CN105910708B - 一种利用荧光传感器探测激发光谱特征的方法及装置 - Google Patents
一种利用荧光传感器探测激发光谱特征的方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN105910708B CN105910708B CN201610075147.6A CN201610075147A CN105910708B CN 105910708 B CN105910708 B CN 105910708B CN 201610075147 A CN201610075147 A CN 201610075147A CN 105910708 B CN105910708 B CN 105910708B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- rgb
- spectrum
- excitation spectrum
- fluorescent material
- data
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Expired - Fee Related
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 85
- 238000000695 excitation spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 79
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims abstract description 64
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 claims abstract description 34
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 28
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims abstract description 25
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 40
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 38
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 34
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 14
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 claims description 12
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 9
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 claims description 7
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims description 6
- 238000003491 array Methods 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 5
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 4
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 4
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 claims description 3
- 238000004088 simulation Methods 0.000 claims description 3
- 238000000411 transmission spectrum Methods 0.000 claims description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims description 2
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims description 2
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims 2
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims 1
- 230000011218 segmentation Effects 0.000 claims 1
- 238000005286 illumination Methods 0.000 abstract description 13
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 230000008859 change Effects 0.000 description 8
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 4
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 3
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 2
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 2
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 235000013399 edible fruits Nutrition 0.000 description 2
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 2
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 241001269238 Data Species 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 206010042496 Sunburn Diseases 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 238000003975 animal breeding Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008468 bone growth Effects 0.000 description 1
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000005094 computer simulation Methods 0.000 description 1
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 1
- 239000005357 flat glass Substances 0.000 description 1
- 238000001506 fluorescence spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000003760 hair shine Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 210000005260 human cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 230000000886 photobiology Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005549 size reduction Methods 0.000 description 1
- 230000009759 skin aging Effects 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 description 1
- 238000000825 ultraviolet detection Methods 0.000 description 1
- 230000003245 working effect Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/30—Measuring the intensity of spectral lines directly on the spectrum itself
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
- G01J3/4406—Fluorescence spectrometry
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明提供的探测激发光谱特征的方法和利用该方法制得的光色传感器装置，在激发光谱和荧光材料组成的RGB数据库支撑下，其功能相比现有的光谱测量仪器得到很大的拓展。本发明的目的是提供一种新的探测激发光谱特征的方法和运用该方法设计的新型光色传感器装置，从而更简单、更低成本将传统的各种照度计、亮度计、色差计等(滤光片+光电传感器)积分式的仪表的测量能力向分光仪器功能延伸，通过数据库及其算法匹配，使其具备一定范围内的分光能力，具备类似光栅分光仪器的功能，使其能够分辨透过滤光片的光色的光谱成分。
Description
技术领域
本发明属于光辐射测量领域，涉及一种对激发光谱特征识别的方法，该方法主要用于探测自紫外线波长200nm至可见蓝绿光波长515nm范围的光谱特征，以区分来自不同波段的光谱和光谱峰值及带宽，并且测量其强度。
背景技术
