ｸﾘｽﾏｽ用ﾗｲﾄによる分光光度法

この記事では､Ocean Optics (Ocean Insight)の高速Ocean FX分光計を使用して､白熱電球とLED電球のちらつき､色､およびその他のｽﾍﾟｸﾄﾙ特性を決定する方法について説明します｡

ｸﾘｽﾏｽ休暇中はどこへ行っても､あらゆる種類の魅惑的な光で満たされた周囲を簡単に見ることができます｡これらのｶﾗﾌﾙで輝くﾗｲﾄも非常に快適な雰囲気を提供します｡そこで今回は､このｸﾘｽﾏｽﾗｲﾄのｽﾍﾟｸﾄﾙ特性について学びます｡

LEDは､ｴﾈﾙｷﾞｰ消費が低く､効率が高く､色が明るいため､照明に広く使用されています｡しかし､ここで､すべて同じ目的を果たしていますが､LEDと白熱電球の違いは何ですか,疑問に思うかもしれません.誰もがその有効性だけに基づいて電球の種類を選択するわけではありません｡以下では､照明に使用される異なる色のLEDと白熱電球の放射､ちらつき､および色を試験する際の調査結果について説明します｡

※実験方法

Ocean FX-VIS-NIR分光光度計(350-1000nm)

積算球体FOIS-1

600μmVis-NIR光ﾌｧｲﾊﾞ-

OceanViewｿﾌﾄｳｪｱ

上記の製品を使用して､20個の白熱電球とﾏﾙﾁｶﾗｰLEDを試験しました(図1)｡Ocean FXは毎秒最大4,500回のｽｷｬﾝを実行できるため､光の高速ちらつきを測定するのに最適です｡ｽﾍﾟｸﾄﾙﾃﾞｰﾀは､放射測定によって校正されたHL-3P-INT−CAL光源を基準として､絶対ｽﾍﾟｸﾄﾙ放射束(uW/nm)に従って各色の3つの電球について測定された｡

OceanViewの｢処理済みﾓｰﾄﾞ｣を使用して､Ocean FX分光光度計のﾃﾞｰﾀを校正し､ﾅﾉﾒｰﾄﾙあたりのﾏｲｸﾛﾜｯﾄ(uW / nm)で強度を提供しました｡

図 1. ｵｰｼｬﾝFX-VIS-NIR分光光度計

前述のように､製品の高速ｽｷｬﾝにより､検出器を飽和させることなく強力なLED光測定が可能になるため､Ocean FXで試験しました｡また､分光器の走査速度が速いため､各LEDｼｰｹﾝｽからの青色電球のちらつき(出力の変化に伴う経時的な輝度の変化)を定性的に評価することが可能です｡LED電球線と白熱電球の各色についても定量的な色測定が行われます｡

※試験結果:LEDｸﾘｽﾏｽﾗｲﾄと比較した白熱電球のｽﾍﾟｸﾄﾙﾃﾞｰﾀ

ｸﾘｽﾏｽ照明に使用される白熱電球は､近赤外短波長領域>700nmで最も強い強度を持つ広いｽﾍﾟｸﾄﾙを持っています (図2)｡電球は､その波長範囲の光が人間の目で見ることができる範囲を超える熱を発生するため､動作中に熱くなります｡実際､米国ｴﾈﾙｷﾞｰ省によると､白熱電球から放出されるｴﾈﾙｷﾞｰの90%は熱です｡

図 2.白熱電球のｽﾍﾟｸﾄﾙ;最高強度700nm以上の波長領域で発熱

さらに､白熱電球のｽﾍﾟｸﾄﾙは､高流束せん断ﾌｨﾙﾀｰのｽﾍﾟｸﾄﾙに似ています｡これらのｽﾍﾟｸﾄﾙ形状は､白熱電球に美しい色を与えるｶﾞﾗｽｹｰｼﾝｸﾞに由来します｡ｶﾞﾗｽ蓋は､所望の波長を透過する光学ﾌｨﾙﾀｰとして機能する｡

LEDｽﾄﾘﾝｸﾞは､>700nmの近赤外短波長領域に信号がなく､発光ｽﾍﾟｸﾄﾙが狭いため､何時間も動作しても電球は冷たくなります (図3)｡さらに､LEDは白熱電球よりも発熱が少ないだけでなく､ｴﾈﾙｷﾞｰ効率も高くなります｡絶対ｽﾍﾟｸﾄﾙ放射束を白熱電球のﾜｯﾄ数と比較すると､LEDははるかに高い強度を示します｡この信号強度の違いの理由は､LED電球がﾌｨﾙﾀｰを使用して光るﾌｨﾗﾒﾝﾄから目的の波長を選択するのではなく､電球から直接的に色を生成するためです｡

