CN104111111A

CN104111111A - 一种波段相对强度探测的光电装置

Info

Publication number: CN104111111A
Application number: CN201310133933.3A
Authority: CN
Inventors: 刘红超; 刘知常
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-04-17
Filing date: 2013-04-17
Publication date: 2014-10-22

Abstract

本发明涉及一种波段相对强度探测的光电装置，包括最少一组波段选择单元、最少两组光电传感单元、电信号处理单元、信号反应单元、电源，所述波段选择单元位于入射光的一侧，最少一组光电传感单元位于波段选择单元出射光的一侧，电信号处理单元与光电传感单元电连接。本发明便于使用者及时了解所处环境中该波段组分是否超出或低于设定范围，以便调整或规避所处的光环境；同时为后续如报警器或光环境控制器提供信息，本发明器件体积小，集成度高，具有较高的可靠性，结构简单，配置灵活，适应范围广。

Description

一种波段相对强度探测的光电装置

技术领域

本发明涉及光电技术，具体涉及光电传感器技术，特别是探测光谱中特定波段的相对强度，以确定特定波段强度是否超出或低于设定值，并做出响应，提醒使用者避免进入特定波段强度超标的环境中，减少可能的伤害，并改变所处的光环境。该装置可广泛用于日常生活中检测蓝光、紫外光等有潜在危害的光谱检测，用于保护人体，特别是儿童以及特殊光波段敏感人群远离这些伤害，也可以用于动植物生长的光环境控制。

背景技术

以LED为代表的新一代节能照明技术日益受到各国政府和民间的关注。相比较传统的光源，LED既能大幅降低能耗，又能减少传统节能灯中汞等有害物质带来的环境污染。随着政府各项绿色照明政策的落实和LED产业链的完善所带来的成本降低，LED照明走进普通民众家庭的步伐正在加快。但是在享受LED节能的同时，LED照明技术存在的一些问题也更加引起人们的重视，这些问题包括LED照明中控制技术所带来光闪烁，富蓝光所带来的隐患，如蓝光对眼睛以及特定人群产生的伤害、蓝光对名画颜色的破坏以及蓝光对人体生物钟带来的影响。如果不能有效地解决这些问题或者甚至忽视这些问题的存在，将对LED这一节能技术的推广使用带来一定的负面影响。

每一种光源都有存在特殊的光谱分布，即发光波长和发光强度的关系。图1同时列出了目前几种主要的人工照明光源，白炽灯，荧光灯，以及刚开始进入照明领域的白光LED。自然光最大的来源就是太阳，经过大气层的吸收和粉尘颗粒的散射之后，透过常规建筑玻璃的光谱分布见图1a。可以看出，自然光的最重要特点就是连续从短波长的蓝光到长波长的红外光波谱分布，紫外光等波长较短能量较高大部分被大气层所吸收，尤其是在室内经过建筑玻璃后，进一步被吸收。经过人类历史的长期进化，人类的眼睛和生物钟都适应了这种光谱分布。白炽灯是最近这种分布的电光源，如图1b，其光谱分布一直受到人们的喜爱，但是能源转换效率较低。目前大量使用的荧光灯虽然节能些，但由于含有污染物质汞而促使人们寻求逐步替换的发光技术，比如LED。相比较白炽灯和荧光灯等传统光源，LED发光的特点是电能转化效率高、单色性强即每一个LED发出的光谱都特别窄。常用的LED光源即所谓白光LED是由蓝色LED加上黄色荧光粉制成的，蓝色LED发出的蓝光和其激发黄色荧光粉所发出的黄光总和即我们眼睛所看到的白光，其光谱分布如图1d中所示。这种LED光源光谱分布的一个最大特点是其高能量蓝光成分相对强度高，即富蓝光或者称之为蓝光溢出，色温偏高，演色性也不好。照明中大量的高能量蓝光会对人和动物的眼底视神经细胞带来不可修复的伤害，会导致青光眼等眼底疾病。如果这种富蓝光用于艺术照明，还会对油画中的染料造成不可逆的变化，损害名画，欧洲的著名博物馆已经发现了这种伤害。另外，蓝光所处的光波段是生物钟敏感波段，能影响人和动物的睡眠周期，长期使用打乱生物钟。为了能使人们安全可靠放心地使用节能的LED技术，一方面努力降低LED照明中蓝光在整个光谱中的相对强度，另一方面也需要一种快速简便可靠的方法提醒人们可能存在的蓝光溢出。

