CN107748010B - 一种探测器光谱测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种探测器光谱测量方法，通过LED光源特征量预先测定、探测器特征量预先测定、变电流测量、分析过程、输出结果等步骤，实现了一种利用单探测器的LED混合光谱测量方法。本发明不仅可以通过测量更多组实验数据、通过减小测量随机误差来提高测量精度，还可以通过选用更高级的算法来进一步提高其测量精度。与通常的光谱测量系统比较，不仅具有硬件结构的优势，减少了现有系统的结构组件，使得成本与系统体积大大降低，而且软件算法部分可以不断升级，使得产品性能更强、应用更广泛。
Description
技术领域
本发明涉及一种探测器光谱测量方法，属于光电测量领域。
背景技术
目前光谱测量通常采用两种方法：一是采用单色仪先对光源分光后再用探测器逐个测量单色光的响应，二是通过色散分光后直接通过线阵或面阵探测器一次测量得到光谱，但这两种光谱测量方法均存在测量成本高的缺点。近年来，LED作为一种稳定光源得到越来越广泛的应用，但在光谱测量应用中，LED光源的应用受到限制，这是因为LED光谱具有一定宽度，不能作为理想的单色光应用，同时，LED光谱的宽度又比较窄，难以适合宽光谱的应用需求。如果能够通过1个或数个LED与1个探测器直接实现光谱测量，必将大大降低光谱测量的成本，也有利于提高测量的稳定性。LED的发光强度与工作电流i存在一定的对应关系，一般情况下可近似认为与波长无关，总发光强度与电流i成正比，但我们通过研究发现，LED的发光强度与工作电流i不是严格线性关系，而是存在一个与其波长及工作电流i均相关的对应关系。
发明内容
针对目前单个探测器不能直接测量复合光光谱的问题，本发明提供了一种探测器光谱测量方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种探测器光谱测量方法，其步骤包括：
A、光源特征量预先测定：采用单个或多个LED作为光源，光源的发光强度用函数P(λ)*I(λ，i)*i表示，波长λ的取值分别为L1、L2、...、LN，N为大于1的自然数，其中，i是工作电流大小，N阶数组P(λ)为LED单位工作电流(i＝1mA)下的发光强度，N*M阶数组I(λ，i)为LED的工作电流i对应的波长因子，其中，定义I(λ，1mA)＝1 1...1，N个1，N为波长λ的个数，M代表不同工作电流i的取值个数，M为大于1的自然数，M大于等于N，则N*M阶数组
B、探测器特征量预先测定：采用单个探测器，探测器对光谱的响应函数为N阶数组X(λ)，其中，X(λ)＝X(L1)、X(L2)、...、X(LN)，波长λ的取值分别为L1、L2、...、LN；
C、变电流测量：屏蔽环境光的影响，点亮LED光源，使得光源工作电流i取M次大小不等的电流值，直接测量得到M次探测器对应的总响应电流Zj，j＝1，2，3、...、M，其中，Zj＝Z1、Z2、...、ZM；
D、分析过程：由M个电流i值、M个总响应电流值(Z1、Z2、...、ZM)、N个探测器对光谱的响应函数值(X(L1)、X(L2)、...、X(LN))以及N*M阶数组I(λ，i)的值可以得到M个等式构成的方程组，具体形式为i1*X(L1)*I11*x1+i1*X(L2)*I12*x2+...+i1*X(LN)*I1N*xN＝Z1；i2*X(L1)*I21*x1+i2*X(L2)*I22*x2+...+i2*X(LN)*I2N*xN＝Z2；...iM*X(L1)*IM1*x1+iM*X(L2)*IM2*x2+...+iM*X(LN)*IMN*xN＝ZM；
E、输出结果：求解上述M个等式构成的方程组，得到电流i＝1mA时对应的光谱(x1、x2...、xN)。
进一步的，所述LED光源的光谱范围在200nm—1100nm间可任意取值。
进一步的，求解M个等式构成的方程组的方法为最小二乘法拟合算法、神经网络算法或迭代算法。
本发明的有益效果：本发明通过应用LED发光的特点，充分利用其两个特点，一是恒流驱动发光强度的高稳定性，二是工作电流改变其光谱形状亦会发生改变，其中，工作电流改变后LED光谱形状亦会发生一定改变这一特点，在LED的很多应用中是不利的，但本发明专利恰恰是利用其这一特点，加上LED发光的高稳定性，并通过特定算法，实现了单探测器的光谱测量。本发明不仅可以通过测量更多组实验数据、通过减小测量随机误差来提高测量精度，还可以通过选用更高级的算法来进一步提高其测量精度。与通常的光谱测量系统比较，不仅具有硬件结构的优势，减少了现有系统的结构组件(现有光谱测量系统不是采用光谱仪，就是采用单色仪系统)，使得成本与系统体积大大降低，而且软件算法部分可以不断升级，使得产品性能更强、应用更广泛。
具体实施方式
实施例1
一种探测器光谱测量方法，其步骤包括：
