| 發布日期：2024-09-21 |
顏色，是我們感知世界的重要方式。從時尚設計到工業生產，從環境監測到科研探索，準確捕捉和測量色彩的能力至關重要。光譜儀，一種能夠測量物質對特定波長光吸收或反射的儀器，已成為顏色測量領域不可或缺的工具。它通過分析光的光譜分布，為我們揭示了顏色背后的科學秘密。
物體的顏色取決于其對光的選擇性吸收，當光照射到物體表面時，物體會反射特定波長范圍的光，并吸收其余波長范圍的光，這些光將以顏色信息被我們接收。為使各個領域都有統一的顏色標準，國際照明委員會（CIE）于1931年提出的標準色彩系統CIE 1931[1]，它采用了XYZ色彩空間和標準觀察者來描述和測量顏色，并繪制了色度圖用于直觀表示顏色的分布和混合關系，如圖1（a）所示，對色彩管理、顯示技術和照明設計等領域產生了深遠影響。
圖1 （a）CIE 1931色彩空間；（b）CIE 1976 L*a*b*顏色空間。
為提供一個更均勻、更準確的色彩空間，CIE于1976年正式推薦了兩個改進的均勻顏色空間，即CIE 1976 L*u*v*顏色空間和CIE 1976 L*a*b*顏色空間[2]，該系統通過數學方法從CIE XYZ系統轉換而來，旨在提供一個更均勻、更準確的色彩空間，以更好地代表人類在各種照明條件下對顏色的感知。CIE L*a*b*空間由L*（心理明度）、a*（紅綠軸心理色度）、b*（黃藍軸心理色度）三個坐標構成，形成了三維色品圖，如圖1（b）所示。該空間及其色差公式（如ΔEab）已被廣泛應用于印刷、紡織、化妝品等行業，用于色彩管理和測量，以提高顏色匹配和色彩復制的準確性。
物體表面的顏色本質上由其可見光光譜反射率決定，這一特性具有唯一性，可避免同色異譜現象，確保顏色的準確再現。通過反射率測量系統獲得的反射率圖譜，即可準確捕捉物體的顏色信息。光譜儀可通過高精度的分光技術，將入射光束分解為一系列單一波長的光，并量化每種波長的光強度，然后與標準光源下的顏色標準進行對比分析，利用這些測量數據，光譜儀能夠計算出顏色的三刺激值，例如RGB或CIE XYZ色度空間的坐標。這些數值隨后被轉換成與人類視覺感知相對應的顏色空間坐標，如CIE 1931 XYZ或CIE LAB，從而實現對顏色參數的精確量化。這些參數包括但不限于色度坐標、色溫（CCT）、飽和度以及色差（ΔE），為顏色的科學分析和質量控制提供了堅實的數據基礎。
一般來說，固體和粘稠液體的顏色測量可以通過不同的實驗布局來實現，如通過反射探頭或積分球。對于不同的應用，如測量紡織品、紙張、水果、酒類和鳥類羽毛等顏色則需要使用不同的探頭來實現。
圖2 使用光譜儀進行顏色測量示意圖
光譜儀可以通過測量光的光譜分布來分析和評估顏色特性，在照明行業、紡織和服裝行業、化妝品行業、食品和農業、藝術和文化遺產保護等領域都有著廣泛的應用。光譜儀在顏色測量中的關鍵優勢在于其高精度和高重復性，能夠提供詳細的光譜信息，為顏色分析和控制提供了可靠的數據支持。
（1）色度測量：光譜儀可以測量光源或物體反射的光譜功率分布（SPD）。利用CIE色度系統，可以將SPD轉換為色度坐標（如CIE 1931 xy色度圖上的x和y值）。這些色度坐標可以用來計算色溫、色偏差、飽和度等顏色參數。
（2）色彩再現指數（CRI）評估：CRI是衡量光源再現標準顏色樣品顏色能力的指標。光譜儀測量光源照射下標準顏色樣品的反射光譜。通過比較樣品在測試光源和參考光源下的色度差異，計算CRI值。
（3）顏色均勻性和一致性測試：在生產過程中，需要確保產品顏色的一致性和均勻性。光譜儀可以測量不同位置或批次產品的光譜，以評估顏色的一致性。
（4）顏色配方開發：在涂料、油墨、塑料等行業，需要根據目標顏色開發顏色配方。光譜儀測量不同配方的光譜，幫助優化顏色配方，達到目標顏色。
（5）顏色科學研究：光譜儀用于研究顏色視覺感知、顏色理論、顏色心理效應等。它還可以用于研究新材料的顏色特性，如熒光材料、發光二極管等。
（6）光源特性分析：光譜儀測量光源的SPD，分析其光譜特性，如色溫、顯色性、光效等。對于LED光源，光譜儀可以評估其光譜功率分布與顏色性能。
（7）環境光顏色測量：在建筑照明、室內裝飾等領域，光譜儀用于測量環境光的顏色特性。這有助于設計和評估照明效果，創造舒適的視覺環境。