目前蓝光溢出的主要方法还是通过实验室检测照明灯具发射光谱的方法来实现，但这是费时费力，并需要专业设备和专业技术人员才能完成。而且这种方法只能测量少量样品，其代表性存在疑问，样品没问题了不能说明大批量产品都没问题。另一方面，LED色彩丰富的特点也给利用光谱提供了新的机会。在植物的从发芽到开花结果生长周期中，科学家已经证实了对光谱的需求是不同的，比如才发芽阶段可能需要比较丰富的绿光，在开花阶段依据花颜色的不同，可能需要补充不同颜色的光，这样有利于植物的健康快速生长。这也需要能方便监测光谱组分，以给光环境控制提供可靠的数据。因此，一种快速简便可靠低成本的特定光谱是否溢出或不足的检测装置不仅可以帮助人们避免潜在伤害，而且有利于人们选择并放心使用合格的LED产品，充分发掘LED的特点和在特殊照明方面的应用潜力，对LED产业的健康成长有着非常重要的促进作用。

本发明在研究LED光源特性基础上，结合光谱传感和电子控制技术，发明了一种检测特定波长相对强度的探测装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种波段相对强度探测的光电装置，以便使用者及时了解所处环境中该波段组分是否超出或低于设定范围，以便调整或规避所处的光环境；同时为后续如报警器或光环境控制器提供信息。

为了达到上述目的，本发明有如下技术方案：

本发明的一种波段相对强度探测的光电装置，包括最少一组波段选择单元、最少两组光电传感单元、电信号处理单元、信号反应单元、电源，

波段选择单元用于将要测量的波段从入射光中选择出来；

光电传感单元用于光信号转换为电信号，测量光谱强度；

电信号处理单元用于将由光电传感单元检出的电信号转换成能为后续器件使用或识别的电信号；

电信号反应单元实现包括：强度信号显示，存储、对超过设定范围的信号进行报警；

电源为波段选择单元、光电传感单元、电信号处理单元、电信号反应单元提供正常工作所需的电能；

所述波段选择单元位于入射光的一侧，最少一组光电传感单元位于波段选择单元出射光的一侧，电信号处理单元与光电传感单元电连接。

其中，所述波段选择单元包括光子晶体、带通滤波器、滤色片、晶体单色器、光栅单色器或者棱栅单色器。

其中，至少一组光电传感单元得到波段强度信号，至少另一组或全部传感器得到全光谱强度信号，这些信号经电信号处理单元得到波段相对强度信号。

其中，光电传感单元包括光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD、或者电荷注入传感器。

其中，光电传感单元包括单质基半导体光电传感器，如Si，Ge光电传感器，化合物基半导体光电传感器，如GaAs，CdS，GaN光电传感器。

由于采取了以上技术方案，本发明有如下优点：

1）本发明采用波段选择单元可以简单地得到目标波段光谱信号。

2）本发明采用光电传感器作为探测单元可以使装置易于实现小型化。

3）本发明采用能发出声光电或机械振动作为信号反应单元，可以使用者及时直观地感受到信号相对强度是否会在设定值范围之外。

4）本发明的光电装置结构简单，配置灵活，适应范围广。该装置既可以用于单波段相对强度测定，也可以用于多波段相对强度测定。

附图说明

图1a：自然光的光谱强度分布图；

图1b：白炽灯的光谱强度分布图；

图1c：荧光灯的光谱强度分布图；

图1d：白光LED的光谱强度分布图；

图2：本发明的结构方框图；

图3：本发明的实施例一的示意图；

图4：本发明的实施例二的示意图。

图中：1波段选择单元；2光电传感单元一；3光电传感单元二；4电信号处理单元；5信号反应单元；6电源单元。

具体实施方式

本发明就使用检测LED发光特定波段强度及应用说明本发明的实施方式

见图2，本发明的一种波段相对强度探测的光电装置，包括最少一组波段选择单元、最少两组光电传感单元、电信号处理单元、信号反应单元、电源，所述波段选择单元位于入射光的一侧，最少一组光电传感单元位于波段选择单元出射光的一侧，电信号处理单元与光电传感单元电连接；

电源单元为装置中各单元件提供工作所需的交流和/或直流电。它包括AC电源，DC电源，AC/DC，DC/DC所设计的各种线性电源和开关电源,还包括电感，电容，电池等储能元件；

波段选择单元是从入射光中将需要检测的目标波段选择出来；比如蓝光通常的波段范围在450nm左右，该单元作用就是将450nm波段范围的光谱选择出来，并投射给后续单元；波段选择单元可以采用但不限于以下几种形式：光子晶体、带通滤波器（band-pass filter）、滤色片、晶体单色器、光栅单色器或者棱栅单色器；

光电传感单元是利用光电效应将光信号转换为电信号电子器件，可供选择的光电传感单元有以下但不限于以下几种：光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD、或者电荷注入传感器CID（Charge Injection Device）；光电传感单元最少有两组，其中一组光电传感单元感测波段选择单元输出的光信号强度，其余光电传感单元感测全谱信号或者是波段选择单元以外波长光波的强度。光电传感单元的响应曲线应和波长选择单元所选择的波长相匹配，即在波段选择单元所选择的波长范围里有尽可能大的响应；如在短波长范围应选用Ge基，GaN基光电传感器，而在长波长范围应选择使用Si基光电传感器；光电传感单元的响应曲线应和要在所测波长范围内由比较均一的响应。如果该单元对不同波长有不同的响应灵敏度，还需要对该器件的响应曲线进行标定，以确保不同波长响应的一致性。而且，对波段光电传感单元和全谱波段光电传感单元间的响应曲线要做相关性标定，即确定波段传感单元在所测波长范围内对光强度信号的响应和全波段光电传感单元在相同波长范围内响应是可以比较的；所述单质基光电传感器，化合物基光电传感器，如PN的材料采用单质Ge、Si，化合物GaN、GaAs、CdS的光电二级管。

