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【光谱传感器测评】家庭常用光源对比

蘑菇云创造

2020-12-01

导读：精选测评项目

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引言

看过《石纪元》的小伙伴可能会喜欢里面的这样一句话：“在我们的时代里，不存在黑暗！”。自从爱迪生于1879年发明了世界上第一支具有实用价值的电灯泡，电灯已经有140多年的发展历史。对于人类历史来说，这只是短短的一瞬，但是这并不妨碍电灯成为人类历史上最重要的发明。在此期间，人类对电灯进行了多次的迭代，很多技术层出不穷。在这篇文章里我将用DFRobot出品的 AS7341 可见光谱传感器对家庭常用的几种灯泡进行详细对比。

原理

首先，我们要了解关于光的一些基本知识。众所周知，太阳光是由赤橙黄绿青蓝紫其中颜色的光组成，然而这种表述并不准确，太阳光是由一段连续的光谱组成，能完整地覆盖人眼可见光的范围。

人类之所以能看到这个五彩缤纷的世界，全要感谢眼睛里的视杆细胞和视锥细胞，视杆细胞对弱光敏感，擅长在黑暗的环境下看清物体轮廓，夜行动物的眼睛多富有视杆细胞；相对的视锥细胞则能对不同颜色的光产生反应，还原物体的颜色。人类视网膜上存在着红、绿、蓝三种视锥细胞，一束光会对这三种视锥细胞造成不同程度的刺激，这个刺激值在大脑中就会被还原成光的颜色。也就是说，颜色是人大脑中的概念，如果你将红绿蓝三原色以正确的比例混合，就能够得到任何你想要的颜色，你眼前手机的、电脑的屏幕正是利用这个原理才能显示出各种各样的颜色的。

接下来是色温。从理论上说，任何有温度的物体都会主动向外界辐射电磁波，且温度越高，波长越短，看起来就是从黑变红，再到黄、白，最后发出蓝色光，打铁时铁受热会发红，煤气灶点然后发出的蓝光都是因为这个原理。普通白炽灯正常工作时，灯丝可达2500摄氏度，转换成绝对温标就是2773K，这就是白炽灯产生的光的色温，是一种黄白色的光。现代的很多灯泡像是荧光灯、LED灯采用了不同的发光原理，但是灯泡的包装上可能会写着“色温5000K”之类的字样，这并不是说灯泡在工作时，内部产生了那么高的温度，而是指光的颜色等效于同等温度下黑体产生的光的颜色，也就是相关色温的概念。

要理解计算色温非常复杂，但是这里我采用公式法拟合，将过程简化成了下面几个步骤：

1.为了计算光的色温，我们需要利用传感器获得这个光的光谱，以及人眼三种视锥细胞对不同波长的光的敏感程度——三刺激函数。三刺激函数可以通过查表获得。

2. 光谱分别与三刺激函数相乘再进行积分就能得到三刺激值（X、Y、Z）。

3. 通过公式转换为色坐标（x-y），任何一种颜色都能在色坐标中找到。

4. 最后再通过色坐标计算色温。

代码实现

为了能更直观地看到光谱数据，我用Processing写了一个程序。

向上滑动阅览

/***************************************************************************

Created by dbc0301

***************************************************************************/

import processing.serial.*;

Serial port;

PFont myFont;

int tmp;

//int begin='$';//begin

int end='\r';//end

char rev[] = new char[15];//datas

int revFlag=0;

int[] data=new int[10];//F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7,F8,Clear,NIR

//int F1,F2,F3,F4,F5,F6,F7,F8,Clear,NIR;

//刺激函数

float[] Fx={0.07763, 0.34806, 0.09564, 0.02910, 0.51205, 1.02630, 0.64240, 0.04677};

float[] Fy={0.00218, 0.02980, 0.13902, 0.60820, 1.00000, 0.75700, 0.26500, 0.01700};

float[] Fz={0.37130, 1.78260, 0.81295, 0.11170, 0.00575, 0.00110, 0.00005, 0.00000};

int textHight=25;

float rt=1;//长度缩放比例

void receiveDatas(){

for(int i=0;port.available()>0;i++){

tmp=port.read();

if(tmp!=end){

rev=char(tmp);

}else{

rev=char(tmp);

revFlag=1;

tmp=port.read();

break;

}

void setup(){

//size(1074,241);

size(1250,301);

background(0);//white255 black0

noStroke();

myFont = createFont("微软雅黑", 20);

textFont(myFont);

println(Serial.list()[0]);

port = new Serial(this,Serial.list()[0],115200);