図 3.LEDのｽﾍﾟｸﾄﾙ;700nm以上の波長領域で信号を表示しない

※試験結果:ｸﾘｽﾏｽﾗｲﾄのちらつき特性

交流(AC)によって提供される光は､AC電源周波数に応じて強度変動を示す可能性があります｡ 蛍光灯は大きく変動する光の一種であり､強度は最大20%変動する可能性があります(そのため､自然光を好む人もいます)｡人間の目は70 Hz未満の周波数での激しい変動に対する感度は低くなりますが､200 Hzまでの周波数では､眼精疲労や頭痛を経験する人もいて､重症の場合はかすみ目につながる可能性があります｡ﾗｲﾄのちらつきは､発作や吐き気等の他の健康への影響も引き起こす可能性があります｡

光のちらつきを分析するときに遭遇する困難の1つは､ちらつきの時間ｽｹｰﾙで光源を記述できるﾂｰﾙがないことです(多くの場合､人間の目が知覚できるよりも高速です)｡しかし､Ocean FXを使用すると､毎秒4,500ｽｷｬﾝの速度で全周波数範囲(この試験では350〜1000 nm)を測定できるため､人間の目には気付かないちらつきを見ることができます｡

白熱電球とLEDの青い電球でちらつきが見られます｡(一部の装飾ﾗｲﾄとは異なり､実験で使用したﾗｲﾄはちらつきするようには設計されていません｡ちらつきは肉眼では観察されませんが､図4と図5のｽﾍﾟｸﾄﾙは白熱電球とLED電球の間に有意差を示しています｡たとえば､各ｸﾞﾗﾌの次のy軸範囲を見ると､電球の測定強度変化は大きく異なります｡青色の白熱電球は1〜1.75uW/nmの範囲を示し､LEDは0〜700uW/nmを示します｡

図4.青い白熱電球はちらつきが少なく､その強度は時間の経過とともに殆ど変化しない

図5.強度の変動は見られませんが､青色LED電球の出力ｽﾍﾟｸﾄﾙは青色白熱電球よりも高いちらつきを示します

さらに､LEDでは一貫した強度の振動が観察されますが､白熱電球はﾗﾝﾀﾞﾑな振動を示します｡これらの違いは電球の性質に関連しており､設定の違いには関係していません｡白熱電球に使用されるﾌｨﾗﾒﾝﾄは､LEDほど電流変化に敏感ではありません｡両方の測定は､同じAC電源に接続されている場合､同じ設定とﾊﾟﾗﾒｰﾀで実行されます｡この実験はちらつきの定性的評価を提供しますが､同様のﾀｲﾌﾟの高速測定を使用してちらつきの定量的評価を行うこともできます｡

※実験結果:ｸﾘｽﾏｽﾗｲﾄの色測定

ｸﾘｽﾏｽﾗｲﾄの美しさは､ﾗｲﾄの色の違いから来ています｡私たちの目は緑､青､ｵﾚﾝｼﾞ､黄色等の光を見ますが､光の正確な色を決定するには定量ｽﾍﾟｸﾄﾙを測定する必要があります｡

色を含むさまざまな粗さﾊﾟﾗﾒｰﾀの特性評価に便利な分光計をいくつか提供しています｡白熱電球とLED電球の定量的な色値を表1に示します｡これらの値は､CIEｶﾗｰ図上の位置と照合され､3原色の合計重量である色を識別します｡CIE色空間を使用した複雑なｶﾗｰｸﾞﾚｰﾃﾞｨﾝｸﾞｼｽﾃﾑを簡略化するために､青は低いx値とy値､緑は高いy値､赤とｵﾚﾝｼﾞは高いx値で表されます｡定量的な色は､同じ色の電球の値の大きな違いによって証明されるように､遥かに正確な色測定です｡

表1.白熱灯とLEDｸﾘｽﾏｽﾗｲﾄの定量的色測定

※結論

いくつかのｺﾝﾎﾟｰﾈﾝﾄで構成されるｺﾝﾊﾟｸﾄなｼｽﾃﾑは､人間の目では知覚できない特性を含む､ｸﾘｽﾏｽﾗｲﾄのさまざまなﾊﾟﾗﾒｰﾀｰを測定するために使用されてきました｡Ocean Optics (Ocean Insight)の分光計およびｱｸｾｻﾘｰを使用して､光のさまざまな特性を測定できます｡