Летняя серия спектральных измерений на проекте «Старый Свет»



Внимательный читатель, наверно, хорошо помнит осеннюю серию спектральных измерений 2018 года, которую нам удалось провести с замечательным прибором – спектроколориметром Konica Minolta CL-70F. Основной акцент тогда был сделан на получение свыше 300 спектров различных ламп, которые можно обнаружить в нашей Базе спектральных измерений. В течение лета следующего (2019) года у нас ещё несколько раз была возможность воспользоваться спектроколориметром, благодаря чему было сделано ещё несколько десятков довольно любопытных измерений, не подходящих под стандартный формат нашей базы. Тем не менее, мы решили собрать наиболее интересные из этих результатов в эту отдельную статью.

 

Смешение спектров люминесцентных ламп

Первое, о чём хотелось бы рассказать – это о результатах сложения (смешения) спектров люминесцентных ламп, которое иногда используют якобы для получения нестандартных цветовых температур и повышения цветопередачи. Для примера посмотрим спектры ламп с галофосфатным люминофором типа ЛБ18-1:

и ЛДЦ18:

а также их суммы:

Результаты сравнения приведены в таблице:

Лампа Тц Ra
ЛБ 18-1 3437К 53,5
ЛДЦ 18 5423К 86,6
ЛБ+ЛДЦ 4310К 72,9

Аналогичные результаты были также получены для ламп ЛБ20-1 и ЛД20:

Лампа Тц Ra
ЛБ 20-1 3414К 54,1
ЛД 20 5783К 73,8
ЛБ+ЛД 4204К 62,9

Несколько иная картина наблюдается для так называемых «трёхполосных» ламп, содержащих трёхкомпонентные люминофоры. Для примера возьмём TLD18W/827:

и TLD18W/840:

Результат суммирования:

или в табличном виде:

Лампа Тц Ra
827 2579К 84,3
840 3721К 85,0
827+840 3034К 85,5

Аналогичный результат получаем для ламп 840 и 865:

Лампа Тц Ra
840 3721К 85,0
865 5721К 81,4
840+865 4530К 84,2

Ещё более интересный результат получается, когда мы смешиваем световые потоки отдельных красной, зелёной и синей лампы (которые в сумме образуют как бы разделённую в пространстве трёхполосную лампу). Соотношением их потоков, падающих на спектроколориметр, можно в широких пределах менять цветовую температуру, однако индекс цветопередачи при этом неизменно остаётся выше 80.

Выводы:

  1. Суммарные спектральные характеристики (цветовая температура Тц и индекс цветопередачи Ra) двух ламп одного типоразмера, но разной цветности получаются весьма близкими к среднему арифметическому характеристик «складываемых» ламп. Некоторые несовпадения результатов с точным средним арифметическим можно объяснить неравенством световых потоков двух ламп и погрешностью измерения.
  2. Суммарный спектр стандартных ламп «белой» и «дневной» цветности примерно соответствует спектру стандартных же ламп «холодно-белой» («нейтрально-белой») цветности, так что использовать данное сочетание особого смысла нет.
  3. Лампы с трёхполосными люминофорами практически в любом сочетании позволяют получить Ra>80. Кроме того, смешением в разных пропорциях потоков красной, синей и зелёной цветных ламп можно получить спектры с практически любыми нестандартными цветовыми температурами также при сохранении Ra>80.

 

Изменение спектра ламп при диммировании

Хорошо известно, что лампы накаливания вследствие теплового принципа своей работы сильно меняют свою цветовую температуру при диммировании. Фактически, при снижении мощности цветовая температура падает вместе с физической температурой тела накала (спирали) (лампа заметно «краснеет»), что хорошо видно на полученных нами графиках:

Однако среди неспециалистов часто бытует мнение, что в отличие от ламп накаливания, люминесцентные лампы не меняют своей цветности при диммировании (так как там «нечему остывать»). С помощью спектроколориметра нетрудно убедиться, что это не так: в люминесцентных лампах при снижении мощности также происходят достаточно сложные процессы, меняющие как физику самого газового разряда, так и механизм возбуждения люминофора. Результаты измерений, проделанных для двух ламп типа ЛБ36, работающих на регулируемом ЭПРА типа ETC236R/04, мы собрали на одном спектральном графике:

Хорошо заметно, как при уменьшении мощности ламп растёт сине-зелёная часть спектра, в то время как жёлто-красная остаётся практически без изменений:

В процентах на рисунке показаны относительные уровни светового потока, при которых получен каждый из спектров. Кстати, это явление хорошо заметно на глаз: при диммировании лампы «холоднеют» и превращаются из ЛБ в ЛХБ Wink Индекс цветопередачи при снижении светового потока от 100% до 5% также растёт примерно на 2 пункта, впрочем вряд ли это изменение можно считать существенным.