光辐射实际是物体以电磁波的形式与外界能量交换的方式，辐射的光谱特征与物体的内在特征有密切的关系，例如几乎所有材料都有自身的特征光谱，所有物体的内在结构差异都能在辐射或吸收光谱上得到体现，不管有机或无机材料，因此光谱测量技术几乎在所有领域都找到自己的应用。这里重点涉及紫外到可见光的探测技术探索，而光栅分光方法是现有技术公认的最精确的测量方法，光栅分光方法从19世纪中叶发展到20世纪中叶得到完善，日趋成熟。传统光栅分光器件组成的光路较为复杂，通常体积偏大(焦距通常在300-500mm)，重量较重(30KG左右)，价格昂贵(4-30万人民币)。近30年来，随着CCD线阵发展，开始开发焦距为50-100mm的掌上光谱仪，光路构架与传统本质上无异，以CCD线阵为接收器，去除传统机械扫描部分，重量降到了500g左右，低端以CMOS线阵为接收器的产品价格有所下降，高端的依然很贵，性能上在众多领域和场合也满足了要求(尽管无法达到传统方法的精度)。还有一种技术：光电积分技术。例如各种波段的照度计(UVC,UVB,UVA,可见光)、亮度计和色差计(通常采用RGB积分方法)，这些装置没有分光光栅，而是用滤光片+光电接收器的结构，无法测量光谱分布，但可以测量通过滤光片的光谱在接收器上响应的积分总量，分量轻体积小，便于携带，在只需要测量某波段光谱能量总和而不需要测量光谱能量分布的场合都可以胜任测量工作。精度受带通滤光片的光谱透过率和接收器光谱响应曲线的影响，两者匹配精度越好，测量精度越高，但无论如何都无法区分透过滤光片部分光谱的能量分布。色差计最典型的是模拟人眼视觉的XYZ(RGB)曲线的3组(滤光片+光电接收器)，实际采用3个不同照度计构成色差计系统，由于滤光片与光电接收器的匹配精度问题(一般>5％)，不能满足大多数光源颜色坐标的精确测量，尽管如此，却可以区分两种颜色之间的差异。因为结构简单，性能稳定，使用方便，照度计和色差计的应用非常广泛。
本发明采用一种新的光学结构，类似于照度计或色差计，只是在滤光片和光电接收器之间插入一层荧光材料层，即(滤光片+荧光材料层+光电接收器)，光电接收器为色彩传感器-RGB传感器，而实际上，每个RGB传感器都是一个色差计。而关键的中间层-荧光材料，已有近 70年的发展历史，品种多达一百多种，最常见的是荧光灯、高压汞灯的荧光材料，俗称荧光粉，也有UVC，UVB和UVA为激发源的各种荧光材料，在显示领域CRT荧光材料也有非常多不同性能的荧光粉，至今30多年来，节能灯(属UVC荧光材料)和LED(蓝光400-500nm激发荧光材料)的发展也取得长足进步。这些非常普遍的荧光材料不仅有自己非常不同的发射光谱，也有自己不同的激发光谱(很少被关注)，本发明正是研究荧光材料在激发光谱上的变化，带来发射光谱上的差异，选择合适的滤光片，配合RGB传感器，通过探测发射谱的RGB积分能量值的分布关系，结合数据库标定可计算激发光谱分布特征和强度，结果比较精确可靠。通过多个这样部件的组合，形成对广范围波长的激发光谱探测，由于几乎可以封装成非常小而且牢固的器件(体积可以控制在10x10x10mm3以内)，能够方便和智能设备、网络设备连接，可配置成分布式应用，配合不同荧光材料和滤光片组合就形成可探测不同光谱波段的传感模块。以下简称为荧光传感器。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的探测激发光谱特征的方法和运用该方法设计的新型光色传感器装置，从而更简单、更低成本将传统的各种照度计、亮度计、色差计等(滤光片+光电传感器)积分式的仪表的测量能力向分光仪器功能延伸，通过数据库及其算法匹配，使其具备一定范围内的分光能力，具备类似光栅分光仪器的功能，使其能够分辨透过滤光片的光色的光谱成分。
人们过去大多关注荧光材料能发出怎样的光谱，很少关注他们在激发光谱发生变化时，发射光谱在分布和强度上的细微变化，本申请的发明人正是研究荧光材料在激发光谱上的变化带来发射光谱的差异，选择恰当范围的滤光片，构造该范围内由不同敏感程度的荧光材料组成的荧光层，配合合适的RGB传感器，就能让激发光谱分布特征和强度的差异被测量出来。例如，激发光由A1,A2,A3组成，荧光层由B1,B2两种材料组成，A1激发B1得到B1a1,激发B2得到B2a1,⑴当A1透过部分也能落在RGB传感器的测量范围时，RGB传感器表达的是(x1.A1+y1.B1a1+z1.B2a1)的颜色结果，同理A2得到(x2.A2+y2.B1a2+z2.B2a2),A3对应结果(x3.A3+y3.B1a3+z3.B2a3)，x1,y1,z1,x2,y2,z2，x3,y3,z3由激发的量子效率决定，这样就有基准谱A1B1B2、A2B1B2、A3B1B2三条光谱曲线组成一定形态的混合光谱，RGB具备色差测量能力，通过比较事先准备好的AiB1B2组成的RGB数据库，找出最接近的单元，就能知道激发光谱来自Ai，如果A1A2A3同时激发，依赖数据库，通过算法模拟RGB累积效果，找出最接近的匹配值，推算激发光谱A1A2A3的强度值，即得到激发光谱分布结果。通过权重配置，即得到该混合光谱的能量分布曲线。⑵当A透过部分不落在RGB传感器的测量范围时(RGB传 感器对A光谱不敏感，这时需要挑选荧光材料B1和B2对激发谱段有不同的敏感程度或者量子效率)，RGB传感器表达是(y1.B1a1+z1.B2a1)的颜色结果，同理A2得到(y2.B1a2+z2.B2a2),A3对应结果(y3.B1a3+z3.B2a3)，y1,z1,y2,z2，,y3,z3由激发的量子效率决定，这样就有基准谱不同强度组合的B1和B2三条光谱曲线组成一定形态的混合光谱，RGB具备色差测量能力，通过比较事先准备好的B1B2组成的RGB数据库，找出最接近的单元，就能知道激发光谱来自Ai，如果A1A2A3同时激发，依赖数据库，通过计算机模拟RGB累积效果，找出匹配最接近的解，推算激发光谱A1A2A3的强度值，即得到激发光谱分布结果。通过各个系数权重配置光谱分布，即得到该混合光谱的能量分布曲线。(3)由于单个RGB接收器只能获得一组3元方程的解，也就是最多获得3段光谱分布的组合方式，那么单从方程求解角度看，如果3段以上的光谱组合将无法获得精确解，解决的方案有两种：A.增加一组或多组滤光片将波段进一步细分，获得更多更精细的光谱分布；B.另一种方案是根据发光体实际状况，实际上已知的光源品种是有限的，几十种而已，每种光源的光谱分布都有自身典型的分布特点(因为每种光源都基于特定的发光材料和发光方式，光谱也是具备特定规律。)，针对每种光源特征建立一个库单元，最后组成光源特征库，每种光源建立一个光谱重组模型，可以用数学方法通过重组每种光源在不同情况下的光谱分布，因此将这些有限的光源分布组合输入RGB计算模型内，同样可以模拟出最佳匹配解，即为该光源在该波段的光谱分布。
