Đo quang phổ với bóng đèn Giáng sinh

Bài viết này mô tả cách sử dụng máy quang phổ Ocean FX tốc độ cao của Ocean Optics (Ocean Insight) để xác định độ nhấp nháy, màu sắc và các đặc điểm quang phổ khác của bóng đèn sợi đốt và bóng đèn LED.

Bất cứ nơi nào bạn đi đến trong kỳ nghỉ Giáng sinh, bạn cũng đều dễ dàng bắt gặp xung quanh tràn ngập đủ loại ánh sáng mê hoặc. Những ánh đèn đầy màu sắc và lấp lánh này cũng mang đến một bầu không khí vô cùng dễ chịu. Vì vậy, lần này, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về các đặc tính quang phổ của loại đèn Giáng sinh này nhé.

Đèn LED được sử dụng rộng rãi để chiếu sáng vì yêu cầu năng lượng thấp, hiệu quả cao và màu sắc tươi sáng. Nhưng ở đây bạn có thể tự hỏi sự khác biệt giữa đèn LED và bóng đèn sợi đốt, vì chúng đều phục vụ cho cùng một mục đích. Không phải tất cả mọi người sẽ chọn một loại bóng đèn chỉ dựa trên hiệu quả của nó. Phần sau đây sẽ mô tả những phát hiện của chúng tôi khi kiểm tra bức xạ, độ nhấp nháy và màu sắc của các đèn LED và bóng đèn sợi đốt có màu khác nhau được sử dụng trong chiếu sáng.

※ Phương pháp thí nghiệm

• Máy quang phổ Ocean-FX-VIS-NIR (350-1000nm)
• Quả cầu tích hợp FOIS-1
• Sợi quang 600µm Vis-NIR
• Phần mềm Oceanview

Hai mươi bóng đèn sợi đốt và đèn LED nhiều màu đã được thử nghiệm bằng cách sử dụng sản phẩm trên (Hình 1). Ocean FX có thể thực hiện tới 4.500 lần quét mỗi giây, khiến nó trở nên hoàn hảo để đo độ nhấp nháy nhanh trong ánh sáng. Dữ liệu quang phổ được đo cho ba bóng đèn của mỗi màu theo thông lượng bức xạ quang phổ tuyệt đối (uW/nm) bằng cách sử dụng nguồn sáng HL-3P-INT-CAL được hiệu chuẩn bằng phép đo phóng xạ làm tham chiếu.

Chúng tôi đã sử dụng 'Chế độ đã xử lý' của OceanView để hiệu chỉnh dữ liệu quang phổ của máy quang phổ Ocean FX nhằm cung cấp cường độ tính bằng microwatt trên nanomet (uW/nm).

Hình 1. Máy quang phổ Ocean-FX-VIS-NIR

Như đã đề cập ở trên, chúng tôi đã thử nghiệm với Ocean FX vì tốc độ quét nhanh của sản phẩm cho phép đo ánh sáng LED cường độ cao mà không làm bão hòa máy dò. Ngoài ra, do tốc độ quét cao của máy quang phổ nên có thể đánh giá định tính hiện tượng nhấp nháy của các bóng đèn màu xanh lam từ mỗi chuỗi đèn LED (sự thay đổi độ sáng theo thời gian liên quan đến sự thay đổi đầu ra). Các phép đo màu định lượng cũng được thực hiện cho từng màu của dây bóng đèn LED và bóng đèn sợi đốt.

※  Kết quả thử nghiệm: Dữ liệu quang phổ của bóng đèn sợi đốt so với đèn Giáng sinh LED

Bóng đèn sợi đốt dùng thắp sáng vào dịp Giáng sinh có quang phổ rộng với cường độ mạnh nhất ở vùng bước sóng ngắn NIR >700 nm (Hình 2). Bóng đèn nóng lên trong quá trình hoạt động vì ánh sáng trong phạm vi bước sóng đó tạo ra nhiệt vượt quá phạm vi mà mắt người có thể nhìn thấy. Trên thực tế, theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, 90% năng lượng phát ra từ bóng đèn sợi đốt là nhiệt.

Hình 2. Quang phổ của bóng đèn sợi đốt; Nhiệt sinh ra trong vùng bước sóng từ 700 nm trở lên với cường độ cao nhất

Ngoài ra, quang phổ của bóng đèn sợi đốt trông tương tự như quang phổ của bộ lọc cắt quang thông cao. Những hình dạng quang phổ này đến từ lớp vỏ thủy tinh mang lại màu sắc đẹp mắt cho bóng đèn sợi đốt. Nắp thủy tinh hoạt động như một bộ lọc quang truyền bước sóng mong muốn.

Chuỗi đèn LED không có tín hiệu trong vùng bước sóng ngắn NIR >700 nm và có phổ phát xạ hẹp, vì vậy bóng đèn vẫn mát ngay cả sau nhiều giờ hoạt động (Hình 3). Ngoài ra, đèn LED không chỉ tạo ra ít nhiệt hơn bóng đèn sợi đốt mà còn tiết kiệm năng lượng hơn. Khi thông lượng bức xạ quang phổ tuyệt đối được so sánh với công suất của bóng đèn sợi đốt, đèn LED cho thấy cường độ cao hơn nhiều. Lý do cho sự khác biệt về cường độ tín hiệu này là do bóng đèn LED tạo ra màu trực tiếp từ bóng đèn, thay vì sử dụng bộ lọc để chọn bước sóng mong muốn từ dây tóc phát sáng.