}

void draw(){

receiveDatas();

if(revFlag==1){

String[] m=match(new String(rev), "(.*?):(.*?)\r");//正则表达式匹配

//printArray(m);

try{

if(m[1].equals("F1")){

data[0]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("F2")){

data[1]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("F3")){

data[2]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("F4")){

data[3]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("F5")){

data[4]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("F6")){

data[5]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("F7")){

data[6]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("F8")){

data[7]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("Clear")){

data[8]=int(m[2]);

}else if(m[1].equals("NIR")){

data[9]=int(m[2]);

}else{

print("Wrong datas!");

}

}catch(NullPointerException e){

println(rev);

printArray(m);

}finally{}

revFlag=0;

//printArray(data);

//delay(10);

}

/*显示*/

//rectMode(CORNER);

background(0);

textSize(20);

fill(#8b3dc5);

rect(0,0,data[0]*rt,30);//F1

text(data[0], data[0]*rt, 0+textHight);//textHeight是文字的垂直高度

fill(#00528e);

rect(0,30,data[1]*rt,30);//F2

text(data[1], data[1]*rt, 30+textHight);

fill(#00b1ed);

rect(0,60,data[2]*rt,30);//F3

text(data[2], data[2]*rt, 60+textHight);

fill(#01ffcd);

rect(0,90,data[3]*rt,30);//F4

text(data[3], data[3]*rt, 90+textHight);

fill(#00af50);

rect(0,120,data[4]*rt,30);//F5

text(data[4], data[4]*rt, 120+textHight);

fill(#ffff01);

rect(0,150,data[5]*rt,30);//F6

text(data[5], data[5]*rt, 150+textHight);

fill(#ffc000);

rect(0,180,data[6]*rt,30);//F7

text(data[6], data[6]*rt, 180+textHight);

fill(#c10005);

rect(0,210,data[7]*rt,30);//F8

text(data[7], data[7]*rt, 210+textHight);

fill(#ffffff);

rect(0,240,data[8]*rt,30);//Clear

text(data[8], data[8]*rt, 240+textHight);

fill(#888888);

rect(0,270,data[9]*rt,30);//F8

text(data[9], data[9]*rt, 270+textHight);

//delay(1);

/*色温*/

float X,Y,Z,x,y,n,temp;

X=(data[0]*Fx[0] + data[1]*Fx[1] + data[2]*Fx[2] + data[3]*Fx[3] + data[4]*Fx[4] + data[5]*Fx[5] + data[6]*Fx[6] + data[7]*Fx[7]);//20/1000;//20是积分区间，1000是为了将数值转换成0-1之间的实数

Y=(data[0]*Fy[0] + data[1]*Fy[1] + data[2]*Fy[2] + data[3]*Fy[3] + data[4]*Fy[4] + data[5]*Fy[5] + data[6]*Fy[6] + data[7]*Fy[7]);//20/1000;//但在这里乘上这个数没什么意义，反正在下一步就约掉了

Z=(data[0]*Fz[0] + data[1]*Fz[1] + data[2]*Fz[2] + data[3]*Fz[3] + data[4]*Fz[4] + data[5]*Fz[5] + data[6]*Fz[6] + data[7]*Fz[7]);//20/1000;

x=X/(X+Y+Z);

y=Y/(X+Y+Z);

n=(x-0.3320)/(0.1858-y);

temp=437*n*n*n+3601*n*n+6831*n+5517;

print(temp);

println("K\n");

}

以及对应的Arduino程序

向上滑动阅览

#include "DFRobot_AS7341.h"

DFRobot_AS7341 as7341;

void setup(void)

{

Serial.begin(115200);

//Detect if IIC can communicate properly

while (as7341.begin() != 0) {

Serial.println("IIC init failed, please check if the wire connection is correct");

delay(1000);

}

// //Integration time = (ATIME + 1) x (ASTEP + 1) x 2.78µs

// //Set the value of register ATIME, through which the value of Integration time can be calculated. The value represents the time that must be spent during data reading.

as7341.setAtime(29);

// //Set the value of register ASTEP, through which the value of Integration time can be calculated. The value represents the time that must be spent during data reading.

as7341.setAstep(599);

// //Set gain value(0~10 corresponds to X0.5,X1,X2,X4,X8,X16,X32,X64,X128,X256,X512)

as7341.setAGAIN(2);//测试时用2

// //Enable LED

// //as7341.enableLed(true);

// //Set pin current to control brightness (1~20 corresponds to current 4mA,6mA,8mA,10mA,12mA,......,42mA)

// //as7341.controlLed(10);

}

void loop(void)

{

DFRobot_AS7341::sModeOneData_t data1;

DFRobot_AS7341::sModeTwoData_t data2;

//Start spectrum measurement

//Channel mapping mode: 1.eF1F4ClearNIR,2.eF5F8ClearNIR

as7341.startMeasure(as7341.eF1F4ClearNIR);

