光谱仪应用之颜色测量

物体的颜色取决于其对光的选择性吸收，当光照射到物体表面时，物体会反射特定波长范围的光，并吸收其余波长范围的光，这些光将以颜色信息被我们接收。为使各个领域都有统一的颜色标准，国际照明委员会（CIE）于1931年提出的标准色彩系统CIE 1931[1]，它采用了XYZ色彩空间和标准观察者来描述和测量颜色，并绘制了色度图用于直观表示颜色的分布和混合关系，如图1（a）所示，对色彩管理、显示技术和照明设计等领域产生了深远影响。

图1 （a）CIE 1931色彩空间；（b）CIE 1976 L*a*b*颜色空间。

为提供一个更均匀、更准确的色彩空间，CIE于1976年正式推荐了两个改进的均匀颜色空间，即CIE 1976 L*u*v*颜色空间和CIE 1976 L*a*b*颜色空间[2]，该系统通过数学方法从CIE XYZ系统转换而来，旨在提供一个更均匀、更准确的色彩空间，以更好地代表人类在各种照明条件下对颜色的感知。CIE L*a*b*空间由L*（心理明度）、a*（红绿轴心理色度）、b*（黄蓝轴心理色度）三个坐标构成，形成了三维色品图，如图1（b）所示。该空间及其色差公式（如ΔEab）已被广泛应用于印刷、纺织、化妆品等行业，用于色彩管理和测量，以提高颜色匹配和色彩复制的准确性。

物体表面的颜色本质上由其可见光光谱反射率决定，这一特性具有唯一性，可避免同色异谱现象，确保颜色的准确再现。通过反射率测量系统获得的反射率图谱，即可准确捕捉物体的颜色信息。光谱仪可通过高精度的分光技术，将入射光束分解为一系列单一波长的光，并量化每种波长的光强度，然后与标准光源下的颜色标准进行对比分析，利用这些测量数据，光谱仪能够计算出颜色的三刺激值，例如RGB或CIE XYZ色度空间的坐标。这些数值随后被转换成与人类视觉感知相对应的颜色空间坐标，如CIE 1931 XYZ或CIELAB，从而实现对颜色参数的精确量化。这些参数包括但不限于色度坐标、色温（CCT）、饱和度以及色差（ΔE），为颜色的科学分析和质量控制提供了坚实的数据基础。

一般来说，固体和粘稠液体的颜色测量可以通过不同的实验布局来实现，如通过反射探头或积分球。对于不同的应用，如测量纺织品、纸张、水果、酒类和鸟类羽毛等颜色则需要使用不同的探头来实现。

光谱仪可以通过测量光的光谱分布来分析和评估颜色特性，在照明行业、纺织和服装行业、化妆品行业、食品和农业、艺术和文化遗产保护等领域都有着广泛的应用。光谱仪在颜色测量中的关键优势在于其高精度和高重复性，能够提供详细的光谱信息，为颜色分析和控制提供了可靠的数据支持。

在颜色测量领域，光谱仪被广泛的用于评估和分析光源的颜色性能。近期，Ying Lv等人[3]使用由提供的XS11639光谱仪进行了新型高效、宽带青色发光的荧光粉的研究，在365 nm光激发下，实现从390~675 nm的宽泛青色发射带，有效覆盖了可见光谱中的蓝-青-绿区域，配合商用橙红色荧光粉可产生明亮的全可见光谱白光，具有相当的光效(61.02 lm·W-1)和高显色指数(Ra = 89)，在高质量白色照明光源中展现出巨大的应用潜力。

为解决白光发光二极管（pc-wLEDs）在实现全可见光谱照明时遇到的“青色间隙”问题，即在480-520 nm波长范围内的光谱覆盖不足，开发了一种新型宽带青色发光荧光粉SiO2:Al3+,Eu2+，以提高pc-wLEDs的色域完整性和色彩再现能力，达到更接近自然光的照明效果。由提供的光谱仪可以精确测量和分析新型宽带青色发光荧光粉SiO2:Al3+,Eu2+的光谱特性，详细记录荧光粉在不同激发条件下的光发射谱，从而评估其发光性能，包括光谱分布、色度坐标、色彩再现指数（CRI）以及热稳定性等关键参数。这些测量结果对于开发具有全可见光谱特性的白光LED照明至关重要，确保了照明设备能够提供高质量的自然光效果，满足照明应用中对色彩准确性和视觉舒适度的高要求。