Hình 3. Quang phổ của đèn LED; Không hiển thị tín hiệu trong vùng bước sóng trên 700 nm

※  Kết quả thử nghiệm: Đặc điểm nhấp nháy của đèn Giáng sinh

Ánh sáng được cung cấp bởi dòng điện xoay chiều (AC) có thể biểu hiện dao động cường độ tùy thuộc vào tần số nguồn AC. Đèn huỳnh quang là một loại ánh sáng dao động rất nhiều, có thể dao động cường độ lên đến 20% (đó là lý do tại sao một số người thích ánh sáng tự nhiên hơn). Mắt người ít nhạy cảm hơn với dao động cường độ ở tần số dưới 70 Hz, nhưng ở tần số lên đến 200 Hz, một số người có thể bị mỏi mắt và nhức đầu, trong trường hợp nghiêm trọng có thể dẫn đến mờ mắt. Bên cạnh đó, ánh sáng nhấp nháy cũng có thể gây ra các ảnh hưởng sức khỏe khác, chẳng hạn như co giật và buồn nôn.

Một trong những khó khăn gặp phải khi phân tích sự nhấp nháy của ánh sáng là thiếu các công cụ có khả năng mô tả nguồn sáng theo thang thời gian nhấp nháy (thường nhanh hơn mắt người có thể cảm nhận được). Nhưng với Ocean FX, bạn có thể đo toàn bộ dải tần (350-1000 nm trong thử nghiệm này) ở tốc độ 4.500 lần quét mỗi giây, vì vậy bạn có thể nhìn thấy hiện tượng nhấp nháy mà mắt người không thể nhận thấy.

Nhấp nháy có thể được nhìn thấy đối với bóng đèn sợi đốt và bóng đèn màu xanh lam trong đèn LED. (Không giống như một số đèn trang trí, đèn chúng tôi sử dụng trong thí nghiệm không được thiết kế để nhấp nháy). Mặc dù không quan sát thấy hiện tượng nhấp nháy bằng mắt thường, quang phổ trong Hình 4 và Hình 5 cho thấy sự khác biệt đáng kể giữa bóng đèn sợi đốt và bóng đèn LED. Ví dụ: nếu bạn nhìn vào các phạm vi trục y sau trong mỗi biểu đồ, thì sự thay đổi cường độ đo được cho bóng đèn là khác nhau đáng kể. Bóng đèn sợi đốt màu xanh lam cho thấy dao động 1-1,75 uW/nm, đèn LED 0-700 uW/nm.

Hình 4. Bóng đèn sợi đốt màu xanh lam có đặc tính nhấp nháy thấp, cường độ ít thay đổi theo thời gian.

Hình 5. Mặc dù không nhìn thấy dao động cường độ, nhưng quang phổ đầu ra của bóng đèn LED màu xanh lam cho thấy độ nhấp nháy cao hơn bóng đèn sợi đốt màu xanh lam.

Hơn nữa, các dao động có cường độ nhất quán được quan sát thấy trong đèn LED, trong khi bóng đèn sợi đốt thể hiện các dao động ngẫu nhiên. Những khác biệt này liên quan đến bản chất của bóng đèn chứ không phải do sự khác biệt về cài đặt. Dây tóc được sử dụng trong bóng đèn sợi đốt không nhạy cảm với những thay đổi hiện tại như đèn LED. Cả hai phép đo đều được thực hiện với các cài đặt và thông số giống hệt nhau khi được kết nối với cùng một nguồn điện AC. Mặc dù thí nghiệm này cung cấp đánh giá định tính về độ nhấp nháy, nhưng một loại phép đo tốc độ cao tương tự cũng có thể được sử dụng để đưa ra đánh giá định lượng về độ nhấp nháy.

※  Kết quả thí nghiệm: Đo màu đèn Giáng sinh

Vẻ đẹp của đèn Giáng sinh đến từ những màu sắc khác nhau của đèn. Mắt chúng ta nhìn thấy ánh sáng có màu lục, lam, cam, vàng, v.v., nhưng cần phải đo quang phổ định lượng để xác định màu chính xác của ánh sáng.

Chúng tôi cung cấp một số máy quang phổ hữu ích để mô tả nhiều thông số độ nhám khác nhau, bao gồm cả màu sắc. Các giá trị màu định lượng cho bóng đèn sợi đốt và bóng đèn LED được trình bày trong Bảng 1. Các giá trị này được khớp với một vị trí trên sơ đồ màu CIE để xác định một màu là tổng trọng số của ba màu cơ bản. Để đơn giản hóa hệ thống phân loại màu sắc phức tạp bằng cách sử dụng không gian màu CIE, màu xanh dương được biểu thị bằng các giá trị x, y thấp, màu xanh lá cây theo các giá trị y cao và màu đỏ và cam theo các giá trị x cao. Màu định lượng là phép đo màu chính xác hơn nhiều, bằng chứng là sự khác biệt lớn về giá trị đối với cùng một bóng đèn màu.

Bảng 1. Đo màu định lượng cho đèn sợi đốt và đèn LED Giáng sinh

※ Kết luận

Một hệ thống nhỏ gọn bao gồm một số thành phần đã được sử dụng để đo các thông số khác nhau của đèn Giáng sinh, bao gồm các đặc điểm mà mắt người không thể nhận thấy. Máy quang phổ của Ocean Optics (Ocean Insight) và các phụ kiện có thể được sử dụng để đo các đặc tính khác nhau của ánh sáng.