顏色，是我們感知世界的重要方式。從時(shí)尚設(shè)計(jì)到工業(yè)生產(chǎn)，從環(huán)境監(jiān)測(cè)到科研探索，準(zhǔn)確捕捉和測(cè)量色彩的能力至關(guān)重要。光譜儀，一種能夠測(cè)量物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)光吸收或反射的儀器，已成為顏色測(cè)量領(lǐng)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(xué)秘密。

一、顏色測(cè)量的理論

物體的顏色取決于其對(duì)光的選擇性吸收，當(dāng)光照射到物體表面時(shí)，物體會(huì)反射特定波長(zhǎng)范圍的光，并吸收其余波長(zhǎng)范圍的光，這些光將以顏色信息被我們接收。為使各個(gè)領(lǐng)域都有統(tǒng)一的顏色標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）于1931年提出的標(biāo)準(zhǔn)色彩系統(tǒng)CIE 1931^[1]，它采用了XYZ色彩空間和標(biāo)準(zhǔn)觀察者來描述和測(cè)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(guān)系，如圖1（a）所示，對(duì)色彩管理、顯示技術(shù)和照明設(shè)計(jì)等領(lǐng)域產(chǎn)生了深遠(yuǎn)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(gè)更均勻、更準(zhǔn)確的色彩空間，CIE于1976年正式推薦了兩個(gè)改進(jìn)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(tǒng)通過數(shù)學(xué)方法從CIE XYZ系統(tǒng)轉(zhuǎn)換而來，旨在提供一個(gè)更均勻、更準(zhǔn)確的色彩空間，以更好地代表人類在各種照明條件下對(duì)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(lán)軸心理色度）三個(gè)坐標(biāo)構(gòu)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(yīng)用于印刷、紡織、化妝品等行業(yè)，用于色彩管理和測(cè)量，以提高顏色匹配和色彩復(fù)制的準(zhǔn)確性。

二、光譜儀進(jìn)行顏色測(cè)量的原理

物體表面的顏色本質(zhì)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(xiàn)象，確保顏色的準(zhǔn)確再現(xiàn)。通過反射率測(cè)量系統(tǒng)獲得的反射率圖譜，即可準(zhǔn)確捕捉物體的顏色信息。光譜儀可通過高精度的分光技術(shù)，將入射光束分解為一系列單一波長(zhǎng)的光，并量化每種波長(zhǎng)的光強(qiáng)度，然后與標(biāo)準(zhǔn)光源下的顏色標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)比分析，利用這些測(cè)量數(shù)據(jù)，光譜儀能夠計(jì)算出顏色的三刺激值，例如RGB或CIE XYZ色度空間的坐標(biāo)。這些數(shù)值隨后被轉(zhuǎn)換成與人類視覺感知相對(duì)應(yīng)的顏色空間坐標(biāo)，如CIE 1931 XYZ或CIE LAB，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色參數(shù)的精確量化。這些參數(shù)包括但不限于色度坐標(biāo)、色溫（CCT）、飽和度以及色差（ΔE），為顏色的科學(xué)分析和質(zhì)量控制提供了堅(jiān)實(shí)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

一般來說，固體和粘稠液體的顏色測(cè)量可以通過不同的實(shí)驗(yàn)布局來實(shí)現(xiàn)，如通過反射探頭或積分球。對(duì)于不同的應(yīng)用，如測(cè)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(shí)現(xiàn)。

圖2 使用光譜儀進(jìn)行顏色測(cè)量示意圖

三、應(yīng)用領(lǐng)域

光譜儀可以通過測(cè)量光的光譜分布來分析和評(píng)估顏色特性，在照明行業(yè)、紡織和服裝行業(yè)、化妝品行業(yè)、食品和農(nóng)業(yè)、藝術(shù)和文化遺產(chǎn)保護(hù)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。光譜儀在顏色測(cè)量中的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)在于其高精度和高重復(fù)性，能夠提供詳細(xì)的光譜信息，為顏色分析和控制提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。

（1）色度測(cè)量：光譜儀可以測(cè)量光源或物體反射的光譜功率分布（SPD）。利用CIE色度系統(tǒng)，可以將SPD轉(zhuǎn)換為色度坐標(biāo)（如CIE 1931 xy色度圖上的x和y值）。這些色度坐標(biāo)可以用來計(jì)算色溫、色偏差、飽和度等顏色參數(shù)。

（2）色彩再現(xiàn)指數(shù)（CRI）評(píng)估：CRI是衡量光源再現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品顏色能力的指標(biāo)。光譜儀測(cè)量光源照射下標(biāo)準(zhǔn)顏色樣品的反射光譜。通過比較樣品在測(cè)試光源和參考光源下的色度差異，計(jì)算CRI值。

