CN102997992A

CN102997992A - 一种光剂量计

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Publication number: CN102997992A
Application number: CN2012104858991A
Authority: CN
Inventors: 居家奇; 陈枕流; 张万路; 梁荣庆
Original assignee: Fudan University
Current assignee: Fudan University
Priority date: 2012-11-26
Filing date: 2012-11-26
Publication date: 2013-03-27
Anticipated expiration: 2032-11-26
Also published as: CN102997992B

Abstract

本发明属于光辐射测量技术领域，具体为一种用于测量累积光辐射能量的光剂量计。该光剂量计包括光接收模块，光电转换模块，人机交互模块。发光体发射光辐射照射到光接收模块，光辐射通过余弦修正探头及可替换的修正滤光片模组，形成有效测试光辐射。有效测试光辐射进入光电转换模块，照射到带聚光透镜的光电池转化为电参数，传输至光能积分模块，通过带存储功能的微处理器处理后获得累积电能信息并转化为光剂量信息通过数据控制线传输至人机交互模块。本发明能直观测量有效光辐射能量值，并具有很大的扩展性。

Description

一种光剂量计

技术领域

本发明属于光辐射测量技术领域，具体为一种用于测量累积光辐射能量的光剂量计。

背景技术

2002年，本征感光视网膜神经节细胞（ipRGC）的发现将照明领域的研究从视觉范畴内的研究拓展至非视觉领域。对于照明光生物效应的定量评价与检测，目前所有的光学测试仪器都无法实现，原因在于光生物效应的光谱响应曲线与传统的明视觉函数V(λ)存在较大差异。另外，照明的光生物效应不单对于人体作用，对于动植物同样具有影响，植物生长需要光合作用，而植物的光谱响应曲线与V(λ)的差异更大。

在光度学测试中，我们通常用光通量Ф(单位lm)来表征光量的多少，光通量是指单位时间内光辐射能量的大小，光通量是说明光源发光能力的基本量。光通量一般是用来描述发光体性能指标的参数，由光通量引出与其相对应的光度学参数光强I(单位cd)和亮度L（cd/m²）与光通量一样，其实都是用于描述发光体，如光源、灯具或二次发光体（例如道路照明中的路面）发光性能的光度学参数，在照明光环境的评价中常常被误用或混用。真正用于实际评价接受到多少光照的参数是照度E，单位勒克斯（lx），表示单位面积接受到的光通量。从量纲上来考察，光通量单位流明（lm）相当于功率（W），而照度单位勒克斯（lx）相当于功率密度（W/m²），这些光参数均没有与时间相关的参量，都是描述单位时间的物理量，即都是表述的瞬态值。由于照明的光生物效应不仅与光照强度，光谱能量分布有关，同时还与光照的持续时间有关，所以传统照明光度学测试内容往往不能直接表达所要测试的具体光信息。

由于照明光生物效应与光照持续时间紧密相关，应使用人眼实际在某一时间段内接收到的光通量大小来进行评价，即应该采用光剂量或光剂量密度来描述，其单位量纲应该与能量单位焦耳（J）相对应，可以用流明∙秒，或勒克斯∙秒来表示。人体接收了多少剂量的光，进而引起相应程度的生物效应，这不仅从逻辑关系上更容易被理解，也与实际实验结果输入输出相匹配。如果我们用D来表示光剂量，其具体表达式可以写成光通量在时间轴上的积分，对于照明的光生物效应作相应的光度学评价测试时，由于对应的光谱响应峰值波长已经远远偏离555nm，故而Km的数值以及能量分配“权重”函数也应发生相应响应的变化，由此可以得到用以照明非视觉生物效应评价的有效光剂量D_B如式1所示。

式1

考虑到与传统光度学用以评价接受光照的参数照度对应，可以使用实际照明光环境中的有效光剂量密度来表示。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直观的、可扩展的用以测定引起人体或其他动植物光生物效应的实际光辐射剂量的光剂量计。

本发明所提供的光剂量计，由光接收模块100，光电转换模块200和人机交互模块300组成。

其中，所述光接收模块100包括余弦修正探头101和可替换的修正滤光片模组102，且沿着光辐射输入方向依次排列；所述光电转换模块200包括带聚光透镜的光电池201、光能积分模块202和带存储功能的微处理器203；所述人机交互模块300包括显示单元301和控制面板302；