A、光源特征量预先测定。采用单个或多个LED作为光源，光源的发光强度用函数P(λ)*I(λ，i)*i表示，波长λ的取值分别为L1、L2、、、，LN，其中，i是工作电流大小，N阶数组P(λ)为LED单位工作电流(i＝1mA)下的发光强度，N*M阶数组I(λ，i)为LED的工作电流i对应的波长因子[I(λ，1mA)＝1 1 1；I(λ，5mA)＝0.985 0.9910.982；I(λ，10mA)＝0.983 0.9890.980；]，其中N代表波长λ的个数(＝3)，M代表不同工作电流i的取值个数(＝3)，波长λ的取值L1、L2、L3为分别300nm、310nm、320nm；
B、探测器特征量预先测定。采用单个Si探测器，探测器对光谱的响应函数为3阶数组X(λ)，其中，X(λ)＝X(300nm)、X(310nm)、X(320nm)＝0.173、0.205、0.236A/W；
C、变电流测量。屏蔽环境光的影响，点亮LED光源，使得光源工作电流i取3次大小不等的电流值(1mA、5mA、10mA)，直接测量得到3次探测器对应的总响应电流Z1＝3.367uA，Z2＝16.634uA，Z3＝33.201uA；
D、分析过程。由M个电流i值、M个总响应电流值(Z1、Z2、...、ZM)、N个探测器对光谱的响应函数值(X(L1)、X(L2)、...、X(LN))以及N*M阶数组I(λ，i)的值可以得到M个等式构成的方程组，具体形式为i1*X(L1)*I11*x1+i1*X(L2)*I12*x2+...+i1*X(LN)*I1N*xN＝Z1；i2*X(L1)*I21*x1+i2*X(L2)*I22*x2+...+i2*X(LN)*I2N*xN＝Z2；...iM*X(L1)*IM1*x1+iM*X(L2)*IM2*x2+...+iM*X(LN)*IMN*xN＝ZM；代入上述数值，得到3个等式：0.173*x1+0.205*x2+0.236*x3＝3.367；0.173*5*0.985*x1+0.205*5*0.991*x2+0.236*5*0.982*x3＝16.634；0.173*10*0.983*x1+0.205*10*0.989*x2+0.236*10*0.980*x3＝33.201；
E、输出结果。运用最小二乘法算法求解上述3个等式构成的方程组，可以得到电流i＝1mA时对应的光谱(x1、x2...、xN)＝(1.167、10.368、4.406)。
通过实验室单色光谱仪测量得到的3个波长处光谱分布的相对强度为(1.357、10.236、4.649)，与本实施例结果一致。
Claims (3)
1.一种探测器光谱测量方法，其步骤包括：
A、光源特征量预先测定：采用单个或多个LED作为光源，光源的发光强度用函数P(λ)*I(λ，i)*i表示，波长λ的取值分别为L1、L2、...、LN，N为大于1的自然数，其中，i是工作电流大小，N阶数组P(λ)为LED单位工作电流(i＝1mA)下的发光强度，N*M阶数组I(λ，i)为LED的工作电流i对应的波长因子，其中，定义I(λ，1mA)＝1 1...1，N个1，N为波长λ的个数，M代表不同工作电流i的取值个数，M为大于1的自然数，M大于等于N，则N*M阶数组
B、探测器特征量预先测定：采用单个探测器，探测器对光谱的响应函数为N阶数组X(λ)，其中，X(λ)＝X(L1)、X(L2)、...、X(LN)，波长λ的取值分别为L1、L2、...、LN；
C、变电流测量：屏蔽环境光的影响，点亮LED光源，使得光源工作电流i取M次大小不等的电流值，直接测量得到M次探测器对应的总响应电流Zj，j＝1，2，3、...、M，其中，Zj＝Z1、Z2、...、ZM；
D、分析过程：由M个电流i值、M个总响应电流值(Z1、Z2、...、ZM)、N个探测器对光谱的响应函数值(X(L1)、X(L2)、...、X(LN))以及N*M阶数组I(λ，i)的值可以得到M个等式构成的方程组，具体形式为i1*X(L1)*I11*x1+i1*X(L2)*I12*x2+...+i1*X(LN)*I1N*xN＝Z1；i2*X(L1)*I21*x1+i2*X(L2)*I22*x2+...+i2*X(LN)*I2N*xN＝Z2；...iM*X(L1)*IM1*x1+iM*X(L2)*IM2*x2+...+iM*X(LN)*IMN*xN＝ZM；
E、输出结果：求解上述M个等式构成的方程组，得到电流i＝1mA时对应的光谱(x1、x2...、xN)。
2.根据权利要求1所述的探测器光谱测量方法，其特征在于：所述LED光源的光谱范围在200nm—1100nm间可任意取值。
3.根据权利要求1或2所述的探测器光谱测量方法，其特征在于：求解M个等式构成的方程组的方法为最小二乘法拟合算法、神经网络算法或迭代算法。
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| 基于ＬＥＤ光谱可调谐光源的光电探测器相对光谱响应测量研究;刘洪兴等;《光谱学与光谱分析》;20130131;第33卷(第1期);全文 * |
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