基于FieldSpce3地物波譜儀的幾種照明光譜的對比分析

盧云龍 劉志剛

(第二炮兵工程大學(xué)，陜西西安 710025)

1 引言

許多人一生的三分之一到三分之二時(shí)間是在人造光中度過的。在選購燈具時(shí)，人們往往片面地追求節(jié)能或省錢，卻很少意識到那些光譜窄、頻閃大的照明光源正在直接地?fù)p傷人的視力，甚至間接地影響人的呼吸系統(tǒng)［1］。在現(xiàn)有的關(guān)于照明與近視關(guān)系的研究中，主要關(guān)注以下三個(gè)問題［2］:(1)照度問題;(2)節(jié)能、使用壽命問題;(3)消除頻閃問題。而對于人工照明的本質(zhì)——光譜的成分卻較少被關(guān)注，即使有過研究，也只是針對熒光燈和白熾燈。近年來，節(jié)能燈、LED燈等新型光源被廣泛用于日常照明，且大有全面取代傳統(tǒng)人造光源之勢。為此，本文采用高分辨率的地物波譜儀對自然光、白熾燈、熒光燈、節(jié)能燈、LED燈的光譜進(jìn)行了精確測量和比較，并從人體健康的角度進(jìn)行了對比分析，給出了一些有益的結(jié)論。

2 實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)所用測量儀器:波譜儀、白板。其中，波譜儀為FieldSpce3便攜式地物波譜儀，如圖1所示。

圖1 FieldSpce3便攜式地物波譜儀

FieldSpce3便攜式地物波譜儀是美國ADS公司的最新產(chǎn)品。它使用512陣元陣列、PDA探測器和兩個(gè)獨(dú)立的InGaAs探測器，探測器可探測的波長范圍是:350～2500nm。該波譜儀每秒最快可得到10個(gè)光譜曲線，并可實(shí)時(shí)顯示光譜線，光譜分辨率為3nm@700nm、8.5nm@1400nm、6.5nm@2100nm。

白板為工作標(biāo)準(zhǔn)白板，其反射率高達(dá)98%以上。

受試燈具包括:白熾燈、節(jié)能燈、熒光燈和LED燈。具體包括:(1)60W的白熾燈一支;(2)目前市面上比較流行的三基色40W的節(jié)能燈一支，由中山市歐點(diǎn)照明有限公司制造;(3)用于實(shí)驗(yàn)室照明的熒光燈若干;(4)LED光源的手電筒一支。

2.2 實(shí)驗(yàn)方案

本實(shí)驗(yàn)通過測量人工光源相對于標(biāo)準(zhǔn)白板的反射光譜來完成對人造光源光譜特性的評估。由于該白板的反射率高達(dá)98%以上，可以認(rèn)為經(jīng)地物波譜儀測量出的反射光譜分布曲線，即為光源的光譜分布曲線，故后文將人工光源相對于白板的反射光譜直接稱為光源光譜。

對人工光源的試驗(yàn)安排在晚上進(jìn)行，地點(diǎn)為室內(nèi)。測量時(shí)，通過室內(nèi)完全光線遮擋來排除自然光對試驗(yàn)結(jié)果的影響，每次試驗(yàn)單獨(dú)測定某一種人工光源相對于白板的反射光譜。自然光的光譜測量安排在一個(gè)晴朗的中午進(jìn)行，地點(diǎn)為室外。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖2至圖6分別為:自然光、白熾燈、節(jié)能燈、熒光燈和LED燈的光譜曲線。其中，橫軸為波譜，范圍為350～2500nm，縱軸為人工光源相對于白板反射的亮度值 (DN值)，DN值越大反射亮度就越高，圖7為各光源光譜在可見光范圍內(nèi)的歸一化圖。

本文的目的是從光譜分布入手來考慮人工光源的優(yōu)劣，DN值的大小對本次試驗(yàn)來說沒有太大的實(shí)際意義。況且由于實(shí)驗(yàn)選用的人工光源的功率不同，測量白板的反射光譜時(shí)，人工光源和探頭距離白板的位置不同，使得DN值的大小不同是可以很容易理解的。

