棉花分级室模拟昼光照明质量的分析与研究

1 引言

棉花颜色级分级是按照标准确定棉花质量等级的一项重要工作，是基于外观，用视觉感官检验棉花样品的颜色、轧工等指标来完成的，是棉花检验员依据标准将棉花各相关颜色影响因素整合到棉花颜色级别描述的过程。棉花分级室中使用人工照明是模拟北纬地区适度多云情况下的理想日光条件，其照明质量是棉花颜色级分级感官评定的重要影响因素[1-3]，不仅要求均匀稳定，而且要求具有尽可能接近自然昼光的光谱范围、能量分布和显色性等指标条件。因此分级室中的照明质量既是棉花分级感官评定的重要因素，也是评判轧工质量的重要条件，并且是与棉花产供销经济利益密切相关的一项关键要素。

2 模拟昼光的色温和标准光谱

人眼所观察到的物体的颜色是光照射在该物体表面后反射光线所引起的视觉反应，是一种光谱反应。同一物体的反射光谱是确定的，当不同光源照射同一物体时，由于光源光谱存在差异会导致物体呈现不同的颜色，需要标准光源提供恒定的照明条件。模拟昼光是采用人造光源来代替自然光源。然而为了提高颜色观察的准确性，就必须使人造光源接近自然光的光谱。

国际照明委员会CIE（Commission Internationale de L'Eclairage）为统一颜色测量规定了一系列标准光源，其光照特性为近似CIE 标准照明体的人造光源。标准照明体是指具有与某一时刻的昼光相对光谱功率分布相同或近似的照明体。美国在棉花分级室模拟昼光研究中[3]，早期试验采用的是在CIE标准光源的6700K色温条件下进行的。但是，根据研究结果表明，在6700K色温条件下棉花颜色偏黄，试验的结论是采用7500K的光可以获得完全满意的结果，即模拟昼光D75光源，标准光源中等同于北纬地区北向适度多云的天空条件，其色温为7504K，波长为400nm～700nm，现今已成为世界各个国家棉花分级室模拟昼光的共同选择。D75标准光谱曲线见图1。

图1 D75标准光谱图

3 基于LED光源的棉花分级室D75模拟昼光照明系统研究

3.1 设计原理

结合光学结构以及电控设计，采用LED直下式照明方式，即LED阵列分布于光源箱体顶部，向下照射。光源箱整体为框架结构，内部为光学腔体，实现光的传导和混匀，光源箱底部安装有光学扩散板，实现光的进一步匀化处理。光源箱同时具有散热器、可调电源和安装固定附属结构。技术核心是实现D75标准光谱的拟合，利用特殊设计的LED产生基本光谱，再利用一定的光学结构和材料实现光能的输出，达到标准的基本要求。同时在结构和供电上进行匹配性设计，使得系统整体安全可靠、稳定便捷。见图2、图3。

图2 D75模拟昼光照明系统结构（1）

图3 D75模拟昼光照明系统结构（2）

D75模拟昼光照明系统的设计原理是采用了直下式光路结构（图4）。直下式照明结构自上而下分为三层：顶部的LED灯珠阵列发光单元、光混合腔体结构、光扩散结构。灯珠的阵列形式和规模依据灯箱总功率、LED灯珠功率、数量以及结构相关特性确定。光学结构主要是设计一定的光混合腔体和一定的光匀化措施，使光谱在空间上均匀一致。底层为光扩散板出光口，主要起到匀光作用。

图4 直下式模拟昼光照明系统的光学结构

3.2 光谱拟合

采用多颗LED芯片配合荧光粉拟合出近D75光谱（图5），获得标准发光体。结合光学结构和相应材料的透过、吸收选择获得目标光谱。光谱质量和分布匹配良好，接近标准光谱曲线，颜色质量标准的允差为±200K颜色相关色温，达到并超出了美国ASTMD1684标准的要求，保证了照明质量。

图5 模拟昼光光谱与D75标准光谱匹配特性

3.3 照度

美国在关于照度和色温的研究中[3]提出了从“very good”到“very poor”的5级对比分析（图6），这些数据同时配合了美国棉花分级员主观描述的照明条件。满足“very good”的条件要求最小色温接近7500K以及至少1000lx(100英尺烛光)的照度值。尽管随着照度增加伴随着色温的升高。1000lx（100英尺烛光）和7500K是“very good”照明条件的最小值。被称为“very poor”的条件是结合了低色温与低照度，或在任何色温包括非常高的照度（高于4000lx～5000lx）的数据。

