基于FieldSpce3地物波谱仪的几种照明光谱的对比分析

卢云龙 刘志刚

(第二炮兵工程大学，陕西西安 710025)

1 引言

许多人一生的三分之一到三分之二时间是在人造光中度过的。在选购灯具时，人们往往片面地追求节能或省钱，却很少意识到那些光谱窄、频闪大的照明光源正在直接地损伤人的视力，甚至间接地影响人的呼吸系统［1］。在现有的关于照明与近视关系的研究中，主要关注以下三个问题［2］:(1)照度问题;(2)节能、使用寿命问题;(3)消除频闪问题。而对于人工照明的本质——光谱的成分却较少被关注，即使有过研究，也只是针对荧光灯和白炽灯。近年来，节能灯、LED灯等新型光源被广泛用于日常照明，且大有全面取代传统人造光源之势。为此，本文采用高分辨率的地物波谱仪对自然光、白炽灯、荧光灯、节能灯、LED灯的光谱进行了精确测量和比较，并从人体健康的角度进行了对比分析，给出了一些有益的结论。

2 实验条件与实验方案

2.1 实验条件

实验所用测量仪器:波谱仪、白板。其中，波谱仪为FieldSpce3便携式地物波谱仪，如图1所示。

图1 FieldSpce3便携式地物波谱仪

FieldSpce3便携式地物波谱仪是美国ADS公司的最新产品。它使用512阵元阵列、PDA探测器和两个独立的InGaAs探测器，探测器可探测的波长范围是:350～2500nm。该波谱仪每秒最快可得到10个光谱曲线，并可实时显示光谱线，光谱分辨率为3nm@700nm、8.5nm@1400nm、6.5nm@2100nm。

白板为工作标准白板，其反射率高达98%以上。

受试灯具包括:白炽灯、节能灯、荧光灯和LED灯。具体包括:(1)60W的白炽灯一支;(2)目前市面上比较流行的三基色40W的节能灯一支，由中山市欧点照明有限公司制造;(3)用于实验室照明的荧光灯若干;(4)LED光源的手电筒一支。

2.2 实验方案

本实验通过测量人工光源相对于标准白板的反射光谱来完成对人造光源光谱特性的评估。由于该白板的反射率高达98%以上，可以认为经地物波谱仪测量出的反射光谱分布曲线，即为光源的光谱分布曲线，故后文将人工光源相对于白板的反射光谱直接称为光源光谱。

对人工光源的试验安排在晚上进行，地点为室内。测量时，通过室内完全光线遮挡来排除自然光对试验结果的影响，每次试验单独测定某一种人工光源相对于白板的反射光谱。自然光的光谱测量安排在一个晴朗的中午进行，地点为室外。

3 实验结果

图2至图6分别为:自然光、白炽灯、节能灯、荧光灯和LED灯的光谱曲线。其中，横轴为波谱，范围为350～2500nm，纵轴为人工光源相对于白板反射的亮度值 (DN值)，DN值越大反射亮度就越高，图7为各光源光谱在可见光范围内的归一化图。

本文的目的是从光谱分布入手来考虑人工光源的优劣，DN值的大小对本次试验来说没有太大的实际意义。况且由于实验选用的人工光源的功率不同，测量白板的反射光谱时，人工光源和探头距离白板的位置不同，使得DN值的大小不同是可以很容易理解的。

图2 自然光

图3 白炽灯

图4 节能灯

图5 荧光灯

图6 LED灯

图7 各光源光谱在350nm～780nm范围内的归一化

4 实验结果分析

根据电磁波谱理论，可见光的波谱分布大约在380～780nm波段范围内［3］。上述实验表明，节能灯、荧光灯、LED灯的波谱分布都集中在可见光这个波段范围内，它们相对于自然光和白炽灯的光谱是属于不完全光谱。白炽灯则在可见光波段和非可见光波段都有分布 (近红外)，而且在非可见光波段分布的比重更大。这说明白炽灯发光效率很低，而节能灯、荧光灯、LED灯的发光效率非常高。这正是在当前提倡节能低碳背景下，人们广泛呼吁用其他光源替代白炽灯的主要原因之一。

仔细比较各谱线在可见光谱段的波形可以发现，节能灯、荧光灯、LED灯是属于高色温的光源，而白炽灯属于低色温的光源。根据色度学知识，白色的物体在高色温光源下偏蓝色，在低色温的光源下偏红色。所以我们经常感觉到，节能灯、荧光灯、LED灯的光线发白，且白中偏蓝，有时让人很不舒服，尤其是长时间用于阅读照明。而白炽灯光线白中偏红，与经过大气衰减后的自然光很接近，让人感到心情宁静、舒适。

对几种光源的光谱曲线对比观察还可发现，白炽灯的光谱曲线与自然光的光谱曲线较为接近，但仍存在差别。例如:在1350～1400nm和1825～1900nm的波段范围内，自然光相对于白板的反射光几乎没有，而白炽灯的反射光谱却很高。这一结果与大气窗口分布一致:由电磁波的大气传输理论可知［4］，这两个谱段是水蒸气的主要的吸收带，即太阳光通过大气层时，这两个谱段的能量被水分子大量吸收了。而大气吸收的问题显然不会发生在白炽灯上。

