棉花分級室模擬晝光照明質量的分析與研究

1 引言

棉花顏色級分級是按照標準確定棉花質量等級的一項重要工作，是基于外觀，用視覺感官檢驗棉花樣品的顏色、軋工等指標來完成的，是棉花檢驗員依據標準將棉花各相關顏色影響因素整合到棉花顏色級別描述的過程。棉花分級室中使用人工照明是模擬北緯地區適度多云情況下的理想日光條件，其照明質量是棉花顏色級分級感官評定的重要影響因素[1-3]，不僅要求均勻穩定，而且要求具有盡可能接近自然晝光的光譜范圍、能量分布和顯色性等指標條件。因此分級室中的照明質量既是棉花分級感官評定的重要因素，也是評判軋工質量的重要條件，并且是與棉花產供銷經濟利益密切相關的一項關鍵要素。

2 模擬晝光的色溫和標準光譜

人眼所觀察到的物體的顏色是光照射在該物體表面后反射光線所引起的視覺反應，是一種光譜反應。同一物體的反射光譜是確定的，當不同光源照射同一物體時，由于光源光譜存在差異會導致物體呈現不同的顏色，需要標準光源提供恒定的照明條件。模擬晝光是采用人造光源來代替自然光源。然而為了提高顏色觀察的準確性，就必須使人造光源接近自然光的光譜。

國際照明委員會CIE（Commission Internationale de L'Eclairage）為統一顏色測量規定了一系列標準光源，其光照特性為近似CIE 標準照明體的人造光源。標準照明體是指具有與某一時刻的晝光相對光譜功率分布相同或近似的照明體。美國在棉花分級室模擬晝光研究中[3]，早期試驗采用的是在CIE標準光源的6700K色溫條件下進行的。但是，根據研究結果表明，在6700K色溫條件下棉花顏色偏黃，試驗的結論是采用7500K的光可以獲得完全滿意的結果，即模擬晝光D75光源，標準光源中等同于北緯地區北向適度多云的天空條件，其色溫為7504K，波長為400nm～700nm，現今已成為世界各個國家棉花分級室模擬晝光的共同選擇。D75標準光譜曲線見圖1。

圖1 D75標準光譜圖

3 基于LED光源的棉花分級室D75模擬晝光照明系統研究

3.1 設計原理

結合光學結構以及電控設計，采用LED直下式照明方式，即LED陣列分布于光源箱體頂部，向下照射。光源箱整體為框架結構，內部為光學腔體，實現光的傳導和混勻，光源箱底部安裝有光學擴散板，實現光的進一步勻化處理。光源箱同時具有散熱器、可調電源和安裝固定附屬結構。技術核心是實現D75標準光譜的擬合，利用特殊設計的LED產生基本光譜，再利用一定的光學結構和材料實現光能的輸出，達到標準的基本要求。同時在結構和供電上進行匹配性設計，使得系統整體安全可靠、穩定便捷。見圖2、圖3。

圖2 D75模擬晝光照明系統結構（1）

圖3 D75模擬晝光照明系統結構（2）

D75模擬晝光照明系統的設計原理是采用了直下式光路結構（圖4）。直下式照明結構自上而下分為三層：頂部的LED燈珠陣列發光單元、光混合腔體結構、光擴散結構。燈珠的陣列形式和規模依據燈箱總功率、LED燈珠功率、數量以及結構相關特性確定。光學結構主要是設計一定的光混合腔體和一定的光勻化措施，使光譜在空間上均勻一致。底層為光擴散板出光口，主要起到勻光作用。

圖4 直下式模擬晝光照明系統的光學結構

3.2 光譜擬合

采用多顆LED芯片配合熒光粉擬合出近D75光譜（圖5），獲得標準發光體。結合光學結構和相應材料的透過、吸收選擇獲得目標光譜。光譜質量和分布匹配良好，接近標準光譜曲線，顏色質量標準的允差為±200K顏色相關色溫，達到并超出了美國ASTMD1684標準的要求，保證了照明質量。

圖5 模擬晝光光譜與D75標準光譜匹配特性

3.3 照度

美國在關于照度和色溫的研究中[3]提出了從“very good”到“very poor”的5級對比分析（圖6），這些數據同時配合了美國棉花分級員主觀描述的照明條件。滿足“very good”的條件要求最小色溫接近7500K以及至少1000lx(100英尺燭光)的照度值。盡管隨著照度增加伴隨著色溫的升高。1000lx（100英尺燭光）和7500K是“very good”照明條件的最小值。被稱為“very poor”的條件是結合了低色溫與低照度，或在任何色溫包括非常高的照度（高于4000lx～5000lx）的數據。