//Read the value of sensor data channel 0~5, under eF1F4ClearNIR

data1 = as7341.readSpectralDataOne();

Serial.print("F1:");//(405-425nm)

Serial.println(data1.ADF1);

Serial.print("F2:");//(435-455nm)

Serial.println(data1.ADF2);

Serial.print("F3:");//(470-490nm)

Serial.println(data1.ADF3);

Serial.print("F4:");//(505-525nm)

Serial.println(data1.ADF4);

Serial.print("Clear:");

Serial.println(data1.ADCLEAR);

Serial.print("NIR:");

Serial.println(data1.ADNIR);

//delay(50);

as7341.startMeasure(as7341.eF5F8ClearNIR);

//Read the value of sensor data channel 0~5, under eF5F8ClearNIR

data2 = as7341.readSpectralDataTwo();

Serial.print("F5:");//(545-565nm)

Serial.println(data2.ADF5);

Serial.print("F6:");//(580-600nm)

Serial.println(data2.ADF6);

Serial.print("F7:");//(620-640nm)

Serial.println(data2.ADF7);

Serial.print("F8:");//(670-690nm)

Serial.println(data2.ADF8);

Serial.print("Clear:");

Serial.println(data2.ADCLEAR);

Serial.print("NIR:");

Serial.println(data2.ADNIR);

delay(50);

}

其中的as7341.setAGAIN(2)可以调节数值的增益。光线较暗的环境下也可以通过调整as7341.setAtime(29)和as7341.setAstep(599)里面的数值来增加积分时间。

下面是测试的效果图，从上到下的十根色柱分别是传感器的F1-F8、无滤镜通道，以及红外通道。同时下面还在不停打印计算出来的色温值，由于传感器本身精度，而且也未经过专业仪器校准，可能会有几百开尔文的误差，结果仅供参考。

测试部分

用快递箱改装的试验箱

下面是参赛选手

已知数据

首先上场的是1号选手——25W白炽灯,可以看出光谱的曲线非常平滑，而且红外的成分非常高，看起来超出了传感器的测量范围，色温大致在2650K左右波动。

测试后，整个测试箱都是温热的，可见25W的功率绝大部分都被转换为了热量。

接下来是2号至4号LED，之所以放在一起是因为它们都出自同一个厂家。从光谱上可以看到这组灯泡在435-455nm的波段不约而同的有一个小尖刺。2号的色温大致在4700K，和标注的6000K差一大段距离，3号色温在4750K左右浮动，4号则4830K上下，可见它们很有可能采用了同一种LED灯珠。

2号

3号

4号

下面是5号荧光灯，虽然标注着5W，然而从光谱上看好像还不如3W的LED亮，能效比堪忧啊。然而荧光灯刚打开时数值不是很稳定，看起来还没有进入状态，过了3-5分钟后，亮度稍有提升，但还是远低于3W的LED。

未进入状态

3-5分钟后

最后一名选手是宜家的5W2700K的LED，实测2680K左右，看来还是挺准的。作为选手中最贵的灯泡，它有着最平滑的光谱曲线。

闪烁频率

AS7341传感器还具有测量光源闪烁频率的功能，不过只能得出无闪烁、50HZ、60HZ和位置频率闪烁这四种结果，我用传感器分别测量了每个灯泡的闪烁频率，发现它们都以50Hz在闪烁，这是因为我国交流电是50Hz的，然而同样是在闪烁，但它们给人的感受是不同的。用手机调高快门或是开启慢镜头摄影后发现，最便宜的2号LED灯闪的厉害，而且偏冷的色温让人有炫光的感觉，最好的是6号LED，基本上察觉不到在闪烁。这是因为2号LED采用的是阻容降压，几乎没有过滤掉交流电里的交流分量，而6号LED采用专业的恒流驱动芯片，可以将交流分量控制在很小的范围。而普通的白炽灯由于没有任何滤波电路，在手机镜头下也是在快速闪烁，但是却没有2号LED闪烁那么刺眼。(以下图片均是在x32的慢镜头下拍摄)

2号LED

6号LED

1号白炽灯

综上所述，LED光能转化率完爆其它灯泡，但为了节省成本，不少厂家都会选用显色率低的普通灯珠，而且没有恒流电路，结果LED产生很大的闪烁，一般选择大厂生产的灯泡即可，不要贪图便宜。另一方面，日常使用时可以选择色温偏暖的灯泡，虽然这样会让周围的一切看起来发黄发红，但是对人眼刺激小，不易产生炫光。
假如是摄影之类，为了还原物体的真实色彩，也可以选用5600K高显色指数的灯泡。

参考资料