通过以上陈述可知，本发明探测激发光谱特征的方法，有两个关键之处：在测量范围内，荧光材料组合具备对激发光谱不同波长敏感程度或曲线不同，可以是一种或多种荧光材料的混合体；制作该荧光材料与激发光谱组成的RGB库。与以往的照度计、色差计、分光光谱仪不同，从功能上看，照度计和色差计只能测量积分值，精度依赖滤光片和接收器的匹配精度，分光光谱仪可直接测量光谱能量分布，指示结构复杂价格高。采用本发明的测试原理和方法制得的光色传感器装置，在激发光谱和荧光材料组成的RGB数据库支撑下，其功能相比现有的光谱测量仪器得到很大的拓展。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：一种激发光谱探测方法，该方法包括如下步骤：
1、制备荧光传感器：用一片或多片光学材料、一层或多层光学材料涂层，构成带通或截止滤光片，在滤光片下面放置荧光材料组成的能够被透过滤光片的光谱激发出荧光的荧光胶片或者荧光材料涂层，在荧光胶片或者荧光材料涂层下设置一块色彩RGB传感器；
2、相应地在一定光谱范围内，用单色仪或其他分光手段产生等间隔和带宽的单色光，投射到步骤1所述的荧光传感器，得到一系列与单色光波长对应的RGB数据组，如果RGB传感器对激发光谱不敏感，那么RGB数据将是荧光材料的RGB数据，如果RGB传感器同样对激发 光谱敏感，RGB数据将是透过荧光层的激发光谱与被其激发的荧光材料的混合RGB数据，将这些数据按规律排列存储，形成该光谱范围内的光谱数据RGB基准库(以下称RGB数据库)；
3、将被测光A照射到荧光传感器接收面，经过滤光片后透过光谱为B,B激发荧光材料产生荧光发射光谱C(以下称荧光光谱均指C)和激发光B透射荧光层后光谱称为Bt(以下称激发光透射光谱均指Bt)，色彩RGB传感器产生由Bt和C混合光谱的RGB信号RxGxBx，通过已知的RGB数据库与RxGxBx匹配模拟运算，得到激发光谱B的分布特征。
进一步，所述的步骤2，测量滤光片对激发光谱的透过分布曲线，根据测量精度要求按一定波长间隔分割激发光谱，每个间隔用于激发以上所述的荧光材料层，得到一系列与波长对应的RGB数据RiGiBi与波长λi组合为一个数据库。所述的步骤2，可替代的方案B是，将现有不同类型的光源,通过A方案的光谱扫描方式获得一系列的RiGiBi与波长λi对应的数据集组合,另外增加了对每种光源光谱演变特征和规律的限定及数学描述方法，避开A方案可能存在的多解问题，同时更精确地获得光源3段以上的光谱分布组合。步骤3中，所述的激发光透射光谱Bt是B直接透过荧光材料层不参与荧光激发余下的部分B，其光谱分布同B只是强度衰减。所述的滤光片或滤光片组，用于决定透过的光谱范围。
所述的荧光材料制作的胶片或者荧光材料涂层，荧光材料的组合可以是一种或多种，荧光材料层能被透过的光谱激发，产生荧光光谱。荧光材料对这一范围的光谱激发是有效的，而且有不同的激发效率或者有差别的荧光光谱，通过荧光材料的发射光谱C和激发光谱Bt的混合RGB出激发光谱的特征。进一步，所述的荧光材料涂层或胶片，可以做成胶片，也可以涂覆在透光的材料上，还可以直接涂覆在滤光片激发光透过面；所述的荧光材料可以是单种或多种荧光材料的组合。
所述的色彩传感器为接收器或接收组件，接收荧光材料发射光谱和透过的激发光谱直接或间接辐射到的范围，该传感器可以是集成的接收器或者几个独立的接收器组成。
所述的荧光材料涂层，可以在一组滤光片下有多个涂层单元，每个涂层单元发光区域放置一个接收器，而每个涂层单元有不同类型的荧光材料组成。
所述的荧光传感器，可以在在色彩传感器受光面先涂覆荧光层再涂覆或放置滤光层，这样不仅让传感器小型化，而且提高生产和装配效率。
本发明提供的一种激发光谱探测装置，包括荧光传感器、光谱数据RGB基准库、数据采集处理模块和显示模块，数据采集处理读取荧光传感器的RGB数据和光谱数据RGB基准库的数据匹配运算，判定激发光谱的分布特征和强度并传输至显示模块显示或打印。
进一步，上述激发光谱探测装置，所述的荧光材料涂层或胶片，可以是一层胶片，也可以涂覆于透光的材料上，还可以涂覆于滤光片激发光透过面。
进一步，上述激发光谱探测装置，所述的色彩传感器为光电转换接收器或接收组件，接收荧光光谱C和透过的激发光谱Bt，可以是带有滤色片的RGB传感器或RGB传感器阵列。
本发明的有益效果：