Полностью аналогичные результаты были получены нами также для ламп ЛТБЦЦ40-2:


и TLD36W/830:

В последнем случае, кроме увеличения интенсивности пиков в сине-фиолетовой и зелёной части спектра, наблюдалось также снижение доли излучения в глубоком красном диапазоне (740-780нм).

Выводы:

  1. Спектр люминесцентных ламп при диммировании меняется.
  2. Изменения происходят за счёт увеличения интенсивности линий ртутного разряда с длинами волн 405, 436, 546нм и визуально воспринимаются как повышение цветовой температуры лампы (прибор значительного повышения Тц не фиксирует).
  3. У галофосфатных ламп при диммировании происходит незначительное повышение индекса цветопередачи, у трёхполосных ламп индекс цветопередачи не меняется.

 

Спектры различных источников

В заключение нашего обзора летней серии спектральных измерений 2019 года познакомим читателя с традиционной подборкой довольно любопытных спектров различных, иногда немного неожиданных источников света.

1. Экран ЭЛТ телевизора Samsung (полностью белое свечение R=G=B=255, Тц=8926К, Ra=68,3):

2. Экран LCD телевизора Benq с люминесцентной подсветкой (полностью белое свечение R=G=B=255, Тц=7025К, Ra=91,9):

3. Экран чёрно-белого ЭЛТ телевизора (полностью белое свечение R=G=B=255):

4. Высоковольтный разряд в воздухе при атмосферном давлении:

5. Солнце в июльский полдень (27.07.2019 в 13:00, Тц=5200К, Ra=99,5):

6. Июльские сумерки (21.07.2019 в 21:00, ясное небо, Тц=16457К, Ra=94,5):

7. Знаменитый RGB светодиод WS2812B, первый вариант:

и второй вариант, отличающийся уменьшенной интенсивностью красного кристалла (кстати, белый цвет в таком варианте воспринимается намного лучше):

8. Фосфоресцирующая краска наподобие той, что применялась в советских ёлочных игрушках, цвет свечения светло-зелёный:

И ещё аналогичные краски – оранжевая:

розовая:

и голубая:

9. Люминесценция белой офисной бумаги в свете ультрафиолетовой лампы «чёрного света» Blacklight blue:

Как можно видеть, спектры окружающих нас источников света крайне сложны и многообразны, и всегда бывает довольно интересно ознакомиться с ними поближе. В наших дальнейших планах – ещё несколько серий спектральных измерений (одна из которых будет целиком посвящена естественному дневному свету), результаты которых могут найти применение в различных учебных, научно-популярных и научных исследованиях.
Автор: Dominique, опубликовано: 04.05.20
(2)

Комментарии

Класс, спасибо, Александр! Good Довольно интересные результаты измерений, например спектр экрана цветного кинескопа - самому давно было интересно, насколько высокую ЦП он может выдать. И, ожидаемо, Солнце вне конкуренции. Было бы еще интересно глянуть на спектр тлеющего разряда в воздухе, спектры инертных газов помимо неона, ДКсШ, ДКсТ, ИФК (хотя прибор наверное не успеет за одну вспышку все просчитать, однако с ИФК можно снять спектр тлеющего разряда в ней), ДРТ, люминофора VFD разных цветов и... свечения горения бытового газа в смеси с воздухом (когда пламя не имеет желтого компонента, а только голубоватое. Вроде спектров перечисленного мною еще нету. И интересно вот почему у ЛЛ 865 получилась такая низкая ЦТ при измерении прибором? 

Спасибо, Назар! Thank you

У прибора есть режим измерения импульсных вспышек, правда возможно для этого понадобится специальная насадка, которая не входит в комплект. Ультрафиолетом я, честно говоря, побоялся жарить его, так как косинусная насадка из белой пластмассы, может попортиться. И то же самое с газом – если я её хоть немного поплавлю, меня просто убьют Skull

Что касается ЛЛ, самому очень любопытно. С этой "дневной" цветностью вообще много непоняток. Те же советские ЛДЦ: сначала они были на 6500К (как и ЛД), потом стали на 6000К, и в итоге на 5400К. Хотя в справочниках упорно продолжали писать, что они на 6500.