所述光电转换模块200和人机交互模块300之间设置有数据控制线40，通过数据控制线连接并传输数据。

其中，发光体10发射光辐射20照射到光接收模块100，光辐射依次通过余弦修正探头101和可替换的修正滤光片模组102，光源光谱按照修正模组的光谱响应曲线形成有效测试光辐射30，然后进入光电转换模块200。

在光电转换模块200中，有效测试光辐射30照射到带聚光透镜的光电池201，光电池201将一定波长和强度的光辐射转化为对应强度的电参数，所得到的电参数传输至光能积分模块202，积分模块202所累积的电能信息再通过带存储功能的微处理器203处理后，获得累积电能信息并转化为光剂量信息，通过数据控制线40传输至人机交互模块300。

在人机交互模块300中，所述光剂量信息可在显示单元301显示，同时可以通过数据控制线40，控制面板302对光电转换模块200设置测量起始、结束时间，单次采样光辐射能量积分时间，执行开始、停止、清零、存储等操作。如图1所示。

本发明中，所述可替换修正滤光片模组102用于提取有效光辐射，即将实际照明光环境中的光谱信息通过滤光修正的形式，提取实际所需测量部分的光辐射信息；其可以是国际照明学会CIE定义的传统明视觉V(λ)或暗视觉V’(λ)光视光效函数修正滤光片；或者，替换为以人体光生物效应光谱响应函数修正滤光片，可以根据所考察的不同光生物效应生理参数指标来确定不同的光谱响应函数修正模组；再或者，替换为植物生长光谱响应函数修正滤光片，根据植物生长不同的生长周期所需要不同的照射光谱来修正滤光片模组；另外还可以直接使用中性滤光片模组，测试不加修正的全光谱光辐射信息。在实际使用过程中，一套测试设备可配备若干组修正滤光片模组，预制对应的定标数据进系统，既可以方便地选择替换不同种类的光剂量信息。

本发明中，所述光电转换模块200具有用于测量累积光辐射能量的光能积分模块202，不仅可以测定瞬态的光辐射能量强度，同时根据测试需要，还可以测定一段时间内的累积光能量值。可以直观简便地获得人体或其他动植物在特定时间段内所接收到的光辐射剂量。

本发明中，所述处理器203具有带存储功能，其主要功能包括预先存储不同滤光片模组对应的光谱定标函数，采集光能积分模块的电参数并根据定标函数计算转化成光参数输出，存储相应的光辐射测试数据条目供查询使用。

本发明中，人机交互模块300包含控制面板302，可以对带存储功能微处理器203操作查询和控制命令，另外可以直接接入现场照明系统，用以反馈控制调节现场照明光环境的光谱和强度。

本发明的优点在于：本发明中的光剂量计由于增加光能积分模块，可以直观地测量一段时间内的实际有效光辐射能量值，而传统光度测试仪器都只是测试光辐射能量的瞬态功率；另外，由于本发明中的光剂量计主要应用在照明的非视觉生物效应领域的测试，如人体光生物效应，植物生长光合作用等，其滤光片设置模组可根据需要调整更换，而传统光度测试仪器几乎全部采用国际照明学会CIE定义的明视觉光谱光视效率函数V(λ)作为滤光片修正模组，主要考察的是照明的视觉效果；其三，本发明中的光剂量计人机交互模块存在可扩展性，显示控制终端即可以单独地构成测试仪器的一部分，同时也可以扩展成为现场照明系统的反馈部分，根据实际采样测试值，可以反馈调节照明现场的灯具光输出。

附图说明

图1为本发明光剂量计构成示意图。

图中标号：10为发光体，20为光辐射，100为光接收模块，101为余弦修正探头，102为修正滤光片模组，30为有效测试光辐射，200为光电转换模块，201为带聚光透镜的光电池，202为光能积分模块，203为带存储功能的微处理器，40为数据控制线，300为人机交互模块，301为显示单元，302为控制面板。