本发明提供的一种激发光谱探测方法和装置在滤光片带宽比较宽的情况下，仍能获得对透过滤光片光谱分布进行测量，不仅可以减少滤光片的种类，还可以使探测范围更宽，使原先只有积分性能的光辐射探测器，具备一定的分光性能。例如，原来从波长200nm-400nm测量，分成3组探头，即UVC(200-275nm)、UVB(275-320nm)、UVA(320-400nm)，至少3组(滤光片组+光电接收器)，滤光片很难控制带宽，采用本发明方法只要一组(滤光片+荧光材料层+RGB接收器)即可，而光谱分布的波长分辨精度可达10nm，使整个探测性能大幅度提高，成本大幅度下降。同样探测400-500nm的光谱也只需一组(滤光片+荧光材料层+RGB接收器)，光谱分布分辨能力精度可达10nm。通过RGB数据库，获得特定的激发光谱特征信息，从而确定是某波段的射线强度。在微电子十分发达的今天，运算和存储的成本都非常低，本发明的测试装置件可以把尺寸缩小到毫米级别，十分方便可以单独作为一个传感器部件，嵌入仪器仪表或设备中，作为一个探测器件广泛使用。让原来类似的测量仪器只有在实验室才有，通过本发明的传感器应用，无论成本或尺寸、重量，都适合作为一个传感器部件，应用到需要的场合。光不仅用于照明，也在其他领域特别生物医疗农业方面得到广泛的应用，光生物学近年来得到前所未有的发展，正是在这样的背景下，本发明的传感器可植入各种场合或网络，通过云为需要的人随时服务。对于显示屏的图像显示，应用本发明的传感器可测试显示屏RGB比例，确定属于哪类背光光源(只有确定哪类光源，才可校准到最佳状态)，选择相应的校正模型，将显示效果调整到所需要的结果；有几种情况需要校正：使用时间久了，背光衰退导致的显示误差；多屏之间显示不一致，调整到一致；出厂校准；显示与图像输出不一致，校准到一致。
附图说明
图1为本发明的荧光传感器4种基本结构和形式示意图。
图2为本发明的UVA UVB UVC荧光传感器最基本结构示意图，滤光片取200-400nm，荧光胶片用3种荧光材料作为感光部分，RGB传感器区分荧光RGB强度。
图3本发明的可见蓝光测量典型的荧光传感器结构示意图，滤光片采用410-510nm，荧光胶片可以用YAG、氮化物、硅酸盐等LED荧光材料。
图4为本发明利用荧光传感器探测激发光谱的方法流程图。
附图标记说明：
1A-入射光谱，B-经过滤光片过滤后透过的光谱，C-由B激发产生的荧光光谱，Bt-未参 与荧光激发直接透过荧光胶片的B光谱部分，(RxGxBx)-分别是RGB传感器对(Bt和C)混合光谱产生的RGB值。
2A是被测光谱，通过一块透过200-400nm光谱的滤光片让UVA,UVB,UVC透过，其他截止，B代表了A中的紫外线成份，荧光胶片被B激发出可见荧光C，Bt是未参与激发直接透过荧光层的部分B，RGB传感器只能将可见荧光C转化为RGB值:Rx,Gx,Bx。RxGxBx可被采集电路转化为数字信号，送交需要的处理电路。
3A是被测光谱，通过一块透过400-510nm光谱的滤光片让蓝光透过，其他截止，B代表了A中的蓝色成份，荧光胶片被B激发出可见荧光C，Bt是未参与激发直接透过荧光层的部分B，由于Bt也是可见光，RGB传感器将可见荧光C和未参与激发直接透过的部分蓝光Bt的混合光谱转化为RGB值:Rx,Gx,Bx。RxGxBx可被采集电路转化为数字信号，送交需要的处理电路。
4A为入射光谱，含有能够将荧光胶片激发出荧光的光谱成份B，经过滤光片过滤后，B成份通过滤光片，其他部分光谱被截止，因此滤光片作用是将B光谱从A光谱中筛选出来，B激发荧光胶片产生荧光光谱C，Bt则是B中没有参与激发荧光胶片直接穿透胶片的B光谱部分，通常胶片浓度低Bt比例高，浓度高Bt比例低，RGB传感器则是测量Bt和C混合谱的RGB值，即为Rx Gx Bx，通过对B光谱中不同谱段(例如从400-510nm每10nm作为一个谱段λi)建立Rxi Gxi Bxi与谱段λi相对应的RGB荧光数据库，查阅比对，通过运算找出最接近光谱B效果的光谱组合，从而逆向推算出B激发光谱的能量分布特征。
为了进一步阐明本发明荧光传感器的原理和效果，以探测蓝光波段(400-510nm)和紫外波段(200-400nm)为例。
具体实施方式
实施例1制作一个单探头实现UV波长(200nm-400nm)的能量分布测量
如图2所示，构造一个(200nm-400nm)紫外照度计,单个传感器探头实现整个波段的测量。
紫外UV的分类方法是这样的，200nm-275nm定义为UVC，275nm-320nm定义为UVB,320nm-400nm定义为UVA，UVC能直接杀灭细菌同样能破坏人体细胞组织，UVB促进动物D3吸收及骨骼生长但也使人的皮肤晒伤，UVA能促进动物进食也能让人的皮肤老化，紫外线需要利用也需要防护。太阳光由于大气层的遮挡，UVC无法到达地面，而UVB,UVA较强，大多数人造光源都可能有一定紫外线，不管利用还是防护紫外都需要通过测量结果去评估。利用荧光传感器制作紫外照度计，同时获得UVC,UVB,UVA的能量值，相比传统方法，成本要低很多。
滤光片采用紫外玻璃一片透过200nm-400nm；选择集成RGB传感器作为接收器(在一块芯片上集成RGB三种颜色接受单元)，蓝光敏感单元B对应波长范围420-540nm，峰值460nm，滤光敏感单元G对应波长范围480-620nm，峰值545nm，红光敏感单元R对应波长范围530-710nm，峰值610nm；选择荧光材料制作荧光涂层，我们用Y2O3:Eu做为UVC的接收荧光敏感材料，在UVC照射下获得RGB值定义为Rc,Gc,Bc,通常Rc约为96％，Gc约为4％，Bc基本为0％；用MgAl11O16:(Ce,Tb)作为UVC和UVB同时敏感的荧光材料，在UVC和UVB照射下获得的RGB值为Rcb,Gcb,Bcb，通常Rcb为10％,Gcb为75％，Bcb为15％；用(Ba,Mg)Al16O27:Eu作为UVC-UVB-UVA敏感的荧光材料，在三者的作用获得RGB值为Rcba,Gcba,Bcba,通常Rcba为0％，Gcba为15％,Bcba为85％,按一定比例将以上三种荧光材料混合均匀，涂覆在一片玻璃片上形成适当厚度的荧光涂层；在入射光A同轴方向，依次放置滤光片、荧光涂层、RGB集成传感器，滤光片透过部分B的波长为200-400nm,B照射荧光涂层产生荧光C,部分B直接透过荧光涂层称为Bt,由于所用的RGB传感器对B波段光谱不敏感，实际RGB传感器接收的信息就是C光谱的RGB值RxGxBx,通常荧光涂层调整到UVC紫外254nm激发下C的颜色成白光，此时Rx约24％，Gx约40％，Bx约36％；这时UVB照射获得RGB值百分比约R:G:B＝8:40:52；只有UVA照射时获得RGB值百分比约R:G:B＝0:15:85。