（3）顏色均勻性和一致性測(cè)試：在生產(chǎn)過程中，需要確保產(chǎn)品顏色的一致性和均勻性。光譜儀可以測(cè)量不同位置或批次產(chǎn)品的光譜，以評(píng)估顏色的一致性。

（4）顏色配方開發(fā)：在涂料、油墨、塑料等行業(yè)，需要根據(jù)目標(biāo)顏色開發(fā)顏色配方。光譜儀測(cè)量不同配方的光譜，幫助優(yōu)化顏色配方，達(dá)到目標(biāo)顏色。

（5）顏色科學(xué)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(yīng)等。它還可以用于研究新材料的顏色特性，如熒光材料、發(fā)光二極管等。

（6）光源特性分析：光譜儀測(cè)量光源的SPD，分析其光譜特性，如色溫、顯色性、光效等。對(duì)于LED光源，光譜儀可以評(píng)估其光譜功率分布與顏色性能。

（7）環(huán)境光顏色測(cè)量：在建筑照明、室內(nèi)裝飾等領(lǐng)域，光譜儀用于測(cè)量環(huán)境光的顏色特性。這有助于設(shè)計(jì)和評(píng)估照明效果，創(chuàng)造舒適的視覺環(huán)境。

四、應(yīng)用案例

在顏色測(cè)量領(lǐng)域，光譜儀被廣泛的用于評(píng)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(jìn)行了新型高效、寬帶青色發(fā)光的熒光粉的研究，在365 nm光激發(fā)下，實(shí)現(xiàn)從390~675 nm的寬泛青色發(fā)射帶，有效覆蓋了可見光譜中的藍(lán)-青-綠區(qū)域，配合商用橙紅色熒光粉可產(chǎn)生明亮的全可見光譜白光，具有相當(dāng)?shù)墓庑?61.02 lm·W^-1)和高顯色指數(shù)(Ra = 89)，在高質(zhì)量白色照明光源中展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。

4.1 研究背景

為解決白光發(fā)光二極管（pc-wLEDs）在實(shí)現(xiàn)全可見光譜照明時(shí)遇到的“青色間隙”問題，即在480-520 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光譜覆蓋不足，開發(fā)了一種新型寬帶青色發(fā)光熒光粉SiO₂:Al³⁺,Eu²⁺，以提高pc-wLEDs的色域完整性和色彩再現(xiàn)能力，達(dá)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(cè)量和分析新型寬帶青色發(fā)光熒光粉SiO₂:Al³⁺,Eu²⁺的光譜特性，詳細(xì)記錄熒光粉在不同激發(fā)條件下的光發(fā)射譜，從而評(píng)估其發(fā)光性能，包括光譜分布、色度坐標(biāo)、色彩再現(xiàn)指數(shù)（CRI）以及熱穩(wěn)定性等關(guān)鍵參數(shù)。這些測(cè)量結(jié)果對(duì)于開發(fā)具有全可見光譜特性的白光LED照明至關(guān)重要，確保了照明設(shè)備能夠提供高質(zhì)量的自然光效果，滿足照明應(yīng)用中對(duì)色彩準(zhǔn)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(jié)構(gòu)示意圖

4.2 研究?jī)?nèi)容

（1）熒光粉的光致發(fā)光激發(fā)(PLE)和光致發(fā)光(PL)光譜特性

使用光譜儀測(cè)試了SiO₂:0.06Al³⁺,0.005Eu²⁺熒光粉的光致發(fā)光激發(fā)(PLE)光譜和光致發(fā)光(PL)光譜，結(jié)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(nèi)有強(qiáng)吸收，表明該熒光粉可被紫外光有效激發(fā)。在365 nm激發(fā)下，SiO₂:0.06Al³⁺,0.005Eu²⁺粉末發(fā)出明亮的青色光，其PL光譜顯示在459 nm處有一個(gè)寬發(fā)射峰，發(fā)射帶覆蓋了390~675 nm，半高寬(FWHM)為114 nm，遠(yuǎn)寬于商用藍(lán)色熒光粉BaMgAl₁₀O₁₇:Eu²⁺(BAM:Eu²⁺)。PL光譜可以分解為兩個(gè)高斯子帶，表明存在兩種不同的發(fā)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(qiáng)度逐漸增強(qiáng)，F(xiàn)WHM略微變寬，這表明Al³⁺共摻雜可以有效調(diào)節(jié)Eu²⁺在SiO₂中的光致發(fā)光。圖4(c)為不同Eu²⁺濃度(y = 0.001-0.007)時(shí)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(fā)射增強(qiáng)。在y = 0.005時(shí)達(dá)到最大值，之后由于濃度猝滅效應(yīng)，PL強(qiáng)度開始減弱。