图3 α-石英中Eu2+的占位和Al3+取代部分Si4+结构示意图

（1）荧光粉的光致发光激发(PLE)和光致发光(PL)光谱特性

使用光谱仪测试了SiO2:0.06Al3+,0.005Eu2+荧光粉的光致发光激发(PLE)光谱和光致发光(PL)光谱，结果如图2所示。从图4(a)可以看出，PLE光谱显示，该荧光粉在250~420 nm范围内有强吸收，表明该荧光粉可被紫外光有效激发。在365 nm激发下，SiO2:0.06Al3+,0.005Eu2+粉末发出明亮的青色光，其PL光谱显示在459 nm处有一个宽发射峰，发射带覆盖了390~675 nm，半高宽(FWHM)为114 nm，远宽于商用蓝色荧光粉BaMgAl10O17:Eu2+(BAM:Eu2+)。PL光谱可以分解为两个高斯子带，表明存在两种不同的发光中心。图4(b)为不同Al3+浓度(x = 0-0.06)的SiO2:xAl3+,0.005Eu2+荧光粉的PL光谱，从图中可以看出，随着Al3+浓度的增加，PL强度逐渐增强，FWHM略微变宽，这表明Al3+共掺杂可以有效调节Eu2+在SiO2中的光致发光。图4(c)为不同Eu2+浓度(y = 0.001-0.007)时荧光粉的PL光谱显示，随着Eu2+浓度的增加，FWHM逐渐变宽，表明Eu2+捕获激子发射增强。在y = 0.005时达到最大值，之后由于浓度猝灭效应，PL强度开始减弱。

图4 

（a）SiO2:0.06Al3+，0.005Eu2+的归一化PLE (λem = 459 nm)和PL (λex = 365 nm)光谱

（b）365 nm光激发时不同Al3+浓度(x = 0-0.06)的SiO2:xAl3+,0.005Eu2+荧光粉PL光谱

（c）365 nm光激发时不同Eu2+浓度(y = 0.001-0.007)时荧光粉的PL光谱

（2）热稳定性和色度稳定性测试

随着LED芯片长时间工作，其工作温度会升高，因此荧光粉的热稳定性和色度稳定性对于保证LED的长期性能至关重要。测试了在365 nm激发下，SiO2:0.005Eu2+和SiO2:0.06Al3+,0.005Eu2+在298~548 K范围内温度依赖的PL光谱，测试结果如图5(a)所示，可以看出Al3+的引入不仅拓宽了荧光粉的青色发射带，还提高了热稳定性。图5(b)为引入和未引入Al3+的荧光粉从298~548 K的CIE 1931色度坐标，从图中可以看出，引入Al3+的荧光粉表现出较小的色度漂移，表明其色度稳定性更好。

图5 （a）荧光粉温度依赖性PL光谱(λex = 365 nm)；（b）CIE色度坐标。

（3）在pc-wLED上的应用

SiO2:Al3+,Eu2+荧光粉具有宽带青色发射、高量子效率和良好的热稳定性等优势，在制造高质量全可见光谱白光LED照明领域展现出巨大的潜力。通过将青色荧光粉SiO2:0.06Al3+,0.005Eu2+和橙红色荧光粉(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+涂覆在紫外线LED芯片(λem = 365 nm)上，可制造一个简单的双色pc-wLED设备(设备1)。图6(a)上图展示了设备1在20 mA电流驱动下的EL光谱，从图中可以看出设备1成功实现了完全覆盖整个可见光谱的连续光谱，图6(a)下图展示了使用商用蓝色荧光粉BAM:Eu2+制造的pc-wLED(设备2)，可以看出其光谱存在明显的青色-绿色间隙问题。图6(b)为设备1在20~200 mA驱动电流下的EL光谱，从图中可以看出，EL强度呈现先增加后降低的趋势，在150 mA时达到最大强度。随着驱动电流的增加，色度坐标、CRI值和相关色温(CCT)的变化如图6(c-d)所示。可以看出，CRI和CCT值也没有显著变化，只发生了轻微的坐标漂移，这表明该pc-wLED在不同驱动电流下具有出色的色稳定性。

图6 

（a）SiO2:Al3+、Eu2+ + (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+(上)和BAM:Eu2+ + (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+(下)制备的wLED的EL光谱；

（b）器件1的pc-wLED驱动电流(20-200 mA)依赖性发射光谱；

（c）CIE色度坐标；

（d）CTT和Ra值。

文献成功开发了一种新型宽带青色发光荧光粉SiO2:Al3+,Eu2+，利用由提供的光谱仪可精确测量其光谱特性，揭示其在填补传统白光LED“青色间隙”、实现全光谱照明方面的巨大潜力。光谱仪在测量荧光粉的光致发光激发和发射光谱、分析温度依赖性、评估色度稳定性和量子效率方面发挥了关键作用，为优化荧光粉性能和评估其在pc-wLEDs中的实际操作稳定性提供了重要数据支持，从而证实了SiO2:Al3+,Eu2+荧光粉在提升照明质量方面的优势和应用前景。