一定的影响，并据此提出节能照明光源测试的优化方案。 关键词：节能照明光源；光电测试；光谱扫描间隔；色度 中图分类号：ＴＨ ７４４．１ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００５—５６３０．２０１１．０１．００３ Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｃａｎ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ ＺＨＵ Ｔｅｎｇｆｅｉ，ＣＡＩ Ｙｉ，ＺＨＵ Ｙｕｊｕｎ （Ｈａｎｇｚｈｏｕ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｓｔ ａｎｄ Ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｑｕａｌｉｔｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｓｕｐｅｒｖｉｓｉｏｎ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ ３１００１９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｉｍｐａｃｔ ｏｆ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｃａｎ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ ｏｎ ｔｈｅ ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｌａｍｐｓ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ａｎ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｎｇ ｓｐｈｅｒｅ ａｎｄ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｃａｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ ｏｆ １ ｎｍ ａｎｄ ５ｎｍ ｗａｓ ｅｍｐｌｏｙｅｄ ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ，ｃｏｌｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ，ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｉｎｄｅｘｅｓ ａｎｄ ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ ｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｓ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ．Ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｄｉｆｆｅｒｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔｌｙ ａｔ ｔｈｅ ｐｅａｋ ｎｅａｒ ６ １ ０ｎｍ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ ｏｆ Ｉ ｎｍ ａｎｄ ５ ｎｍ ｓｃａｎ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ，ａｌｌ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｂｙ ｌ ｎｍ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｃａｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ ａｒｅ ｌａｒｇｅｒ ｔｈａｎ ｔｈａｔ ｏｆ ５ ｎｍ，ｗｈｉｌｅ ａｌｌ ｔｈｅ ｒｅｎｄｅｒｉｎｇ ｉｎｄｅｘｅｓ ａｒｅ ｓｍａｌｌｅｒ．