圖4 （a）SiO₂:0.06Al³⁺，0.005Eu²⁺的歸一化PLE (λ_em = 459 nm)和PL (λ_ex = 365 nm)光譜；（b）365 nm光激發(fā)時(shí)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(fā)時(shí)不同Eu²⁺濃度(y = 0.001-0.007)時(shí)熒光粉的PL光譜。

（2）熱穩(wěn)定性和色度穩(wěn)定性測(cè)試

隨著LED芯片長(zhǎng)時(shí)間工作，其工作溫度會(huì)升高，因此熒光粉的熱穩(wěn)定性和色度穩(wěn)定性對(duì)于保證LED的長(zhǎng)期性能至關(guān)重要。測(cè)試了在365 nm激發(fā)下，SiO₂:0.005Eu²⁺和SiO₂:0.06Al³⁺,0.005Eu²⁺在298~548 K范圍內(nèi)溫度依賴的PL光譜，測(cè)試結(jié)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(fā)射帶，還提高了熱穩(wěn)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(biāo)，從圖中可以看出，引入Al³⁺的熒光粉表現(xiàn)出較小的色度漂移，表明其色度穩(wěn)定性更好。

圖5 （a）熒光粉溫度依賴性PL光譜(λ_ex = 365 nm)； （b）CIE色度坐標(biāo)。

（3）在pc-wLED上的應(yīng)用

SiO₂:Al³⁺,Eu²⁺熒光粉具有寬帶青色發(fā)射、高量子效率和良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢(shì)，在制造高質(zhì)量全可見光譜白光LED照明領(lǐng)域展現(xiàn)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(λ_em = 365 nm)上，可制造一個(gè)簡(jiǎn)單的雙色pc-wLED設(shè)備(設(shè)備1)。圖6(a)上圖展示了設(shè)備1在20 mA電流驅(qū)動(dòng)下的EL光譜，從圖中可以看出設(shè)備1成功實(shí)現(xiàn)了完全覆蓋整個(gè)可見光譜的連續(xù)光譜，圖6(a)下圖展示了使用商用藍(lán)色熒光粉BAM:Eu²⁺制造的pc-wLED(設(shè)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(shè)備1在20~200 mA驅(qū)動(dòng)電流下的EL光譜，從圖中可以看出，EL強(qiáng)度呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢(shì)，在150 mA時(shí)達(dá)到最大強(qiáng)度。隨著驅(qū)動(dòng)電流的增加，色度坐標(biāo)、CRI值和相關(guān)色溫(CCT)的變化如圖6(c-d)所示?？梢钥闯觯珻RI和CCT值也沒有顯著變化，只發(fā)生了輕微的坐標(biāo)漂移，這表明該pc-wLED在不同驅(qū)動(dòng)電流下具有出色的色穩(wěn)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(qū)動(dòng)電流(20-200 mA)依賴性發(fā)射光譜；（c）CIE色度坐標(biāo)；（d）CTT和Ra值。

4.3 研究結(jié)論

文獻(xiàn)成功開發(fā)了一種新型寬帶青色發(fā)光熒光粉SiO₂:Al³⁺,Eu²⁺，利用由如海光電提供的光譜儀可精確測(cè)量其光譜特性，揭示其在填補(bǔ)傳統(tǒng)白光LED“青色間隙”、實(shí)現(xiàn)全光譜照明方面的巨大潛力。光譜儀在測(cè)量熒光粉的光致發(fā)光激發(fā)和發(fā)射光譜、分析溫度依賴性、評(píng)估色度穩(wěn)定性和量子效率方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用，為優(yōu)化熒光粉性能和評(píng)估其在pc-wLEDs中的實(shí)際操作穩(wěn)定性提供了重要數(shù)據(jù)支持，從而證實(shí)了SiO₂:Al³⁺,Eu²⁺熒光粉在提升照明質(zhì)量方面的優(yōu)勢(shì)和應(yīng)用前景。

五、產(chǎn)品推薦

XS11639光纖光譜儀

1. 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

XS11639是一款基礎(chǔ)款光纖光譜儀，設(shè)備體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊；設(shè)備紫外段響應(yīng)好，具備良好的溫度穩(wěn)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(cè)量、輻射測(cè)量、吸收測(cè)量、熒光光譜、拉曼光譜等多種測(cè)量場(chǎng)景。

2. 產(chǎn)品特點(diǎn)

? 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(qiáng)度一致性≦7%；

? 紫外光譜響應(yīng)強(qiáng)；

? CCD量化背景噪聲≦30 RMS（最小積分時(shí)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(shí)現(xiàn)配套光源的使能、強(qiáng)度控制和功率反饋。

六、參考文獻(xiàn)

[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.