1 引言

棉花顏色級(jí)分級(jí)是按照標(biāo)準(zhǔn)確定棉花質(zhì)量等級(jí)的一項(xiàng)重要工作，是基于外觀，用視覺感官檢驗(yàn)棉花樣品的顏色、軋工等指標(biāo)來完成的，是棉花檢驗(yàn)員依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將棉花各相關(guān)顏色影響因素整合到棉花顏色級(jí)別描述的過程。棉花分級(jí)室中使用人工照明是模擬北緯地區(qū)適度多云情況下的理想日光條件，其照明質(zhì)量是棉花顏色級(jí)分級(jí)感官評(píng)定的重要影響因素[1-3]，不僅要求均勻穩(wěn)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(biāo)條件。因此分級(jí)室中的照明質(zhì)量既是棉花分級(jí)感官評(píng)定的重要因素，也是評(píng)判軋工質(zhì)量的重要條件，并且是與棉花產(chǎn)供銷經(jīng)濟(jì)利益密切相關(guān)的一項(xiàng)關(guān)鍵要素。

2 模擬晝光的色溫和標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)，是一種光譜反應(yīng)。同一物體的反射光譜是確定的，當(dāng)不同光源照射同一物體時(shí)，由于光源光譜存在差異會(huì)導(dǎo)致物體呈現(xiàn)不同的顏色，需要標(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)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(huì)CIE（Commission Internationale de L'Eclairage）為統(tǒng)一顏色測(cè)量規(guī)定了一系列標(biāo)準(zhǔn)光源，其光照特性為近似CIE 標(biāo)準(zhǔn)照明體的人造光源。標(biāo)準(zhǔn)照明體是指具有與某一時(shí)刻的晝光相對(duì)光譜功率分布相同或近似的照明體。美國在棉花分級(jí)室模擬晝光研究中[3]，早期試驗(yàn)采用的是在CIE標(biāo)準(zhǔn)光源的6700K色溫條件下進(jìn)行的。但是，根據(jù)研究結(jié)果表明，在6700K色溫條件下棉花顏色偏黃，試驗(yàn)的結(jié)論是采用7500K的光可以獲得完全滿意的結(jié)果，即模擬晝光D75光源，標(biāo)準(zhǔn)光源中等同于北緯地區(qū)北向適度多云的天空條件，其色溫為7504K，波長為400nm～700nm，現(xiàn)今已成為世界各個(gè)國家棉花分級(jí)室模擬晝光的共同選擇。D75標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線見圖1。

圖1 D75標(biāo)準(zhǔn)光譜圖

3 基于LED光源的棉花分級(jí)室D75模擬晝光照明系統(tǒng)研究

3.1 設(shè)計(jì)原理

結(jié)合光學(xué)結(jié)構(gòu)以及電控設(shè)計(jì)，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(jié)構(gòu)，內(nèi)部為光學(xué)腔體，實(shí)現(xiàn)光的傳導(dǎo)和混勻，光源箱底部安裝有光學(xué)擴(kuò)散板，實(shí)現(xiàn)光的進(jìn)一步勻化處理。光源箱同時(shí)具有散熱器、可調(diào)電源和安裝固定附屬結(jié)構(gòu)。技術(shù)核心是實(shí)現(xiàn)D75標(biāo)準(zhǔn)光譜的擬合，利用特殊設(shè)計(jì)的LED產(chǎn)生基本光譜，再利用一定的光學(xué)結(jié)構(gòu)和材料實(shí)現(xiàn)光能的輸出，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的基本要求。同時(shí)在結(jié)構(gòu)和供電上進(jìn)行匹配性設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)整體安全可靠、穩(wěn)定便捷。見圖2、圖3。

圖2 D75模擬晝光照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（1）

圖3 D75模擬晝光照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（2）

D75模擬晝光照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理是采用了直下式光路結(jié)構(gòu)（圖4）。直下式照明結(jié)構(gòu)自上而下分為三層：頂部的LED燈珠陣列發(fā)光單元、光混合腔體結(jié)構(gòu)、光擴(kuò)散結(jié)構(gòu)。燈珠的陣列形式和規(guī)模依據(jù)燈箱總功率、LED燈珠功率、數(shù)量以及結(jié)構(gòu)相關(guān)特性確定。光學(xué)結(jié)構(gòu)主要是設(shè)計(jì)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(kuò)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(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)