图2为不同的修正滤光片模组对应的光谱响应函数。

图中标号：V(λ)为明视觉光谱光视效率函数，C(λ)为基于人眼瞳孔收缩的光谱影响函数，B(λ)为基于人体褪黑素抑制作用的光谱响应函数。

具体实施方式

如图1为本发明的实施例示意图。主要由光接收模块100，光电转换模块200以及人机交互模块300组成。发光体10发光形成了照明光环境，光辐射20照射到余弦修正探头101及可替换的修正滤光片模组102，其中余弦修正探头101采用180度视场角光学级高反射率的白色漫反射材料，可以保证探头不仅仅接收直射光辐射，还可以接收180度内各个方向照射到探头的光辐射，修正滤光片模组102采用带通滤光玻璃，根据特定的光谱响应曲线组合而成，滤去光辐射20中无效的光谱成分，保留有效的光谱成分，光辐射20透过修正滤光片模组102就形成有效测试光辐射30。图2给出了三组不同的滤光片模组修正的光谱响应函数。

有效测试光辐射30照射到带聚光透镜的光电池201转化为电参数，光电池201采用硅光或硒光电池，光电池在接收到光辐射后，会形成电流传输至光能积分模块202，积分模块可以通过电子式电能计实现，或者是通过RC积分电路的硬件实现积分，持续的光辐射会引起光电池持续电能输出，通过电能计或硬件积分电路实现电能的储存，电能储存的数值大小通过预先标定，即可以表达为连续光辐射的剂量数值大小。根据所需测定的时间段，带存储功能的微处理器203自动设定对应的采样周期和处理周期，将采样所得的电参数信息通过程序计算转化为光剂量信息输出。

数据控制线40包含数据传输线和控制命令传输线组成，采用串行方式传输，数据传输线将微处理器203存储或运算获得的数据信息传输至人机交互模块300。被测光剂量信息可在显示单元301显示。同时控制面板302可以通过数据控制线40的控制命令传输线对带存储功能的微处理器203发出数据读取指令，测试开始、停止指令，测试数据清零、存储指令，修正滤光片模组响应函数选调指令，积分时间设定指令等相关操作指令。

Claims

1. 一种光剂量计，其特征在于主要由光接收模块（100），光电转换模块（200）和人机交互模块（300）组成；

其中，所述光接收模块（100）包括余弦修正探头（101）和可替换的修正滤光片模组（102），且沿着光辐射输入方向依次排列；所述光电转换模块（200）包括带聚光透镜的光电池（201）、光能积分模块（202）和带存储功能的微处理器（203）；所述人机交互模块（300）包括显示单元（301）和控制面板（302）；

所述光电转换模块（200和人机交互模块（300）之间设置有数据控制线（40），通过数据控制线（40）连接并传输数据；

其中，发光体（10）发射光辐射（20）照射到光接收模块（100），光辐射依次通过余弦修正探头（101）和可替换的修正滤光片模组（102），光源光谱按照修正滤光片模组的光谱响应曲线形成有效测试光辐射（30），然后进入光电转换模块（200）；

在光电转换模块（200）中，有效测试光辐射（30）照射到带聚光透镜的光电池（201），光电池（201）将一定波长和强度的光辐射转化为对应强度的电参数，所得到的电参数传输至光能积分模块（202），积分模块（202）所累积的电能信息再通过带存储功能的微处理器（203）处理后，获得累积电能信息并转化为光剂量信息，通过数据控制线（40）传输至人机交互模块（300）；

在人机交互模块（300）中，所述光剂量信息可在显示单元（301）显示，同时通过数据控制线（40），控制面板（302）对光电转换模块（200）设置测量起始、结束时间，单次采样光辐射能量积分时间，执行开始，停止，清零，存储操作。

2. 根据权利要求1所述的光剂量计，其特征在于光接收模块（100）包含用于提取有效光辐射所述的可替换修正滤光片模组（102），该滤光片模组为传统的明视觉或暗视觉光视光效函数修正滤光片；或者根据实际检测需要，替换以人体光生物效应光谱响应函数修正滤光片，或植物生长光谱响应函数修正滤光片；或者直接使用中性滤光片模组测试不加修正的全光谱光辐射信息。

3. 根据权利要求1所述的光剂量计，其特征在于所述的可替换修正滤光片模组（102）是直接使用中性滤光片模组，测试不加修正的全光谱光辐射信息。