电信号处理单元再将由光电传感单元出来的电信号通过电路进一步转换成能被后续装置处理或使用的电信号后，并通过有线或无线的方式传送至后续装置；电信号处理单元通常实现但不限于以下功能：反相、模数转换、比较器、接口、信号调制和无线发射；

信号反应单元是对强度信号及其比例关系作出响应的器件；光强度电信号经处理后，可引入信号反应单元中，如采用控制器、存储器、微处理器、计算机、显示器、各种报警器等部件；通过信号反应单元，使用者可以直观地知道波段光谱信号的强度以及是否超出或低于设定值，以便作出进一步决定。

本发明中的各单元数量根据需要进行灵活配置。例如要同时测定多个波段的强度，可以配置多个波段选择器及相应的光电传感单元；测得信号既可以输出给单一报警器，也可以输出给控制系统，实现光环境的调控。

实施例一

图3本发明的一种波段相对强度探测的光电装置用作蓝光溢出报警器。本实施例采用两个光电传感器作为光电传感单元。波段选择单元采用带通滤波器，该带通滤波器对440-470nm范围的光有较强的通过，达到95%以上，而对其它波段则几乎不通过。选择光谱440-470nm范围为人体较为敏感而且LED白光器件中通常最强的一段波谱。这样通过该波段选择单元后，只留下440-470nm范围的光波。那么位于其正下方位置的光电传感器检测到的就是此范围光波谱强度。同时，另一个光电传感器探测到没有经过带通滤波器的光谱，反映该光环境中全光谱范围的光谱强度。两个传感器得到的电信号分别输入电信号处理单元，得到两部分的相对强度，并对这个值与设定值相比较，看是否超出设定值。如果超出设定值，产生报警信号，发出报警动作，提醒使用者及时作出反应。

实施例二

图4是本发明采用集成电路生产工艺制作的高度集成多波段相对强度探测的光电装置。三组波段选择单元分别采用中心波长在450nm,540nm,600nm滤光片，位于三组波段选择单元正下方的光电传感单元分别测定这三个中心波长附近波段强度。第四组光电传感单元上方没有任何滤光片，得到的是全谱范围的光线强度。对应于三组中心波长的波段相对于全谱强度由集成的电信号处理单元完成处理信号，并将这些强度信号输出至计算机，进行进一步处理。

如果三组滤光片响应波长范围互不重叠，并能覆盖全部光谱范围，其三者的总和反映了全谱光强度，就可以省去第四组光电传感器。

本发明便于使用者及时了解所处环境中该波段组分是否超出或低于设定范围，以便调整或规避所处的光环境；同时为后续如报警器或光环境控制器提供信息，本发明器件体积小，集成度高，具有较高的可靠性，结构简单，配置灵活，适应范围广。

从本发明的装置和方法以及实例的说明可以看出，本发明提供了基于波段选择单元和光电探测单元来测定相对光谱强度的装置，本方法和装置具有简单，灵活，应用范围广等特点。但以上说明也不能限定本发明可实施的范围，凡是专业人士在本发明基础上所作的明显或不明显的变化，修饰或改良，均应视为不脱离本发明的精神实质。

Claims

1.一种波段相对强度探测的光电装置，其特征在于：包括最少一组波段选择单元、最少两组光电传感单元、电信号处理单元、信号反应单元、电源，

波段选择单元用于将要测量的波段从入射光中选择出来；

光电传感单元用于光信号转换为电信号，测量光谱强度；

2.如权利要求1所述的一种波段相对强度探测的光电装置，其特征在于：所述波段选择单元包括光子晶体、带通滤波器、滤色片、晶体单色器、光栅单色器或者棱栅单色器。

3.如权利要求1所述的一种波段相对强度探测的光电装置，其特征在于：至少一组光电传感单元得到波段强度信号，至少另一组或全部传感器得到全光谱强度信号，这些信号经电信号处理单元得到波段相对强度信号。

4.如权利要求1所述的一种波段相对强度探测的光电装置，其特征在于：光电传感单元包括光电二极管，光电三极管，光敏电阻、光电倍增器、光电池、CMOS、CCD、或者电荷注入传感器。

5.如权利要求1所述的一种波段相对强度探测的光电装置，其特征在于：光电传感单元包括单质基半导体光电传感器和化合物基光电传感器。