在顏色測量領域，光譜儀被廣泛的用于評估和分析光源的顏色性能。近期，Ying Lv等人[3]使用由如海光電提供的XS11639光譜儀進行了新型高效、寬帶青色發光的熒光粉的研究，在365 nm光激發下，實現從390~675 nm的寬泛青色發射帶，有效覆蓋了可見光譜中的藍-青-綠區域，配合商用橙紅色熒光粉可產生明亮的全可見光譜白光，具有相當的光效(61.02 lm·W-1)和高顯色指數(Ra = 89)，在高質量白色照明光源中展現出巨大的應用潛力。
為解決白光發光二極管（pc-wLEDs）在實現全可見光譜照明時遇到的“青色間隙”問題，即在480-520 nm波長范圍內的光譜覆蓋不足，開發了一種新型寬帶青色發光熒光粉SiO2:Al3+,Eu2+，以提高pc-wLEDs的色域完整性和色彩再現能力，達到更接近自然光的照明效果。由如海光電提供的光譜儀可以精確測量和分析新型寬帶青色發光熒光粉SiO2:Al3+,Eu2+的光譜特性，詳細記錄熒光粉在不同激發條件下的光發射譜，從而評估其發光性能，包括光譜分布、色度坐標、色彩再現指數（CRI）以及熱穩定性等關鍵參數。這些測量結果對于開發具有全可見光譜特性的白光LED照明至關重要，確保了照明設備能夠提供高質量的自然光效果，滿足照明應用中對色彩準確性和視覺舒適度的高要求。
圖3 α-石英中Eu2+的占位和Al3+取代部分Si4+結構示意圖
（1）熒光粉的光致發光激發(PLE)和光致發光(PL)光譜特性
使用光譜儀測試了SiO2:0.06Al3+,0.005Eu2+熒光粉的光致發光激發(PLE)光譜和光致發光(PL)光譜，結果如圖2所示。從圖4(a)可以看出，PLE光譜顯示，該熒光粉在250~420 nm范圍內有強吸收，表明該熒光粉可被紫外光有效激發。在365 nm激發下，SiO2:0.06Al3+,0.005Eu2+粉末發出明亮的青色光，其PL光譜顯示在459 nm處有一個寬發射峰，發射帶覆蓋了390~675 nm，半高寬(FWHM)為114 nm，遠寬于商用藍色熒光粉BaMgAl10O17:Eu2+(BAM:Eu2+)。PL光譜可以分解為兩個高斯子帶，表明存在兩種不同的發光中心。圖4(b)為不同Al3+濃度(x = 0-0.06)的SiO2:xAl3+,0.005Eu2+熒光粉的PL光譜，從圖中可以看出，隨著Al3+濃度的增加，PL強度逐漸增強，FWHM略微變寬，這表明Al3+共摻雜可以有效調節Eu2+在SiO2中的光致發光。圖4(c)為不同Eu2+濃度(y = 0.001-0.007)時熒光粉的PL光譜顯示，隨著Eu2+濃度的增加，FWHM逐漸變寬，表明Eu2+捕獲激子發射增強。在y = 0.005時達到最大值，之后由于濃度猝滅效應，PL強度開始減弱。
圖4 （a）SiO2:0.06Al3+，0.005Eu2+的歸一化PLE (λem = 459 nm)和PL (λex = 365 nm)光譜；（b）365 nm光激發時不同Al3+濃度(x = 0-0.06)的SiO2:xAl3+,0.005Eu2+熒光粉PL光譜；（c）365 nm光激發時不同Eu2+濃度(y = 0.001-0.007)時熒光粉的PL光譜。
（2）熱穩定性和色度穩定性測試
隨著LED芯片長時間工作，其工作溫度會升高，因此熒光粉的熱穩定性和色度穩定性對于保證LED的長期性能至關重要。測試了在365 nm激發下，SiO2:0.005Eu2+和SiO2:0.06Al3+,0.005Eu2+在298~548 K范圍內溫度依賴的PL光譜，測試結果如圖5(a)所示，可以看出Al3+的引入不僅拓寬了熒光粉的青色發射帶，還提高了熱穩定性。圖5(b)為引入和未引入Al3+的熒光粉從298~548 K的CIE 1931色度坐標，從圖中可以看出，引入Al3+的熒光粉表現出較小的色度漂移，表明其色度穩定性更好。
圖5 （a）熒光粉溫度依賴性PL光譜(λex = 365 nm)； （b）CIE色度坐標。
（3）在pc-wLED上的應用
