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光谱仪应用之颜色测量
发布:上海如海光电科技有限公司浏览次数:13“
颜色,是我们感知世界的重要方式。从时尚设计到工业生产,从环境监测到科研探索,准确捕捉和测量色彩的能力至关重要。光谱仪,一种能够测量物质对特定波长光吸收或反射的仪器,已成为颜色测量领域不可或缺的工具。它通过分析光的光谱分布,为我们揭示了颜色背后的科学秘密。
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一、颜色测量的理论
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。
二、光谱仪进行颜色测量的原理
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。
图2 使用光谱仪进行颜色测量示意图
三、应用领域
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。
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色度测量:光谱仪可以测量光源或物体反射的光谱功率分布(SPD)。利用CIE色度系统,可以将SPD转换为色度坐标(如CIE 1931 xy色度图上的x和y值)。这些色度坐标可以用来计算色温、色偏差、饱和度等颜色参数。
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色彩再现指数(CRI)评估:CRI是衡量光源再现标准颜色样品颜色能力的指标。光谱仪测量光源照射下标准颜色样品的反射光谱。通过比较样品在测试光源和参考光源下的色度差异,计算CRI值。
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颜色均匀性和一致性测试:在生产过程中,需要确保产品颜色的一致性和均匀性。光谱仪可以测量不同位置或批次产品的光谱,以评估颜色的一致性。
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颜色配方开发:在涂料、油墨、塑料等行业,需要根据目标颜色开发颜色配方。光谱仪测量不同配方的光谱,帮助优化颜色配方,达到目标颜色。
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颜色科学研究:光谱仪用于研究颜色视觉感知、颜色理论、颜色心理效应等。它还可以用于研究新材料的颜色特性,如荧光材料、发光二极管等。
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光源特性分析:光谱仪测量光源的SPD,分析其光谱特性,如色温、显色性、光效等。对于LED光源,光谱仪可以评估其光谱功率分布与颜色性能。
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环境光颜色测量:在建筑照明、室内装饰等领域,光谱仪用于测量环境光的颜色特性。这有助于设计和评估照明效果,创造舒适的视觉环境。
四、应用案例
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。
4.1 研究背景
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
4.2 研究内容
(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。
4.3 研究结论
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。
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