图6 美国棉花分级室的照度与色温对比数据

试验中，我们选取了（750±100）l x、（1100±100）lx、（1600±100）lx三个区间的照度条件，由30名棉检员，使用棉花颜色级样品（盲样），同时配合主观描述，进行了对照试验。试验结果如表1所示。在7500K色温条件下不同照度区间，随机选取棉花检验员的棉花样品（盲样）检测结果如表2所示。根据对照试验的结果并结合棉花检验员的主观描述，可以看出，相比于相对昏暗（750±100）lx的照度条件，在照度适中（1100±100）lx的情况下，棉花检验员的正确率有明显的提高，并且在低正确率情况下的提高幅度较大。同时，在照度适中条件下，据棉花检验员的主观描述，棉花样品的反射率差异会更加明显，棉花检验员的目光感官对棉花反射率的区分会更加容易。

表1 在7500K色温条件下不同照度区间棉花检验员的主观描述

表2 不同棉花检验员对棉花样品（盲样）检测结果 %

3.4 色温和照度的稳定性

当光源的色品与某一温度下完全辐射体的色品相同时，该完全辐射体的绝对温度为此光源的色温。经过对模拟昼光照明系统的200小时连续工作的试验数据记录（图7），色温与照度指标稳定、可靠。

图7 200小时连续工作的色温与照度

3.5 显色指数

显色指数（Ra）是光源显色性的度量，是照明灯具的重要指标，以被测光源下物体的颜色和参照光源下物体的颜色的相符程度来表示，Ra95以上为超高显色指数，显色指数越高，光源的显色性越好，对物体的色彩还原能力越强。以1965年国际照明委员会（CIE）推荐的一般显色指数为依据，显色指数应不低于92。

高显指的光源光谱必然是连续光谱，显色指数的评价实质是对照明光源的光谱与标准光谱的匹配度进行评价的问题，两者匹配度越高则显色指数越高，如图5所示。试验中的模拟昼光照明系统与标准光谱的与CIE D75标准光谱（400nm～700nm）在50nm区间和20nm区间内的匹配度。在50nm波段区间的偏差均小于5%（绝对值），而且在20nm区间内绝大部分匹配度偏差也小于5%（绝对值），匹配度非常好，因此其显色指数与D75标准光谱的显色指数Ra100非常接近。

图8是试验采用的模拟昼光照明系统显色指数各评价区域光谱匹配性（图8左）与显色指数为92.4的参照系统（图8右）的对比图。显而易见，左图中的模拟昼光照明系统的显色指数除R9为97外，均不低于98，Ra达99.0。试验采用的模拟昼光照明系统各评价区域光谱匹配性非常均衡。

图8 显色指数各评价区域光谱匹配性对比

4 环境色

棉花分级室内的墙壁、天花板、地板、家具甚至棉花本身（如果把棉花摊开，覆盖较大区域进行分级）会对分级室内的照明条件有较大影响，对于反射光的量和涉及到的亮度对比都有影响。试验证明，棉花分级室应被粉刷为中性色，以便没有一种彩色相对于另一种彩色被增强或减弱。中性色覆盖范围包括白色、灰色至黑色。所有在分级室使用的灰色应为真正的中性色，也就是没有任何色调的痕迹，灰色明度依赖于照射到分级室和到达分级表面的光量。墙壁不深于孟赛尔中性色9.0。天花板采用白色或尽可能接近白色，不能深于孟赛尔中性色9.5。分级员站立的垫子应为黑色，分级台应为浅灰色，台面应为黑色。在棉花分级过程中，包裹样品的纸张应被折叠在棉样下方。在中性色背景中，棉花在蓝色纸张上会看起来偏白，在棕色纸张上会看起来偏灰。

5 结果讨论

与国际标准和美国标准一致，我国棉花分级室是采用人工照明模拟北纬地区适度多云情况下的理想日光条件。棉花分级室的照明质量是棉花颜色级分级感官评定的重要影响因素，不仅要求均匀稳定，而且要求具有尽可能接近自然昼光的光谱范围、能量分布和显色性等指标条件。我国的棉花分级室国家标准与ISO标准和美国等发达国家标准一致，均采用了1965年国际照明委员会（CIE）提出的模拟昼光D75光源，本文提出并研制的基于LED光源的棉花分级室D75模拟昼光照明系统，其色温约为7500K，波长为400nm～700nm，光谱能量符合标准要求。显色指数不低于97，Ra可达99，各评价区域光谱匹配性非常均衡。模拟昼光光谱质量和分布匹配接近标准光谱曲线，允差在±200K颜色相关色温以内。在灯具安装时，照度调节范围能够到达到（600～2500）lx，为棉花分级室模拟昼光照明质量的分析与研究提供了可靠的试验保证。通过对照试验确定了棉花分级室（1100±100）lx的最佳照度值。此外，棉花分级室模拟昼光光线应被广泛地漫射，并有足够的方向性，使棉花检验人员观察样品时有深度感。照明条件应在整个棉花分级室的工作区域内尽可能一致，应没有强光和交叉布光，光源和其周围环境的亮度对比应保持在最小限度。