圖2 自然光

圖3 白熾燈

圖4 節(jié)能燈

圖5 熒光燈

圖6 LED燈

圖7 各光源光譜在350nm～780nm范圍內(nèi)的歸一化

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)電磁波譜理論，可見光的波譜分布大約在380～780nm波段范圍內(nèi)［3］。上述實(shí)驗(yàn)表明，節(jié)能燈、熒光燈、LED燈的波譜分布都集中在可見光這個(gè)波段范圍內(nèi)，它們相對于自然光和白熾燈的光譜是屬于不完全光譜。白熾燈則在可見光波段和非可見光波段都有分布 (近紅外)，而且在非可見光波段分布的比重更大。這說明白熾燈發(fā)光效率很低，而節(jié)能燈、熒光燈、LED燈的發(fā)光效率非常高。這正是在當(dāng)前提倡節(jié)能低碳背景下，人們廣泛呼吁用其他光源替代白熾燈的主要原因之一。

仔細(xì)比較各譜線在可見光譜段的波形可以發(fā)現(xiàn)，節(jié)能燈、熒光燈、LED燈是屬于高色溫的光源，而白熾燈屬于低色溫的光源。根據(jù)色度學(xué)知識，白色的物體在高色溫光源下偏藍(lán)色，在低色溫的光源下偏紅色。所以我們經(jīng)常感覺到，節(jié)能燈、熒光燈、LED燈的光線發(fā)白，且白中偏藍(lán)，有時(shí)讓人很不舒服，尤其是長時(shí)間用于閱讀照明。而白熾燈光線白中偏紅，與經(jīng)過大氣衰減后的自然光很接近，讓人感到心情寧靜、舒適。

對幾種光源的光譜曲線對比觀察還可發(fā)現(xiàn)，白熾燈的光譜曲線與自然光的光譜曲線較為接近，但仍存在差別。例如:在1350～1400nm和1825～1900nm的波段范圍內(nèi)，自然光相對于白板的反射光幾乎沒有，而白熾燈的反射光譜卻很高。這一結(jié)果與大氣窗口分布一致:由電磁波的大氣傳輸理論可知［4］，這兩個(gè)譜段是水蒸氣的主要的吸收帶，即太陽光通過大氣層時(shí)，這兩個(gè)譜段的能量被水分子大量吸收了。而大氣吸收的問題顯然不會發(fā)生在白熾燈上。

此外，由實(shí)驗(yàn)還可得出兩個(gè)結(jié)論:(1)節(jié)能燈與熒光燈的光譜曲線幾乎相同，而與LED燈相比則有明顯差異，這充分說明實(shí)驗(yàn)用的節(jié)能燈與熒光燈的發(fā)光原理、發(fā)光材料 (熒光粉等)是相同的;(2)仔細(xì)分析圖7，可以發(fā)現(xiàn)幾種人造光均無紫外成分，而自然光明顯含有少量的紫外成分，這少量的紫外成份對人體的健康有著重要影響［1，5］，這也是許多健康專家建議人們不要總在室內(nèi)活動的原因之一。