此外，由实验还可得出两个结论:(1)节能灯与荧光灯的光谱曲线几乎相同，而与LED灯相比则有明显差异，这充分说明实验用的节能灯与荧光灯的发光原理、发光材料 (荧光粉等)是相同的;(2)仔细分析图7，可以发现几种人造光均无紫外成分，而自然光明显含有少量的紫外成分，这少量的紫外成份对人体的健康有着重要影响［1，5］，这也是许多健康专家建议人们不要总在室内活动的原因之一。

5 关于光源选用的讨论

物体的颜色是由光和物体本身特性共同作用的结果。任何物体对光都有反射和吸收的本能，由于物体本身特性的不同，对光的吸收反射特性各异，物体才呈现色彩差别。如树叶反射绿光，对其他波段的光吸收较多，所以呈现为绿色。物体只有在白光条件下才能显示其本色，白光是各种颜色的光综合作用的结果。通常把自然光作为最理想的白光。人眼能够感知到的光谱范围为380～760nm，以自然光为参照标准，节能灯、荧光灯、LED灯光谱在可见光范围内分布的波动性较大。例如:节能灯、荧光灯光谱在450nm、550nm、600nm波长附近有非常大的峰值，LED灯光谱在450nm、500nm、550nm波长附近有非常大的峰值。虽然这些光源都是白光，但它们的光谱成分与自然光光谱成分相差较大。白炽灯的光谱在可见光波段范围内的分布与自然光较为类似，分布较为平缓。从光谱曲线的能量的分布来看，在可见光范围内，节能灯、荧光灯、LED灯的能量分布主要向中短波方向集中，而白炽灯和自然光的能量分布主要向中长波方向集中，从这个方面我们也可以知道节能灯、荧光灯、LED灯是一种高色温的光源，白炽灯属于低色温的光源。一个白色的物体，在低色温的光线照射下会偏红，而在高色温的光线照射下会偏蓝，基于这个原因，现在数码相机中有一种自动白平衡处理功能［6］。这一结论可以为数码相机的自动白平衡处理提供先验知识。而且长时间在偏色的光源下工作学习，对人的眼睛有很大影响［7］。

从实验结果来看，自然光和白炽灯的光谱是一种连续光谱，节能灯、荧光灯、LED灯的光谱只集中在可见光波段范围内，在红外波段范围内没有分布。在阳光下，生命已经进化了几亿年，早已习惯了自然光这种连续光谱，但对不完全光谱却未必习惯。科学家们发现，光对人和动物的健康有着很重要的作用［5］，如: “不完全光谱”的灯泡可能会促使儿童过分好动;荧光灯下的老鼠变得好斗;荧光灯下的鸟儿拒绝交配，蛇和龟竟绝食而死，鱼儿不育等。而换上全色光谱灯 (仿太阳光的灯)时，动物便恢复了正常的行为。

我们社会正在大力提倡节能减排，倡导低碳绿色的生活，这对于整个社会的可持续发展无疑是正确的。而像节能灯、荧光灯、LED灯这种窄频谱的人工光源，也的确能起到节约能源的作用。如果我们仅仅从节能和省钱这个层面考虑，无疑是正确的。但是，从窄频带光源对人的健康的影响来考虑，这种节能的人造光源就未必“绿色”、“环保”和“省钱”。据统计，“照明”耗能只占“基本能源消耗”的2%［2］，人类完全没有必要以损害自身健康为代价来节约照明用电。而且，如果一旦出现由于光照问题而引起身体疾病，这种花费将远远超出节省的电费。

6 结论

通过实验与分析，作者认为:在一些人员比较集中，需要长时间使用人工照明的场合，选用白炽灯比较合适。虽然白炽灯较荧光灯、节能灯、LED灯的使用寿命短、能耗高，但白炽灯较其他几种灯更适合人类工作学习，这主要源于白炽灯和自然光有良好的相仿性。而在一些对环境要求不太高的场合，可以使用节能灯、荧光灯、LED灯，如室外照明等。但是白炽灯也未能对自然光进行完全模拟，白炽灯在近红外的能量分布占白炽灯整个光谱能量的很大部分，而且白炽灯光谱还存在缺少紫外成分、偏色等问题。完全模拟自然光的人造光源才是我们理想的光源。

［1］杨世光.室内环境与健康［J］.照明工程学报，2004，15(3):24～29.

［2］王智勇，袁秀梅等.不同色度纸张对荧光灯和白炽灯反射的光谱对比 ［J］.中国学校卫生，2006，27(8):660～663.

［3］童喜庆，张兵，郑兰芬.高光谱遥感——原理、技术与应用［M］.北京:高等教育出版社，2011:6.

［4］童喜庆，张兵，郑兰芬.高光谱遥感——原理、技术与应用 ［M］.北京:高等教育出版社，2011:15～16.

［5］刘伟.有益于健康的仿日光全光谱灯泡 ［J］.国外科技动态，1991，4:54～54.

［6］周荣政，何捷，洪志良.自适应的数码相机自动白平衡算法［J］.计算机辅助设计与图形学学报，2005，17(3):529～533.

［7］王智勇.照明与近视关联的研究进展［J］.中国学校卫生，2008，29(1):89～91.