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(biāo)準(zhǔn)發(fā)光體。結(jié)合光學(xué)結(jié)構(gòu)和相應(yīng)材料的透過、吸收選擇獲得目標(biāo)光譜。光譜質(zhì)量和分布匹配良好，接近標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線，顏色質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的允差為±200K顏色相關(guān)色溫，達(dá)到并超出了美國ASTMD1684標(biāo)準(zhǔn)的要求，保證了照明質(zhì)量。

圖5 模擬晝光光譜與D75標(biāo)準(zhǔn)光譜匹配特性

3.3 照度

美國在關(guān)于照度和色溫的研究中[3]提出了從“very good”到“very poor”的5級(jí)對(duì)比分析（圖6），這些數(shù)據(jù)同時(shí)配合了美國棉花分級(jí)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(jié)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(shù)據(jù)。

圖6 美國棉花分級(jí)室的照度與色溫對(duì)比數(shù)據(jù)

試驗(yàn)中，我們選取了（750±100）l x、（1100±100）lx、（1600±100）lx三個(gè)區(qū)間的照度條件，由30名棉檢員，使用棉花顏色級(jí)樣品（盲樣），同時(shí)配合主觀描述，進(jìn)行了對(duì)照試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。在7500K色溫條件下不同照度區(qū)間，隨機(jī)選取棉花檢驗(yàn)員的棉花樣品（盲樣）檢測(cè)結(jié)果如表2所示。根據(jù)對(duì)照試驗(yàn)的結(jié)果并結(jié)合棉花檢驗(yàn)員的主觀描述，可以看出，相比于相對(duì)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(yàn)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(shí)，在照度適中條件下，據(jù)棉花檢驗(yàn)員的主觀描述，棉花樣品的反射率差異會(huì)更加明顯，棉花檢驗(yàn)員的目光感官對(duì)棉花反射率的區(qū)分會(huì)更加容易。

表1 在7500K色溫條件下不同照度區(qū)間棉花檢驗(yàn)員的主觀描述

表2 不同棉花檢驗(yàn)員對(duì)棉花樣品（盲樣）檢測(cè)結(jié)果 %

3.4 色溫和照度的穩(wěn)定性

當(dāng)光源的色品與某一溫度下完全輻射體的色品相同時(shí)，該完全輻射體的絕對(duì)溫度為此光源的色溫。經(jīng)過對(duì)模擬晝光照明系統(tǒng)的200小時(shí)連續(xù)工作的試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄（圖7），色溫與照度指標(biāo)穩(wěn)定、可靠。

圖7 200小時(shí)連續(xù)工作的色溫與照度

3.5 顯色指數(shù)

顯色指數(shù)（Ra）是光源顯色性的度量，是照明燈具的重要指標(biāo)，以被測(cè)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(shù)，顯色指數(shù)越高，光源的顯色性越好，對(duì)物體的色彩還原能力越強(qiáng)。以1965年國際照明委員會(huì)（CIE）推薦的一般顯色指數(shù)為依據(jù)，顯色指數(shù)應(yīng)不低于92。

高顯指的光源光譜必然是連續(xù)光譜，顯色指數(shù)的評(píng)價(jià)實(shí)質(zhì)是對(duì)照明光源的光譜與標(biāo)準(zhǔn)光譜的匹配度進(jìn)行評(píng)價(jià)的問題，兩者匹配度越高則顯色指數(shù)越高，如圖5所示。試驗(yàn)中的模擬晝光照明系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn)光譜的與CIE D75標(biāo)準(zhǔn)光譜（400nm～700nm）在50nm區(qū)間和20nm區(qū)間內(nèi)的匹配度。在50nm波段區(qū)間的偏差均小于5%（絕對(duì)值），而且在20nm區(qū)間內(nèi)絕大部分匹配度偏差也小于5%（絕對(duì)值），匹配度非常好，因此其顯色指數(shù)與D75標(biāo)準(zhǔn)光譜的顯色指數(shù)Ra100非常接近。