圖6 美國棉花分級室的照度與色溫對比數據

試驗中，我們選取了（750±100）l x、（1100±100）lx、（1600±100）lx三個區間的照度條件，由30名棉檢員，使用棉花顏色級樣品（盲樣），同時配合主觀描述，進行了對照試驗。試驗結果如表1所示。在7500K色溫條件下不同照度區間，隨機選取棉花檢驗員的棉花樣品（盲樣）檢測結果如表2所示。根據對照試驗的結果并結合棉花檢驗員的主觀描述，可以看出，相比于相對昏暗（750±100）lx的照度條件，在照度適中（1100±100）lx的情況下，棉花檢驗員的正確率有明顯的提高，并且在低正確率情況下的提高幅度較大。同時，在照度適中條件下，據棉花檢驗員的主觀描述，棉花樣品的反射率差異會更加明顯，棉花檢驗員的目光感官對棉花反射率的區分會更加容易。

表1 在7500K色溫條件下不同照度區間棉花檢驗員的主觀描述

表2 不同棉花檢驗員對棉花樣品（盲樣）檢測結果 %

3.4 色溫和照度的穩定性

當光源的色品與某一溫度下完全輻射體的色品相同時，該完全輻射體的絕對溫度為此光源的色溫。經過對模擬晝光照明系統的200小時連續工作的試驗數據記錄（圖7），色溫與照度指標穩定、可靠。

圖7 200小時連續工作的色溫與照度

3.5 顯色指數

顯色指數（Ra）是光源顯色性的度量，是照明燈具的重要指標，以被測光源下物體的顏色和參照光源下物體的顏色的相符程度來表示，Ra95以上為超高顯色指數，顯色指數越高，光源的顯色性越好，對物體的色彩還原能力越強。以1965年國際照明委員會（CIE）推薦的一般顯色指數為依據，顯色指數應不低于92。

高顯指的光源光譜必然是連續光譜，顯色指數的評價實質是對照明光源的光譜與標準光譜的匹配度進行評價的問題，兩者匹配度越高則顯色指數越高，如圖5所示。試驗中的模擬晝光照明系統與標準光譜的與CIE D75標準光譜（400nm～700nm）在50nm區間和20nm區間內的匹配度。在50nm波段區間的偏差均小于5%（絕對值），而且在20nm區間內絕大部分匹配度偏差也小于5%（絕對值），匹配度非常好，因此其顯色指數與D75標準光譜的顯色指數Ra100非常接近。

圖8是試驗采用的模擬晝光照明系統顯色指數各評價區域光譜匹配性（圖8左）與顯色指數為92.4的參照系統（圖8右）的對比圖。顯而易見，左圖中的模擬晝光照明系統的顯色指數除R9為97外，均不低于98，Ra達99.0。試驗采用的模擬晝光照明系統各評價區域光譜匹配性非常均衡。

圖8 顯色指數各評價區域光譜匹配性對比

4 環境色

棉花分級室內的墻壁、天花板、地板、家具甚至棉花本身（如果把棉花攤開，覆蓋較大區域進行分級）會對分級室內的照明條件有較大影響，對于反射光的量和涉及到的亮度對比都有影響。試驗證明，棉花分級室應被粉刷為中性色，以便沒有一種彩色相對于另一種彩色被增強或減弱。中性色覆蓋范圍包括白色、灰色至黑色。所有在分級室使用的灰色應為真正的中性色，也就是沒有任何色調的痕跡，灰色明度依賴于照射到分級室和到達分級表面的光量。墻壁不深于孟賽爾中性色9.0。天花板采用白色或盡可能接近白色，不能深于孟賽爾中性色9.5。分級員站立的墊子應為黑色，分級臺應為淺灰色，臺面應為黑色。在棉花分級過程中，包裹樣品的紙張應被折疊在棉樣下方。在中性色背景中，棉花在藍色紙張上會看起來偏白，在棕色紙張上會看起來偏灰。

5 結果討論

與國際標準和美國標準一致，我國棉花分級室是采用人工照明模擬北緯地區適度多云情況下的理想日光條件。棉花分級室的照明質量是棉花顏色級分級感官評定的重要影響因素，不僅要求均勻穩定，而且要求具有盡可能接近自然晝光的光譜范圍、能量分布和顯色性等指標條件。我國的棉花分級室國家標準與ISO標準和美國等發達國家標準一致，均采用了1965年國際照明委員會（CIE）提出的模擬晝光D75光源，本文提出并研制的基于LED光源的棉花分級室D75模擬晝光照明系統，其色溫約為7500K，波長為400nm～700nm，光譜能量符合標準要求。顯色指數不低于97，Ra可達99，各評價區域光譜匹配性非常均衡。模擬晝光光譜質量和分布匹配接近標準光譜曲線，允差在±200K顏色相關色溫以內。在燈具安裝時，照度調節范圍能夠到達到（600～2500）lx，為棉花分級室模擬晝光照明質量的分析與研究提供了可靠的試驗保證。通過對照試驗確定了棉花分級室（1100±100）lx的最佳照度值。此外，棉花分級室模擬晝光光線應被廣泛地漫射，并有足夠的方向性，使棉花檢驗人員觀察樣品時有深度感。照明條件應在整個棉花分級室的工作區域內盡可能一致，應沒有強光和交叉布光，光源和其周圍環境的亮度對比應保持在最小限度。