Буржуйские галофосфатные лампы с 6500К тоже почему-то получили индекс /54, хотя большинство остальных имели индекс, совпадающий с первыми цифрами ЦТ. Такое ощущение, что в области "дневного" света была вечная борьба между 5400 и 6500)

Dominique писал(а):

Спасибо, Назар! Thank you

У прибора есть режим измерения импульсных вспышек, правда возможно для этого понадобится специальная насадка, которая не входит в комплект. Ультрафиолетом я, честно говоря, побоялся жарить его, так как косинусная насадка из белой пластмассы, может попортиться. И то же самое с газом – если я её хоть немного поплавлю, меня просто убьют Skull

Я имел ввиду исследовать свечение разреженного воздуха в какой-то ёмкости. А про жесткий УФ тут да, небезопасно получается. А с горением газа там ведь можно на некотором расстоянии измерять, я так понимаю прибор все равно даже тусклое свечение "поймает", или нужно подносить излучаемый источник к датчику совсем близко, если он тусклый?

Цитата:

Что касается ЛЛ, самому очень любопытно. С этой "дневной" цветностью вообще много непоняток. Те же советские ЛДЦ: сначала они были на 6500К (как и ЛД), потом стали на 6000К, и в итоге на 5400К. Хотя в справочниках упорно продолжали писать, что они на 6500.

А я то думаю, почему ЛДЦ воспринимаются заметно так теплее, чем ЛД. Видимо те, что видел гораздо более теплыми в отличии от ЛД и были с ЦТ в 5400К. 

Цитата:

Буржуйские галофосфатные лампы с 6500К тоже почему-то получили индекс /54, хотя большинство остальных имели индекс, совпадающий с первыми цифрами ЦТ. Такое ощущение, что в области "дневного" света была вечная борьба между 5400 и 6500)

Понятно. 

Назар писал(а):

Я имел ввиду исследовать свечение разреженного воздуха в какой-то ёмкости. А про жесткий УФ тут да, небезопасно получается.

Ну у меня нет таких возможностей, как у тебя – делать собственные ГРЛ) А про УФ я имел в виду лампу ДРТ и подобные. Да и самому не хочется попадать под такое облучение.

Назар писал(а):

А с горением газа там ведь можно на некотором расстоянии измерять, я так понимаю прибор все равно даже тусклое свечение "поймает", или нужно подносить излучаемый источник к датчику совсем близко, если он тусклый?

Да, чутьё у прибора очень низкое, нужно минимум ~5 люкс по всей поверхности датчика, кажется. Думаю, что с безопасного расстояния газ столько не даст. Я вот замерял фосфоресцирующие краски, для этого пришлось сделать большую намазанную площадь и долго держать её под УФ лампой... Но всё равно не все краски удалось снять, например фиолетовую – никак.

Кстати, по мере удаления датчика от источника света сильно нарастают искажения, вызванные посторонними засветками и переотражениями. Например, если свеча стоит на зелёной скатерти, то на расстоянии в спектре появится заметный перекос в зелёную сторону.

Назар писал(а):

А я то думаю, почему ЛДЦ воспринимаются заметно так теплее, чем ЛД. Видимо те, что видел гораздо более теплыми в отличии от ЛД и были с ЦТ в 5400К. 

Я так понял, что все ЛДЦ, выпущенные со второй половины 70-х – уже на 5400К.

Понятно.УФ от ДРТ можно осечь листом обычного стекла - интересно какой у нее видимый спектр, хотя ты уже измерял ДРС 50 и разница по сравнению с ней будет, наверное, невелика. ДРШ было бы еще интеренсно глянуть, у нее вроде УФ поглощается хорошо холодными парами ртути вокрг дуги - я про такое читал где-то, насколько правда только не знаю. 

Хотел тебя попросить поэкспериментировать с общим спектром от красного, зеленого и синего светодиодов - можно ли подбирая яркость каждого из них достичь неплохой ЦТ? Хотя-бы в 70, например. Правда видел выше, что оценивался спектр одного трехцветного светодиода как раз, но я не знаю как именно он включался. 

А вот лазерное излучение доложно показать спектр в виде узкой линии, я так понимаю. 

С ЛДЦ все же не совсем понятно мне пока - я их оттенок все равно вижу холодноватым в отличии от прямых лучей Солнца, которые по твоим измерениям дали 5200К, что не сильно по сравнению с 5400К ниже. Либо у Солнца ЦТ еще пониже немного, либо у ЛДЦ чуть повыше все же. Впрочем прям один на один я сравнения излучениий ЛДЦ и Солнца не проводил. Для этого хорошо бы им осетить белую поверхность, но она не должна иметь оптических отбеливателей, чтобы сама от излучения не светилась. 

Назар писал(а):

Хотел тебя попросить поэкспериментировать с общим спектром от красного, зеленого и синего светодиодов - можно ли подбирая яркость каждого из них достичь неплохой ЦТ? Хотя-бы в 70, например. Правда видел выше, что оценивался спектр одного трехцветного светодиода как раз, но я не знаю как именно он включался.