由于RGB传感器的R:G:B强烈依赖激发波长的变化，那么在200-400nm波段之间用一定间隔(20nm)谱段λi去标定荧光涂层的RGB值获得相应的RiGiBi，形成与激发波长λi对应的RiGiBi数据库。荧光传感器的工作过程如下，入射光为Az时，经过滤光片后为Bz紫外线，Bz激发荧光涂层使RGB传感器接收到的RGB值为RxGxBx，在数据库中寻找与之最近RiGiBi值，如果匹配度很高即确认Bz为λi波段，如果匹配度不高则用二元以上多元匹配解，获得一组不同λi，组成Bz光谱分布，即RGB值总强度则是各个谱段强度之和，ai为各谱段的强度贡献系数，R(λi)、G(λi)、B(λi)是数据库中对应λi的RiGiBi，Rx＝∑ai*R(λi),Gx＝∑ai*G(λi),Bx＝∑ai*B(λi)，分别累计UVC、UVB、UVA光谱段的强度值，就相应得到三者的辐射照度值。虽然运算过程复杂，需要计算机辅助求解，但是其结构却非常简单，通过荧光材料优化和计算模型合理匹配，达到由于传统的精度，其成本可控制在原来的10％，体积可缩小到几毫米大小。适合作为嵌入式系统传感器部件植入，完全数字化，微型化。
而传统方法无法用一组滤光片分离三者的能量比，经常是用三组滤光片，加三个光电池得到UVCUVBUVA的值。在很多工业检测或照明、医疗检测，我们都需要对紫外线进行分辨应用和防护，例如杀菌消毒，动物养殖，人体光生物学研究和应用等等，本发明的低成本大解决方案，使紫外测量仪器应用得到普及成为可能，紫外利用和防护更为科学化。
实施例2：构造LED蓝光测量装置：测量410-510nm的蓝光特征。
如图3所示，构造一个测量LED蓝光光谱特征传感器探头。
LED是发光二极管的简称，LED发明至今已经有60多年的历史了，但是作为适用于照明的白光LED却是近几年的事情，白光LED的发光原理是通过LED的PN结中心发射波长为420-480nm蓝光，该蓝光投射到外层的荧光材料涂层发出绿色到红色的荧光光谱，同时有部分蓝光未参加激发而直接透过荧光涂层，与LED激发出绿色到红色的荧光光谱，一起合成人眼看到的白光，因此，LED的白光分两部分：一部分来自荧光粉发出的荧光光谱，另一部分则是穿透荧光涂层后的LED蓝光；LED之所以如此重要，是因为它突破了固有传统发光的机理，它是半导体发光器件，给众多科学家注入了前所未有的想象力。
然而，蓝光的发光效率因PN结发热而下降，因PN结发热蓝光发生光谱偏移和带宽增加引起LED发光颜色不稳定，蓝光光谱特征变化的只是宏观表象，根本的原因是LED的PN结温度发生了变化，散热设计成了LED光源的核心设计之一，似乎LED整个核心光和热都与蓝光有密切关联，从蓝光测量入手，意味着可以远距离非接触去了解LED的内部工作状态，更安全更快捷更准确。
本实例选择滤光片采用一片透过410nm-490nm的蓝色玻璃作为滤光片，让LED蓝光透过其他截止；选择集成RGB传感器作为接收器(在一块芯片上集成RGB三种颜色接受单元)，蓝光敏感单元B对应波长范围420-540nm，峰值460nm，滤光敏感单元G对应波长范围480-620nm，峰值545nm，红光敏感单元R对应波长范围530-710nm，峰值610nm；选择荧光材料YAG荧光粉+硅胶制作荧光胶片；传感器布置在光的入射方向，依次为滤光片-荧光胶片-RGB接收器，三者同轴布置；RGB数据库的建立，在410-490nm光谱范围内，每间隔5nm用单色波长λi去照射荧光传感器，RGB接收器产生相应的RGB值RiGiBi，形成与激发波长λi对应的RiGiBi数据库。荧光传感器测量基本过程如下，LED入射光为Az时，经过滤光片后为Bz蓝光，Bz激发荧光涂层使RGB接收器产生RGB值为RxGxBx，在数据库中寻找与之最近RiGiBi值，如果匹配度很高即确认Bz为λi波段，如果匹配度不高则用二元以上多元匹配解，获得一组不同λi，组成Bz光谱分布，即RGB值总强度则是各个谱段强度之和，ai为各谱段的强度贡献系数，R(λi)、G(λi)、B(λi)是数据库中对应λi的RiGiBi，Rx＝∑ai*R(λi),Gx＝∑ai*G(λi),Bx＝∑ai*B(λi)，有强度系数ai和λi构成了LED蓝光的光谱分布，即完成对蓝光光谱特征的测量。对三元以上求解需要借助计算机辅助计算求解，参考以上提出解决3段以上光谱组合的解决方案：A方案和B方案。
由于对蓝光的应用研究是研究LED光源的核心问题，从蓝光的光谱可以推断LED工作的很多微观参数，例如LED结温，就与蓝光变化有密切关联，而结温直接影响发光效率和寿命，同时引起颜色的变化。因此，透彻研究蓝光是LED研究的重点，本发明给带来广大照明工程 师一种便捷高效开发和诊断工具，为设计的效果和可靠性提供有相当价值的判断方法。
Claims (10)
1.一种激发光谱探测方法，该方法包括如下步骤：
