Ocean 高速光譜儀應用於家庭照明
Ocean 高速光譜儀應用於家庭照明
重點 :
• 閃光
• 時間分辨光譜
• 相關色溫
技術 :
• 輻照度
應用 :
• 閃光表徵
• 照明品質管理
我們所不知道的，我們大部分使用在家用照明上的燈都會有些閃光，這主要是因為交流電帶來的性質。雖然閃爍的發生速度比一般人眼所能看到的要快，但它仍然會對健康以及某些高速設備的運行產生影響。 Ocean FX 光譜儀的快速掃描速度使這種閃爍能夠在現場輕鬆、經濟地進行評估。為了進行調查，我們使用 Ocean FX 查看了家用照明源，以實時了解它們的強度和顏色發生了什麼變化。
前言
通過叫做「視覺殘留」的現象，燈光消失後的40到50毫秒，視網膜還是會繼續反映燈光還存在。你可以發現這現象在當你處在暗處晃動煙火時，就好像你的眼睛正在對他接收到的光信號進行某種平均。從本質上來說，我們有可能看到迅速移動的物體，有些人能在更短的13毫秒內像是職業運動員，但是在相同的時間刻度上來說，強度和顏色的話更難察覺。
這不代表這些不重要。研究發現超過2000Hz的閃光會影響生理與知覺。低頻率的閃光(通常來自閃光、閃爍和頻閃)可以發現他們的頻率從3到70Hz，但仍能對敏感的人造成癲癇(大約4000分之1)。超過可見頻率100到120Hz會在短期內對部分的人造成頭痛和眼睛疲勞，並且已被證實會降低平均表現在像是閱讀紙張和使用CRT螢幕的視覺工作。
出現閃爍的光源類型不如具體的閃爍特徵重要：頻率、振幅和色度變化，以及觀察條件（對比度、視野距離、受刺激的視網膜區域）。雖然這在以前很難測量，但 Ocean FX 光譜儀提供的速度和靈敏度使這些光譜輻射測量觸手可及。測量速率高達每秒 4,500 次掃描，靈敏的 CMOS 檢測器的響應範圍 200-1100 nm，經輻射校準的 Ocean FX 光譜儀可用於表徵光源的強度和顏色且積分時間為 10μs 至 10 秒，讓其成為一個強大的工具，使研究人員能夠研究閃爍對高危人群的一系列神經和行為影響。
在攝像中燈源閃爍也很重要。當使用非常高的相機幀率時，有些幀的每幀光脈衝數不一，這些幀將會出現閃爍。這可以使用高瓦數燈泡來避免，其中燈絲的高溫度減輕了循環間的冷卻造成的閃爍，但這對低瓦數燈泡很重要。此外，條碼掃描器可能會受到閃爍的影響—如果房間的光源閃爍頻率與條碼掃描器的掃描頻率相似，則閃爍會干擾掃描儀的脈衝檢測，然後掃描儀將無法運作。
為了更深入地研究，我們決定查看以下常見光源的時間分辨光譜、相關色溫和 xy 色坐標:
• 天花板螢光燈
• 小型螢光檯燈
• 智慧型手機閃光燈
• 家用白色 LED
• 家用鹵素燈
測量設置
我們使用 HL-3P-CAL 燈來對Ocean FX 光譜儀的200 – 850nm範圍進行輻射校準。Ocean FX 配置一個一米長、核心400微米的VIS-NIR光纖及CC-3餘閒校正器來讓他具有朗伯視場。燈先預熱25分鐘來使用OceanView軟體進行幅照度校準。
使用 CC-3 餘弦校正器觀察各種家用照明設備，無需任何額外的光學器件。所有要測量的光源都開啟一段時間來提供穩定輸出。光譜儀的積分時間設定為3μs，餘弦校正器對準光源，然後紀錄連續光譜3秒。此外會記錄在相同設置下的暗光譜，並在軟體進行幅照度校準前從每次掃描裡減去暗光譜。
螢光燈
最早推出的螢光燈具有極高的閃爍，通過現代電子鎮流器的開發，通常已將閃爍降低到 1-20%。
為了探索這一點，我們測量了安裝在同一個天花板燈具中的三個螢光燈泡。不出預料的，我們看到了一系列強烈的汞發射譜線在405、436、546nm處，以及其他氣體的發射譜線和一些額外且寬的波峰。也如預期一樣，清楚的看到了因為交流電源產生的100Hz振盪。(測量是在德國進行，當地電源頻率為50Hz)。觀察到的振盪頻率是電源頻率的兩倍，因為正、反方向電流都會發光。
不是所有的波長振盪都一樣「深」，這是說405nm和436nm的譜線每次都會振盪到0，而其他譜線只會下降大約70%(611nm)或30%(544nm)。雖然繪圖僅限於 50 毫秒以清楚地顯示痕跡，但我們記錄了 10 秒的振盪，這將允許分析整個長度以尋找尖峰或其他不規則閃爍。
此外，除了405nm和436nm的譜線外，所有譜線都在不同時間到達他們的最小值。這些振盪相對於彼此發生相移，這代表說色溫也會跟著振盪。由於使用的光譜儀經過輻射校準，我們隨後進行計算以確定光源的色溫隨時間的變化。以 1 nm 的單位對光譜進行插值，計算三色刺激值 (XYZ) 以及色溫(羅伯遜近似)。繪製色溫隨時間變化的結果，我們看到在相同的振盪頻率下有明顯的擺動。這也從天花板螢光燈隨時間變化的色度(xy 顏色坐標)圖中得到證實。
色度圖上的黑線標示標準黑體色值（色溫的實際定義），黑點表示2000K、4000K等色溫。在色度圖黃色部份上的深藍色線標示出螢光燈在50Hz交流電循環時的顏色值—顯示出相當大的擺幅!