Так ЦП или ЦТ? Если речь про Ra, могу сразу сказать – ничего не выйдет. Я обмерял как трёхцветный светодиод (все 3 кристалла в номинальном режиме), так и трёхкристальные RGB лампы трёх вариантов. Везде из-за узкополосности спектра ЦП получается никакущая. Так что такой свет только для баловства.

Интересно было бы попробовать примешивать монохроматические излучения к белому свету, и для этого я купил в своё время RGBW лампу. Но оказалось, что у неё штатно нет таких режимов (работают только либо белые, либо цветные кристаллы, а вместе нельзя). Только если ковырять и делать свой контроллер.

Назар писал(а):

А вот лазерное излучение доложно показать спектр в виде узкой линии, я так понимаю.

Это не догадался попробовать, но думаю что да. Впрочем, прибор автоматически расширяет линии до своего минимального диапазона измерения (что-то вроде 10нм). Так что это будет выглядеть примерно так же, как и спектр обычного красного светодиода.

Назар писал(а):

С ЛДЦ все же не совсем понятно мне пока - я их оттенок все равно вижу холодноватым в отличии от прямых лучей Солнца, которые по твоим измерениям дали 5200К, что не сильно по сравнению с 5400К ниже. Либо у Солнца ЦТ еще пониже немного, либо у ЛДЦ чуть повыше все же. Впрочем прям один на один я сравнения излучениий ЛДЦ и Солнца не проводил. Для этого хорошо бы им осетить белую поверхность, но она не должна иметь оптических отбеливателей, чтобы сама от излучения не светилась. 

Солнце очень разное в зависимости от времени суток. 5000К – это июльский зенит при чистом небе. В остальных случаях оно теплее.

Dominique писал(а):

Так ЦП или ЦТ? Если речь про Ra, могу сразу сказать – ничего не выйдет. Я обмерял как трёхцветный светодиод (все 3 кристалла в номинальном режиме), так и трёхкристальные RGB лампы трёх вариантов. Везде из-за узкополосности спектра ЦП получается никакущая. Так что такой свет только для баловства.

ЦП конечно же, я ошибся там. Хм, значит не выйдет, жаль. Ну да ничего, сейчас найти обычные люминофорные светодиоды с высокой ЦП уже несложно.

За всё время измерений мне ещё не попалось ни одного белого светодиода с Ra<80. Правда и с Ra>85 тоже, но я верю, что они есть Grin

По поводу VFD (особенно советских). Тоже очень интересно бы посмотреть на спектр, в том числе немного за пределами видимого диапазона в обе стороны. С этими VFD происходит очень странная вещь: их свечение отчётливо зелёное на глаз, но воспринимается как синее (или даже немного сиреневое) веб-камерой или камерой телефона. Подозреваю, что у него в спектре есть существенная инфракрасная или ультрафиолетовая составляющая.

Честно говоря, не думаю. В любом случае, для измерений вне видимого диапазона нужен специальный прибор (спектрорадиометр), которого у меня нет.

Как впрочем не осталось уже и самих аппаратов с VFD (исключение – старые ресивер и видеомагнитофон, но там индикаторы установлены за толстыми пластинками из цветного оргстекла, чистый спектр не снять).


Понятно. Просто мне интересно, почему камера передаёт это свечение как синее. Известно, что большинство камер так видят ближний инфракрасный диапазон.

Я замечал, что многие цветные камеры видят ближний ИК (например, от пультов ДУ или ИК-подсветку) как белый свет. А вот свет белых светодиодов они часто окрашивают в странные оттенки, например в зеленоватый или голубоватый (хотя на глаз это может быть вполне тёплый свет с выраженным жёлтым оттенком). Думаю, тут дело в специфике спектральной чуствительности матриц.

Что же касается ультрафиолета, думаю в случае VFD он и вовсе крайне маловероятен, так как у этих индикаторов стеклянный корпус.

Хм, сразу как-то и не понял, 840+865 это какая люмка стандартной цветности получится? А вот то, что 640+865 это никак не по худшей лампе я вижу своими глазами, да, "плохая" лампа портит "хорошую", но получается вполне себе середина, что иногда весьма приемлемо. На даче, например, так и не дошли руки заменить 640-е, работающие в паре с 865 в душевой кабине и над раковиной, ибо и так все хорошо.

840+865 получается примерно 845)

8хх лампы вообще неплохи в сочетании с ГФК, в основном за счёт мощного красного пика. Собственно, вместо 8хх можно взять просто розовую лампу, и даже она одна повышает ЦП ЛБ вполне себе до 7хх уровня)