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JD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JD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JD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DY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ZD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JD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

       ZH，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。