對另兩個燈泡放在同一個燈光座上重複同樣一系列測試，有著相似的結果。對小型螢光檯燈進行同樣的一系列測試展示出同樣的汞的發射光譜，儘管具有不同的相對強度（紫外光的峰值更強）。此外，桌燈有著更強、更寬的背景峰值橫跨400-550nm。雖然我們仍然看到 100 Hz 的振盪，但深度遠小於在天花板螢光燈觀察到的深度。觀察到的色溫以相同的頻率從 6200 K 振盪到 7400 K，尖峰迅速下降。至於顏色，螢光檯燈看起來更像是真正黑體，結果在黑體色值線上隨時間有著最小變化。
智慧型手機閃光燈
接下來我們測試智慧型手機閃光燈隨時間和光譜的表現，再次用同樣校正過的Ocean FX 光譜儀。由於手機閃光燈是一閃的，我們按順序測量了一系列閃光燈，繪製了每個閃光燈隨時間變化的數據。在這裡展示一個只閃一次(大約10到50ms)的幅照度與光譜和時間的關係圖作範例。他的強度很明顯的穩定!
當閃光燈的光譜穩定顯得相當高，我們就好奇地更深入查看。色溫-時間圖顯示出色溫略有上升趨勢，在 15ms內大約為 500K。如非常穩定的色度圖所示，高顏色一致性支持了這一點。我們可以放大來看圖上閃光燈的顏色變化在三次閃光的持續時間計算中x和y的變化小於0.02。
家用白LED燈
雖然LED理論上不應該出現閃爍，但是使用交流電電源用在直流電電器上會有漣波效應而產生閃爍。這在很大程度上取決於 LED 驅動設計，因此會因製造商甚至型號而異。
對於我們的測量，我們找了一家知名連鎖居家用品店的白色LED室內燈。儘管他是更寬帶的光源，LED也顯示出一些100Hz的閃爍，儘管他比其他東西更嘈雜。
觀察LED相關色溫，沒有看到50或100Hz的週期，並且長期CCT穩定性非常高。如預期一樣，顏色座標保持非常穩定而且正對著普朗克軌跡。
家用鹵素燈
作為我們最後的測試，我們找了一個25瓦低電壓的家用鹵素燈。他的光譜如預期般地從黑體曲線開始，隨著時間推移具有穩定的光譜幅照度。仔細觀察，有可能發現到燈絲在交流電周期間冷卻而造成輕微的振幅變化。
這種變化在色溫圖中更為明顯，色溫有非常小但可檢測到的 30 K 週期。雖然這種變化對於絕大多數應用來說還不夠重要，但它確實突出了 Ocean FX 光譜儀執行此類測量的靈敏度。長期測量色溫顯示只降低幾度。
結論
對各種光源進行簡短的幅照度光譜檢測發現，照亮我們日常生活中的燈具所發生的事情比我們想像的多。強度、色溫和感知顏色等參數隨著觀察的光源類型的不同而有獨特地變化，即使在照明系列中也是如此。儘管天花板螢光燈因為使用的交流電而循環兩次在光譜的黃-橙部分，小型螢光桌燈燈泡也顯示出相似的光譜，但是動態範圍非常不一樣。相比之下其他燈具像是白色LED燈跟鹵素燈包持相當穩定。隨著研究者尋求更好的了解閃爍的影響，測量這些參數及把它們跟人類生理學和知覺做關聯的能力將成為關鍵。
Ocean FX 光譜儀提供速度和敏感度來記錄家用燈具的閃爍波長和時間變化。這提供相當速度來紀錄閃爍的相關光譜，以及震盪幅度和相移。藉由Ocean FX 的50000張光譜緩衝甚至可以測量每個峰值和信號丟失，從而闡明家用照明產品的表徵和品質控制中範圍更廣的問題。