Ｔｈｅ△ ｉｓ ４１Ｋ ａｎｄ△Ｒ ｉｓ ０．５．Ａｎ ｏｐｔｉｍａｌ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｌｏｒ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅｓ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｉｓ ｒｅｓｅａｒｃｈ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｅｎｅｒｇｙ￣ｖｉｎｇ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ；ｏｐｔｓ＞ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｓｐｅｃｔｒａｌ ｓｃａｎ ｉｎｔｅｒｖａｌ；ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ 引 目 照明光源是日常生活不可或缺的电光器件，高视觉质量、高发光效率、低功耗的光源一直是研究的热 点。自镇流荧光灯作为近年来迅速发展的新型照明光源，具有功耗低、发光效率高、寿命长等优越特性， 因而被称为节能光源而得到广泛应用。照明光源在传递能量的同时也传递被照物品的真实信息如颜色、 光泽。反映光源颜色及视觉质量的重要参数有色温和显色性、色品坐标等 。色度参数由光源测试系 收稿日期：２０１０—０８—２４ 作者简介：朱腾飞（１９８５），男，江苏涟水人，助理工程师，硕士，主要从事光电检测方面的研究。 第１期 朱腾飞，等：光谱扫描间隔对节能光源色度测试的影响研究 ・１１・ 统完成，该系统中光谱仪根据设定的光谱扫描间隔对光源光谱采样，再将谱线离散值进行数学计算得到 实验结果Ｅ２－４］。中国标准ＧＢ／Ｔ １７２６２—２００２规定光谱扫描间隔不大于５ｎｍ的色参数测试要求¨１ ］，这 属于一个允许范围。 然而作为不断发展的新型光源，节能光源谱线趋于复杂且包含较多窄波段光谱＿５． ］。选择５ｎｍ或者 允许范围内更小的扫描间隔是否会对色度的判断产生影响，目前少有相关的研究报道。由于光源色参数 值在标准中有明确要求，若不同扫描问隔所测结果存在差异，极易影响到光源显色性能是否符合标准的 判断，从而影响到产品质量合格与否的正确评价。因此，研究光谱扫描间隔对色度测试的影响，有利于提 高光源色度测量的准确性，从而正确评价产品质量的优劣，对光源质量检测具有重要的意义。现选取标 准灯、自镇流荧光灯（节能灯）样品以５ｎｍ与Ｉｎｍ两种光谱扫描间隔进行对比实验，测得一系列光色度数 据，并对所得实验数据和现象进行严格的分析，最后提出照明光源色度测量的优化方案。 １实验装置与测试过程 １．１实验装置 光源测试系统装置如图１所示，将被测光源置于一个直径 ｌ ３ ５ ６ １．５ｍ的积分球中心位置，光源测试所需交直流电源分别由精密直 １一交／直流电源输出设备；２一光源样品； 流稳流稳压电源和交流可调电源设备提供；积分球侧壁接人 ３积分球；４一光谱仪探头； ＰＭＳ－５０光谱分析仪的光电探头；光谱仪由计算机控制，软件实时监 ５～光谱仪；６计算机。 图ｌ光源测试系统装置示意图 测数据，以此组成一套积分球——光谱辐射测量系统。该系统支持 Ｆｉｇ．１ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｆ ｌｉｇｈｔ ｓｏｕｒｃｅ １ｎｍ和５ｎｍ两种光谱扫描问隔。