圖8是試驗(yàn)采用的模擬晝光照明系統(tǒng)顯色指數(shù)各評(píng)價(jià)區(qū)域光譜匹配性（圖8左）與顯色指數(shù)為92.4的參照系統(tǒng)（圖8右）的對(duì)比圖。顯而易見，左圖中的模擬晝光照明系統(tǒng)的顯色指數(shù)除R9為97外，均不低于98，Ra達(dá)99.0。試驗(yàn)采用的模擬晝光照明系統(tǒng)各評(píng)價(jià)區(qū)域光譜匹配性非常均衡。

圖8 顯色指數(shù)各評(píng)價(jià)區(qū)域光譜匹配性對(duì)比

4 環(huán)境色

棉花分級(jí)室內(nèi)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(qū)域進(jìn)行分級(jí)）會(huì)對(duì)分級(jí)室內(nèi)的照明條件有較大影響，對(duì)于反射光的量和涉及到的亮度對(duì)比都有影響。試驗(yàn)證明，棉花分級(jí)室應(yīng)被粉刷為中性色，以便沒有一種彩色相對(duì)于另一種彩色被增強(qiáng)或減弱。中性色覆蓋范圍包括白色、灰色至黑色。所有在分級(jí)室使用的灰色應(yīng)為真正的中性色，也就是沒有任何色調(diào)的痕跡，灰色明度依賴于照射到分級(jí)室和到達(dá)分級(jí)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(jí)員站立的墊子應(yīng)為黑色，分級(jí)臺(tái)應(yīng)為淺灰色，臺(tái)面應(yīng)為黑色。在棉花分級(jí)過程中，包裹樣品的紙張應(yīng)被折疊在棉樣下方。在中性色背景中，棉花在藍(lán)色紙張上會(huì)看起來偏白，在棕色紙張上會(huì)看起來偏灰。

5 結(jié)果討論

與國際標(biāo)準(zhǔn)和美國標(biāo)準(zhǔn)一致，我國棉花分級(jí)室是采用人工照明模擬北緯地區(qū)適度多云情況下的理想日光條件。棉花分級(jí)室的照明質(zhì)量是棉花顏色級(jí)分級(jí)感官評(píng)定的重要影響因素，不僅要求均勻穩(wěn)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(biāo)條件。我國的棉花分級(jí)室國家標(biāo)準(zhǔn)與ISO標(biāo)準(zhǔn)和美國等發(fā)達(dá)國家標(biāo)準(zhǔn)一致，均采用了1965年國際照明委員會(huì)（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(jí)室D75模擬晝光照明系統(tǒng)，其色溫約為7500K，波長為400nm～700nm，光譜能量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。顯色指數(shù)不低于97，Ra可達(dá)99，各評(píng)價(jià)區(qū)域光譜匹配性非常均衡。模擬晝光光譜質(zhì)量和分布匹配接近標(biāo)準(zhǔn)光譜曲線，允差在±200K顏色相關(guān)色溫以內(nèi)。在燈具安裝時(shí)，照度調(diào)節(jié)范圍能夠到達(dá)到（600～2500）lx，為棉花分級(jí)室模擬晝光照明質(zhì)量的分析與研究提供了可靠的試驗(yàn)保證。通過對(duì)照試驗(yàn)確定了棉花分級(jí)室（1100±100）lx的最佳照度值。此外，棉花分級(jí)室模擬晝光光線應(yīng)被廣泛地漫射，并有足夠的方向性，使棉花檢驗(yàn)人員觀察樣品時(shí)有深度感。照明條件應(yīng)在整個(gè)棉花分級(jí)室的工作區(qū)域內(nèi)盡可能一致，應(yīng)沒有強(qiáng)光和交叉布光，光源和其周圍環(huán)境的亮度對(duì)比應(yīng)保持在最小限度。