SiO2:Al3+,Eu2+熒光粉具有寬帶青色發射、高量子效率和良好的熱穩定性等優勢，在制造高質量全可見光譜白光LED照明領域展現出巨大的潛力。通過將青色熒光粉SiO2:0.06Al3+,0.005Eu2+和橙紅色熒光粉(Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+涂覆在紫外線LED芯片(λem = 365 nm)上，可制造一個簡單的雙色pc-wLED設備(設備1)。圖6(a)上圖展示了設備1在20 mA電流驅動下的EL光譜，從圖中可以看出設備1成功實現了完全覆蓋整個可見光譜的連續光譜，圖6(a)下圖展示了使用商用藍色熒光粉BAM:Eu2+制造的pc-wLED(設備2)，可以看出其光譜存在明顯的青色-綠色間隙問題。圖6(b)為設備1在20~200 mA驅動電流下的EL光譜，從圖中可以看出，EL強度呈現先增加后降低的趨勢，在150 mA時達到最大強度。隨著驅動電流的增加，色度坐標、CRI值和相關色溫(CCT)的變化如圖6(c-d)所示。可以看出，CRI和CCT值也沒有顯著變化，只發生了輕微的坐標漂移，這表明該pc-wLED在不同驅動電流下具有出色的色穩定性。
圖6 （a）SiO2:Al3+、Eu2+ + (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+(上)和BAM:Eu2+ + (Ca,Sr)AlSiN3:Eu2+(下)制備的wLED的EL光譜；（b）器件1的pc-wLED驅動電流(20-200 mA)依賴性發射光譜；（c）CIE色度坐標；（d）CTT和Ra值。
文獻成功開發了一種新型寬帶青色發光熒光粉SiO2:Al3+,Eu2+，利用由如海光電提供的光譜儀可精確測量其光譜特性，揭示其在填補傳統白光LED“青色間隙”、實現全光譜照明方面的巨大潛力。光譜儀在測量熒光粉的光致發光激發和發射光譜、分析溫度依賴性、評估色度穩定性和量子效率方面發揮了關鍵作用，為優化熒光粉性能和評估其在pc-wLEDs中的實際操作穩定性提供了重要數據支持，從而證實了SiO2:Al3+,Eu2+熒光粉在提升照明質量方面的優勢和應用前景。
XS11639光纖光譜儀
1. 產品簡介
XS11639是一款基礎款光纖光譜儀，設備體積小巧，結構緊湊；設備紫外段響應好，具備良好的溫度穩定性和可靠性滿足高靈敏度采樣需求。配置24PIN控制交互接口，滿足顏色測量、輻射測量、吸收測量、熒光光譜、拉曼光譜等多種測量場景。
2. 產品特點
? 190-1100 nm光譜范圍可配置；
? 可適配如海具有固定銷的多芯密排光纖，光纖插拔強度一致性≦7%；
? 紫外光譜響應強；
? CCD量化背景噪聲≦30 RMS（最小積分時間）；
? 配置USB、串口多種通訊接口，配置24PIN交互接口，配置專有DAC和ADC，可實現配套光源的使能、強度控制和功率反饋。
[1]Isnaeni, Sugiarto I T .Quantitative Analysis of Color Combination from LED and Laser Light Sources Using Modified CIE 1931 Color Space Coordinates[J].Journal of Mathematical & Fundamental Sciences, 2017, 49(1):57-65.DOI:10.5614/j.math.fund.sci.2017.49.1.6.
[2]M,R,Pointer.A comparison of the CIE 1976 colour spaces[J].Color Research & Application, 2009, 6(2):108-118. DOI:10.1002/col.5080060212.
[3]Ying Lv. Engineering interstitial Eu2+ in ɑ-quartz creates broadband cyan emission toward full-visible-spectrum white LED lighting[J]. Materials Today Chemistry, 2024, 40(2024):102203-102210. DOI:10.1016/j.mtchem.2024.102203.