1)制备荧光传感器：用一片或多片光学材料、一层或多层光学材料涂层，构成带通或截止滤光片，在滤光片下面放置荧光材料组成的能够被透过滤光片的光谱激发出荧光的荧光胶片或者荧光材料涂层，荧光胶片或荧光材料涂层构成荧光涂层单元，在荧光胶片或者荧光材料涂层下设置一块色彩RGB传感器；
2)相应地在一定光谱范围内，用单色仪或其他分光手段产生等间隔和带宽的单色光，投射到步骤1)所述的荧光传感器，得到一系列与单色光波长相对应的RGB数据组，如果RGB传感器对激发光谱不敏感，那么RGB数据将是荧光材料的RGB数据，如果RGB传感器同样对激发光谱敏感，RGB数据将是透过荧光涂层单元的激发光谱与被其激发的荧光材料的混合RGB数据，将这些数据按规律排列存储，形成该光谱范围内的光谱数据RGB基准库；
3)将被测光A照射到荧光传感器接收面，经过滤光片后透过光谱为B,B激发荧光材料产生荧光发射光谱C和激发光透射光谱Bt，色彩RGB传感器产生由Bt和C混合光谱的RGB信号RxGxBx，通过已知的RGB基准库与RxGxBx匹配模拟运算，得到激发光谱B的分布特征。
2.如权利要求1所述的激发光谱探测方法，其特征在于：所述的步骤2)中测量透过滤光片的光谱能量分布，根据测量精度要求按一定波长间隔分割激发光谱得到单色光波长λi，λi激发以上所述的荧光涂层单元，得到一系列与波长λi对应的RGB数据RiGiBi，RiGiBi与波长λi对应的数据集组合为一个数据库。
3.如权利要求2所述的激发光谱探测方法，其特征在于：步骤2)将现有不同类型的光源通过光谱扫描方式获得一系列的RiGiBi与波长λi对应的数据集组合,另外增加对每种光源光谱演变特征和规律的限定及数学描述方法，得到这类光源作为激发光谱的精确能量分布。
4.如权利要求1所述的激发光谱探测方法，其特征在于：所述的滤光片用于决定透过的光谱范围。
5.如权利要求1所述的激发光谱探测方法，其特征在于：所述的色彩RGB传感器为接收器或接收组件，接收荧光材料发射光谱和透过的激发光谱直接或间接辐射到的范围，该传感器是集成的接收器或者几个独立的接收器组成。
6.如权利要求5所述的激发光谱探测方法，其特征在于：所述的荧光材料涂层在一组滤光片下至少有一个由不同类型的荧光材料组成的荧光涂层单元，每个荧光涂层单元发光区域放置一个接收器。
7.如权利要求1所述的激发光谱探测方法，其特征在于：所述的荧光传感器在色彩RGB传感器受光面先涂覆荧光材料涂层再涂覆或放置截 止 滤光片。
8.一种激发光谱探测装置，包括权利要求1-7任一激发光谱探测方法所述的荧光传感器和光谱数据RGB基准库、数据采集处理模块、显示模块，所述的数据采集处理模块读取荧光传感器的RGB数据和光谱数据RGB基准库的数据匹配运算，判定激发光谱的分布特征和强度并传输至显示模块显示或打印。
9.如权利要求8所述的激发光谱探测装置，其特征在于：所述的色彩RGB传感器为光电转换接收器或接收组件，接收荧光发射光谱C和透过的激发光投射光谱Bt；色彩RGB传感器是带有滤色片的RGB传感器或RGB传感器阵列。
10.如权利要求1所述的激发光谱探测方法，其特征在于：所述的荧光材料为一种或多种荧光材料的混合物，其中至少有一种材料对激发光谱敏感。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610075147.6A CN105910708B (zh) | 2016-02-03 | 2016-02-03 | 一种利用荧光传感器探测激发光谱特征的方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201610075147.6A CN105910708B (zh) | 2016-02-03 | 2016-02-03 | 一种利用荧光传感器探测激发光谱特征的方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN105910708A CN105910708A (zh) | 2016-08-31 |
| CN105910708B true CN105910708B (zh) | 2018-02-27 |
Family
ID=56744390
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201610075147.6A Expired - Fee Related CN105910708B (zh) | 2016-02-03 | 2016-02-03 | 一种利用荧光传感器探测激发光谱特征的方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN105910708B (zh) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106441570B (zh) * | 2016-09-09 | 2018-01-12 | 福州大学 | 一种实现白平衡量子点光源光谱的构建方法 |
| CN109991197A (zh) * | 2017-12-29 | 2019-07-09 | 无锡奥芬光电科技有限公司 | 测量样品荧光特性的分光光度计及方法 |
| CN109709456B (zh) * | 2019-01-14 | 2020-12-15 | 无锡杰博仪器科技有限公司 | 一种全数字式光谱分析仪数据采集系统 |