实验前对整套系统进行严格的光 ｔｅｓｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ 谱、光通量校准定标，实验保持环境温度２５℃，湿度６Ｏ 。 １．２标准光源光色度测试 仪器校准完毕后，先将一测光标准灯ＬＳＤＩＯ０３０１（２４Ｖ ＩＯＯＷ）作为待测光源置于积分球内，接人直流 电源，根据标准灯工作要求设定电流３．８９１Ａ。光源稳定后，将光谱仪的光谱扫描间隔分别设为５ｎｍ和 ｌｎｍ依次进行测量，得到标准光源的相对光谱、色温、色品坐标、显色指数等参数两组对比数据。 测量标准灯参数具有两方面作用：一是将实验数据与已知标准数值做对比，判断光谱扫描间隔不同 的条件下测试结果的精准度及误差；二是为接下来节能光源样品的检测提供设备可靠的依据。测量相对 光谱功率是因为光源的光谱分布与颜色特性直接相关ｌ２ ］。 １．３节能光源样品测试 随机选择同批次三只节能灯样品ａ、ｂ、ｃ（额定功率７ｗ，额定电压２２０Ｖ），分别安装在积分球内，接通 ２２０Ｖ交流电压点亮光源，每只点燃约３０ｍｉｎ使光源保持稳定。将测试系统的光谱扫描间隔分别设定为５ｎｍ 和ｌｎｍ，依次测试三个样品相对光谱、色温、色品坐标、显色指数等参数，通过计算机软件得到６组数据。 ２数据结果分析 ２．１标准灯参数分析 系统测得不同光谱扫描问隔条件下ＬＳＤＩＯ０３０１标准灯的相对光谱功率分布情况，如图２所示。图中 红色曲线代表５ｎｍ扫描间隔所测光谱相对功率分布，蓝色曲线代表１ｎｍ扫描间隔时所测光谱相对功率 分布。比较两条曲线易知，该标准光源的两组相对光谱测试数据近乎完全吻合。由此表明，５ｎｍ和ｌｎｍ 的采样间隔条件对标准光源的相对光谱测量没有影响。 ＬＳＤＩＯ０３０１标准灯的色温、色品坐标、显色指数对比数据如表１所示。表中数据可知，在不同的扫描 间隔条件下标准灯色温、色品坐标及显色指数的测试数据几乎相同，且与已知校准标称值误差很小，色温 误差仅５Ｋ、６Ｋ，为标准值的０．１７ ，色品坐标值也相差非常微小，均小于标准灯测试误差范围。 由图２及表１数据可验证，对于标准灯光源色度测试，光谱扫描间隔在不大于５ｎｍ范围内的不同设 定条件下，检测系统的测试结果均可靠稳定，无明显差异。 ・ １２ ・ 光学仪器 表１标准灯色度参数 Ｔａｂ．１ Ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｌａｍｐ 第３３卷 想 靛 图２标准灯相对光谱对比图 Ｆｉｇ．２ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ ｃｈａｒｔ ｏｆ ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｎｄａｒｄ ｌａｍｐ ２．２节能光源数据 实验测得节能灯样品ａ、ｂ、Ｃ的相对光谱，因为三个被测样品的光谱分布及特点极为近似，故此处仅以 样品ａ的光谱为代表进行分析，如图３所示。图中红色曲线为５ｎｍ扫描间隔所得数据，蓝色曲线为Ｉｎｍ 光谱扫描间隔时测得数据。通过在相同坐标系中对比可知，扫描采样间隔分别为１ｎｍ和５ｎｍ时，得到的 相对光谱在轮廓及趋势总体是一致的，但在窄波段如４３０￣４５０ｎｍ，４８０ ５００ｎｍ，５９０－－６２０ｎｍ等峰值处， 两者功率分布数值有所不同，特别是在５６０￣６２０ｎｍ区间，１ｎｍ问隔扫描的光谱图线变化更加敏锐，两者 数据在细节处存在较明显差别。 节能灯样品的色参数测试数据如表２所示。表中ａ、ｂ、Ｃ三样品的色品坐标对比数据较为接近，但色 温、显色指数数据均有一定差异，并呈现规律性变化，其中值得重视的现象有： （１）色温测试的实验数据差异较大，△ 一３８Ｋ，ＡＴ，Ｌ 一２４Ｋ，△ 一４１Ｋ，相差最大达４１Ｋ； （２）对同一样品，色温以ｌｎｍ问隔扫描所测数据均大于以５ｎｍ扫描间隔所测数据； （３）三个样品的显色指数以ｌｎｍ间隔扫描所测数据均小于以５ｎｍ扫描问隔所测，两者差值为 △Ｒ 一一０．５，△Ｒ ６一一０．２，△Ｒ 一一０．３。 实验数据表明，在严格条件下，即使满足测试标准的基本要求，不同的光谱扫描间隔对节能光源的光 谱、色参数测量以及颜色特性的判断仍产生不一致的结果。