5 關(guān)于光源選用的討論

物體的顏色是由光和物體本身特性共同作用的結(jié)果。任何物體對光都有反射和吸收的本能，由于物體本身特性的不同，對光的吸收反射特性各異，物體才呈現(xiàn)色彩差別。如樹葉反射綠光，對其他波段的光吸收較多，所以呈現(xiàn)為綠色。物體只有在白光條件下才能顯示其本色，白光是各種顏色的光綜合作用的結(jié)果。通常把自然光作為最理想的白光。人眼能夠感知到的光譜范圍為380～760nm，以自然光為參照標(biāo)準(zhǔn)，節(jié)能燈、熒光燈、LED燈光譜在可見光范圍內(nèi)分布的波動性較大。例如:節(jié)能燈、熒光燈光譜在450nm、550nm、600nm波長附近有非常大的峰值，LED燈光譜在450nm、500nm、550nm波長附近有非常大的峰值。雖然這些光源都是白光，但它們的光譜成分與自然光光譜成分相差較大。白熾燈的光譜在可見光波段范圍內(nèi)的分布與自然光較為類似，分布較為平緩。從光譜曲線的能量的分布來看，在可見光范圍內(nèi)，節(jié)能燈、熒光燈、LED燈的能量分布主要向中短波方向集中，而白熾燈和自然光的能量分布主要向中長波方向集中，從這個(gè)方面我們也可以知道節(jié)能燈、熒光燈、LED燈是一種高色溫的光源，白熾燈屬于低色溫的光源。一個(gè)白色的物體，在低色溫的光線照射下會偏紅，而在高色溫的光線照射下會偏藍(lán)，基于這個(gè)原因，現(xiàn)在數(shù)碼相機(jī)中有一種自動白平衡處理功能［6］。這一結(jié)論可以為數(shù)碼相機(jī)的自動白平衡處理提供先驗(yàn)知識。而且長時(shí)間在偏色的光源下工作學(xué)習(xí)，對人的眼睛有很大影響［7］。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，自然光和白熾燈的光譜是一種連續(xù)光譜，節(jié)能燈、熒光燈、LED燈的光譜只集中在可見光波段范圍內(nèi)，在紅外波段范圍內(nèi)沒有分布。在陽光下，生命已經(jīng)進(jìn)化了幾億年，早已習(xí)慣了自然光這種連續(xù)光譜，但對不完全光譜卻未必習(xí)慣。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，光對人和動物的健康有著很重要的作用［5］，如: “不完全光譜”的燈泡可能會促使兒童過分好動;熒光燈下的老鼠變得好斗;熒光燈下的鳥兒拒絕交配，蛇和龜竟絕食而死，魚兒不育等。而換上全色光譜燈 (仿太陽光的燈)時(shí)，動物便恢復(fù)了正常的行為。

我們社會正在大力提倡節(jié)能減排，倡導(dǎo)低碳綠色的生活，這對于整個(gè)社會的可持續(xù)發(fā)展無疑是正確的。而像節(jié)能燈、熒光燈、LED燈這種窄頻譜的人工光源，也的確能起到節(jié)約能源的作用。如果我們僅僅從節(jié)能和省錢這個(gè)層面考慮，無疑是正確的。但是，從窄頻帶光源對人的健康的影響來考慮，這種節(jié)能的人造光源就未必“綠色”、“環(huán)保”和“省錢”。據(jù)統(tǒng)計(jì)，“照明”耗能只占“基本能源消耗”的2%［2］，人類完全沒有必要以損害自身健康為代價(jià)來節(jié)約照明用電。而且，如果一旦出現(xiàn)由于光照問題而引起身體疾病，這種花費(fèi)將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出節(jié)省的電費(fèi)。

6 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)與分析，作者認(rèn)為:在一些人員比較集中，需要長時(shí)間使用人工照明的場合，選用白熾燈比較合適。雖然白熾燈較熒光燈、節(jié)能燈、LED燈的使用壽命短、能耗高，但白熾燈較其他幾種燈更適合人類工作學(xué)習(xí)，這主要源于白熾燈和自然光有良好的相仿性。而在一些對環(huán)境要求不太高的場合，可以使用節(jié)能燈、熒光燈、LED燈，如室外照明等。但是白熾燈也未能對自然光進(jìn)行完全模擬，白熾燈在近紅外的能量分布占白熾燈整個(gè)光譜能量的很大部分，而且白熾燈光譜還存在缺少紫外成分、偏色等問題。完全模擬自然光的人造光源才是我們理想的光源。

［1］楊世光.室內(nèi)環(huán)境與健康［J］.照明工程學(xué)報(bào)，2004，15(3):24～29.

［2］王智勇，袁秀梅等.不同色度紙張對熒光燈和白熾燈反射的光譜對比 ［J］.中國學(xué)校衛(wèi)生，2006，27(8):660～663.

［3］童喜慶，張兵，鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:高等教育出版社，2011:6.

［4］童喜慶，張兵，鄭蘭芬.高光譜遙感——原理、技術(shù)與應(yīng)用 ［M］.北京:高等教育出版社，2011:15～16.

［5］劉偉.有益于健康的仿日光全光譜燈泡 ［J］.國外科技動態(tài)，1991，4:54～54.

［6］周榮政，何捷，洪志良.自適應(yīng)的數(shù)碼相機(jī)自動白平衡算法［J］.計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào)，2005，17(3):529～533.

［7］王智勇.照明與近視關(guān)聯(lián)的研究進(jìn)展［J］.中國學(xué)校衛(wèi)生，2008，29(1):89～91.