| CN112782141B (zh) * | 2020-12-29 | 2023-12-19 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种基于荧光方法的塑料快速分类设备 |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4008184B2 (ja) * | 1996-03-06 | 2007-11-14 | 富士フイルム株式会社 | 蛍光検出装置 |
| US7700928B2 (en) * | 2007-01-25 | 2010-04-20 | Etaluma, Inc. | Apparatus and method for interleaving detection of fluorescence and luminescence |
| JP6198426B2 (ja) * | 2013-03-29 | 2017-09-20 | 浜松ホトニクス株式会社 | 蛍光観察装置及び蛍光観察方法 |
| KR101293690B1 (ko) * | 2013-06-14 | 2013-08-06 | 한국해양과학기술원 | 알지비 센서를 이용한 수질측정용 광센서장치 |
| JP6315759B2 (ja) * | 2013-10-11 | 2018-04-25 | シャープ株式会社 | 蛍光検出装置及び掃除機 |
-
2016
- 2016-02-03 CN CN201610075147.6A patent/CN105910708B/zh not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105910708A (zh) | 2016-08-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN105910708B (zh) | 一种利用荧光传感器探测激发光谱特征的方法及装置 | |
| CN102331301B (zh) | 牙齿阴影映射 | |
| CN102327156B (zh) | 牙齿色度映射 | |
| CN101389936B (zh) | 颜色传感器 | |
| US5844680A (en) | Device and process for measuring and analysing spectral radiation, in particular for measuring and analysing color characteristics | |
| JP4660691B2 (ja) | 蛍光試料の光学特性測定方法及びこれを用いた光学特性測定装置 | |
| CN102084228A (zh) | 三维物体的空间色度测量设备和方法 | |
| JP2009520184A (ja) | 照明器に依存しない色測定のための装置及び方法 | |
| CN101228435B (zh) | 原丝类纺织材料中外来物质的检测和分类 | |
| US6755555B2 (en) | Auxiliary illuminating device having an adjustable color temperature by controlling the amount of light passing through color filters | |
| Gundlach et al. | Problems in measurement of fluorescent materials | |
| CN209400422U (zh) | 一种量子产率的测试装置 | |
| CN106885630A (zh) | 一种基于颜色进行光谱测量的方法及装置 | |
| Schanda et al. | LED colorimetry | |
| Zwinkels | Surface fluorescence: the only standardized method of measuring luminescence | |
| Billmeyer Jr et al. | Calculation of the spectral radiance factors of luminescent samples | |
| Alman et al. | New method for the colorimetric measurement of opaque fluorescent samples | |
| Zwinkels | Metrology of photoluminescent materials | |
| Borbély et al. | Colour matching using LEDs as primaries | |
| CN109946282B (zh) | 一种用于测量荧光薄膜透射率或反射率光谱的测量方法 | |
| CN205748642U (zh) | 一种颜色测量装置 | |
| CN108931508A (zh) | 显微镜系统 | |
| CN106769891B (zh) | 生化检测装置及方法 | |
| CN112014069B (zh) | 一种成像测量装置 | |
| JPH08110297A (ja) | 液体の着色検知装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20180227 Termination date: 20220203 |