对同一样品，色温和显色指数的对比数值有 一定程度的差异，根据国标中对色度参数的判断要求，不同扫描间隔条件下测得数值可能正好位于标准 要求的合格临界值左右，极易影响到显色指数是否合格的判断，故这两项参数的测量差异同样值得重视。 表２的数据还呈现规律性，这显然不是随机现象，而是存在一定原因。 表２节能灯色度参数测试结果 ５一－ＰＰＬ（Ｌ【５ｌｎｎｍｍ｛ Ｔａｂ．２ Ｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ １ａｍｐｓ 骠 霞 Ａ 图３ ｉｎｍ、５ｎｍ扫描间隔时节能灯样品ａ的相对光谱 Ｆｉｇ．３ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｏｆ ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅ ａ ｗｉｔｈ ｓｃａｎ ｉｎｔｅｒｖａｌｓ ｏｆ ｌｎｍ ａｎｄ ５ｎｍ ２．３结果讨论 光电测试系统及测试方法对标准灯测试结果高度吻合，对节能灯测试数据则出现了差异。光谱扫描 间隔的选取对不同的被测光源产生了不同的影响结果。对此，现从实验数据着手研究这一现象。 首先比较两种光源的相对光谱。标准灯的谱线是一条上升曲线，特点为连续平滑、变化稳定；节能灯 第１期 朱腾飞，等：光谱扫描间隔对节能光源色度测试的影响研究 ・１３・ 谱线是一较为复杂的曲线，其特点峰值多，窄波段分布，杂乱无序的变化较多。标准灯谱线规则而平缓变 化（如图２），不论是以ｌｎｍ还是５ｎｍ间隔进行光谱扫描采样，采样点及采样近似趋势都能够反映光谱实 际分布，因而计算数据的可靠性和准确率有所保证，实验结果不会出现明显差异。若采集对象是复杂无 序且峰值很多的谱线（如图３），则当扫描间隔选取较大时，极易忽略或简化每个采样间隔内谱线的精细分 布情况，导致采样失真、测试不准确；当扫描间隔设置较小时，采样点增多，更能反映出光谱中的尖锐峰值 等细节特征和微小的变化，采样和测试结果更加可靠。因此对节能光源，不同的光谱扫描间隔必然影响 到采样的质量及相关的计算结果。 图４以节能灯样品ａ在５６０￣６６０ｎｍ波段光谱具体说明。实线和虚线分别为５ｎｍ和ｌｎｍ不同扫描间隔 所测光谱分布：实线峰值位于６１０ｎｍ，功率强度为 １２．０３３９ ｎｍ（已知该曲线所测３８０￣８００ｎｍ光谱最大功率 世 骥 霞 为１７．８２７８ｍＷ／Ｉ ）；虚线峰值位于６１ｌｎｍ，功率为 １４．６０８４ｍＷ／ｎｍ（该曲线３８０～８００ｎｍ光谱最大功率为 １８．０６５１讯 ／ｎｍ）。两种不同扫描间隔条件下的光谱整体分布 及最大值均十分接近，以此为参照，可见６１０ｎｍ附近所测的两 组光谱峰值功率强度差异明显。原因在于与ｌｎｍ间隔扫描相 比，５ｎｍ间隔扫描仅采样６０５ｎｍ、６１０ｎｍ、６１５ｎｍ等数据，未采样 到６１１ｎｍ、６１２ｎｍ、６１３ｎｍ、６１４ｎｍ，故将６１０ｎｍ波长做为峰值而图４节能灯样品ａ在５６０￣６６０ｎｍ波段相对光谱 使采样失真，ｌｎｍ的扫描间隔测量结果显然比５ｎｍ扫描更合 Ｆｉ Ｒｅｌａｔｉｖｅ ｓｐｅｃｔｒｕｒｎ ｏ ｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇ 理、可靠。图４作为光谱差异的实例，验证了前文分析。 ａｍｐ ｓａｍｐｋ ａ 。。～ 。ｍｎ 而被测光源的色坐标、色温、显色指数均由相对光谱推导计算而得，色坐标ｚ，Ｙ，ｚ的计算过程见 式（１）、式（２）ｌ３ ］。色品坐标求出后，利用色品图或计算方法即可确定待测光源的色温、显色指数等其他 参数，即相对光谱功率分布决定了色度参数的结果。相对光谱的数值变化使得在不同的扫描间隔条件 下，色参数随之产生规则改变，测试数据的规律性偏差由此得到解释。 ７８０ Ｘ一是∑声（ ） （ ） ３８０ ７８０ Ｙ一是∑ （ ）歹（ ） ３８０ ７８０ （１） Ｚ一是∑ （ ） （ ） ３８０ Ｘ Ｘ＋ｙ＋Ｚ ｙ Ｖ一—— （２） ｘ＋Ｙ＋Ｚ 式（１）中Ｘ、ｙ、Ｚ是ＣＩＥ１９３１标准色度系统三刺激值； （ ）是色刺激函数的光谱分布（光源相对光谱功率 分布）； （ ）、歹（ ）、 （ ）是ＣＩＥ１９３１标准色度观察者色匹配函数； 是波长间隔；ｋ是归一化系数；式（２） 中ｚ， 是ＣＩＥ１９３１标准色度系统的色品坐标。 ３结束语 主要研究照明光源特性测试中光谱扫描间隔的设定与光源色度参数测试结果的关系。实验表明，标 准灯的光色度参数测量不受光谱扫描间隔变化的影响；但对于光谱分布较为复杂的节能灯光源，选取不 同的光谱扫描间隔将直接影响其相对光谱、色温、显色指数等参数的精确测量及光源视觉质量的准确判 断。文中对此进行了详细分析并作出解释。 根据研究结果，现认为在照明光源色度的实际检测中，应充分考虑光谱扫描间隔因素对不同光源测 ・ １４ ・ 光学仪器 第３３卷 试的影响程度，采取有针对性的测试方案：对于谱线连续平稳变化的光源，可以在国家标准要求的光谱扫 描间隔５ｎｍ及以下范围内进行测试；而对于光谱变化复杂且峰值较多的节能灯等光源，应选择较小的光 谱扫描间隔作为采样条件进行测试，以保证光源光谱和色度结果更加精确。文中工作有利于提高照明光 源特别是节能照明光源检测技术的合理性、准确性和针对性，对节能照明产业和光源质量检测行业的发 展具有较为重要的应用价值和实际意义。 参考文献： ［１］全国照明电器标准化技术委员会电光源及其附件标准化分技术委员会．ＧＢ／Ｔ １ ７２６２－－２００２单端荧光灯性能要求［ｓ］．北京：中国标准 出版社，２００２：ｌ５—１６ Ｅ２３全国颜色标准化技术委员会．ＧＢ／Ｔ ７９２２—２００８照明光源颜色的测量方法Ｅｓ］．北京：中国标准出版社，２００８：１－－６ ［３］全国颜色标准化技术委员会．ＧＢ／Ｔ ５７０２ ２００３光源显色性评价方法Ｅｓ］．北京：中国标准出版社，２００３：３—４ ［４］白金纬，张德源，刘畅．浊度仪叶１两种不同光源对浊度测量的影响研究ｌＬｊ］．光学仪器，２００８，３０（２）：１—３ Ｅ５］叶春芳，刘玉玲，余飞鸿．ＣＩＥ色度空间的控件实现＿Ｊ］．光学仪器，２００５，２７（３）：２７—３２ ［６］全国颜色标准化技术委员会．ＧＢ／Ｔ ３９７７—２００８颜色的表示方法Ｅｓ］．北京：中国标准出版社，２００８：４—６． 。 ） Ｓ消 ＼Ｉ Ｉ＼ 息 科学家首次在碳纳米管中观察到场致发光 据物理学家组织网１２月２０日报道，德国、瑞士和波兰联合研究小组在一项新研究中首次观察到，碳 纳米管中缺口间的分子在电流通过时能够发光，这种现象称为场致发光（ｅｌｅｃｔｒｏｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｃｅ）。研究发 表在最近出版的《自然・纳米技术》上。 一种单层的碳纳米管一分子一碳纳米管（ＣＮＴ～分子～ＣＮＴ）的连接固态电子设备在几年前就开发 出来，但其光学性质还很难检测。碳纳米管包含了一对金属电极，在电极之间造成一个仅有几纳米宽的 缺口，缺口的位置和大小不超过ｌＯｎｍ，并能在纳米尺度精确控制电流通过。 研究人员在缺口放置了一个６ｒｉｍ长的小棒型分子，当给电极施加电压时，能观察到明亮的场致发光 点。根据用外部照明拍摄的图像覆盖对比，他们确定这种光来自电极之问的分子，并能通过控制电压开 关来控制这些点发光。研究人员解释说，电场的特性使分子陷入一种静电陷阱中，弥补了两极之间的“线 路”，电极缺口能容纳１～３个这种小棒型分子。 论文合著者、卡尔斯鲁厄立功大学拉尔夫・克鲁普克表示，这是首次在ｃＮＴ～分子～ＣＮＴ连接设备 中观察到场致发光。该研究的最大意义在于，我们成功将分子嵌入这种首尾对结构中制造了坚实的固态 设备，而且我们能精确控制缺口和分子的大小，让它在施加电压时发光。我们的研究还首次从分子电子 学角度证实，设备空档处的分子出现了光学标志。 碳纳米管在分子电子学方面有很多应用。研究人员正在用不同的分子制造出不同发光波长的多种 设备，这一重要的基础性研究有助于制造微型化、高能高效计算机，并拓宽了分子电子学视角，比如以单 分子为基础开发光电子元件。 （摘自《科技日报》）