CN110132418A - 一种led绝对光功率谱分布的测量方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种LED绝对光功率谱分布的测量方法和装置包括拾光光纤头、滤色片及其驱动马达、光电池；左光纤，色盘中的滤色片孔与右光纤在一条光轴上；即左右光纤是对准的，中间色盘小孔的中心在光纤中心连线上；可转动的色盘有若干小孔，小孔内安装了不同吸收率的滤色片；右光纤末端接光电池，光电池受光可输出电，电压大小与光照度成正比。本发明采用较少次数的测量，得到较准确的白光LED绝对光谱分布，同光谱仪相比，仪器设备价格降低了很多，方法简单，使用方便，体积小，非常适合需要实时检测的场合。

Description

一种LED绝对光功率谱分布的测量方法和装置
技术领域
本发明涉及光电检测方法，尤其涉及一种LED绝对光功率谱分布的测量方法和装置。
背景技术
LED绝对光谱分布是描述LED光度、色度、光生物安全特性(包括蓝光危害)的重要参数。本专利是基于LED白光的光谱分布，采用多个高斯函数的形式表征光谱分布，然后采用带滤波器的光纤导光，采用光电池测量特定波段的响应，得到绝对光谱分布。
LED光功率谱分布是照明性能的核心指标。目前光功率谱分布一般采用光谱仪进行测量。其原理是，光经过色散元器件后，利用狭缝控制带宽，测量出光功率，作为某一波长对应的光功率。对应仪器很多，例如杭州远方光电科技有限公司的HASS2000光谱仪。专利《一种基于DLP技术的傅里叶变换光谱仪CN207881838U》和《一种稳定性好的美容用光谱仪CN207871284U》就是典型例子。
对于LED光，其光谱中不含紫外和红外成分，光谱分布规律明显。作者在2012年，中国光学第5卷第5期报道了采用多个高斯函数表征LED白色光谱分布，其总体误差仅0.71％，完全符合光度色度和光生物安全参数测算要求。
当前要采用光谱仪扫描，才能得到绝对光功率谱分布，光谱仪价格高，速度慢，不适合快速测量和家庭、办公室使用(不可能一家一户都买光谱仪)。
发明内容
1、发明目的。
本发明提出一种LED绝对光功率谱分布的测量方法和装置，解决现有光谱测量技术不适合快速测量和家庭，办公室使用的问题。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出了一种LED绝对光功率谱分布的测量装置，包括拾光光纤头、滤色片及其驱动马达、光电池；左光纤，色盘中的滤色片孔与右光纤在一条光轴上；即左右光纤是对准的，中间色盘小孔的中心在光纤中心连线上；可转动的色盘有若干小孔，小孔内安装了不同吸收率的滤色片；右光纤末端接光电池，光电池受光可输出电，电压大小与光照度成正比。
更进一步，色盘由马达带动可以转动。
更进一步，光电池的输出电压由电脑采集并存储。
本发明提出了一种LED绝对光功率谱分布的测量装置，由滤色光纤束，光电池和电脑组成，连接头为，光通过光纤束导至光电池组，每一根光纤后面有一块光电池；滤色光纤结构前段是普通光纤，后段是掺杂光纤或滤色光纤结构全部为掺杂光纤。
更进一步，采用二只LED灯照射，功率1W和10W，颜色正白，色温5000k。
更进一步，采用一只硅光电池作为光电转换器件。
本发明提出了一种LED绝对光功率谱分布的测量方法，使用如上所述的装置，左光纤对准待测光源，光用光谱亮度分布F(λ)描述进入光纤，在光纤中全反射传播，然后透过色盘上的滤色片，吸收谱用S(λ)表示，进入右光纤，传播至光电池，光电池受光给出电压U，电压U的大小就反应了光照强弱；
公式描述为：
S'(λ)是光电池的光谱响应函数，K为常数；
转动色盘，当第i个滤色片工作时：
式中，Ui是第i个滤色片工作时光电池的电压，Si(λ)是第i个滤色片的吸收谱。
更进一步，LED光谱分布每个峰采用3个高斯函数描述，完全满足光度色度和光生物参数测量要求，将荧光粉转换型LED光谱分布表示为：
M为最大光谱辐射功率，单位W/nm.括号内部分为LED的相对光谱分布；λ是波长，λp1是蓝光的中心波长，取460nm，λp2是荧光粉发出的光的中心波长，取589nm，Δλ1是蓝色光的半高全宽，在 22nm左右，Δλ2是荧光粉发出光的半高全宽，为36nm左右。公式(3) 共有21个未知数，M,A11～A13,a11～a13,m11～m13,Δλ1，Δλ2， A21～A23,a21～a23,m21～m23，因此，只要公式(2)中i≧21,也就是，测量 21种滤色片对应的电压，就可以通过寻优程序，得到21个未知数最佳值，进而得到LED的绝对光功率谱分布。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明采用较少次数的测量，得到较准确的白光LED绝对光谱分布，同光谱仪相比，仪器设备价格降低了很多，方法简单，使用方便，体积小，非常适合需要实时检测的场合。
(2)本发明采用大于等于21个不同吸收谱的滤色片为探测电路，分别得到对应响应电压，采用6个高斯函数表征LED白色光谱分布，采用寻优程序，找出对应LED绝对光谱分布，具有明显的技术优势：传统光谱仪要测量401次，本发明最少只要21次，因此测量速度快10倍以上，测量准确度99％以上。
附图说明
图1为本发明的系统结构图，其中(A)为连接图，(B)为色盘结构(含不同吸收谱滤色片)。
图2为本发明的第二种系统结构图，其中(A)为光通过光纤束导至光电池组，每一根光纤后面有一块光电池，(B)为滤色光纤结构 (前段是普通光纤，后段是掺杂光纤)，(C)为滤色光纤结构,全部掺杂，掺杂光纤长1米。
图3为本发明流程图。
图4为本发明硅光电池光谱响应曲线。
图5为本发明用八种颜色滤色光纤拾光的吸收谱，1-黑色，2-红色，3-绿色，4-蓝色。
图6为实施例滤色光纤拾光的吸收谱图。
具体实施方式
实施例
本发明装置由拾光光纤头、滤色片及其驱动马达、光电池和电脑组成，连接图如图1所示：
位置关系：如图1(A)，左光纤，色盘中的滤色片孔与右光纤在一条光轴上。也就是说，左右光纤是对准的，中间色盘小孔的中心在光纤中心连线上。
色盘由马达带动可以转动，色盘上有若干小孔，小孔内安装了不同吸收率的滤色片。
右光纤末端接光电池，光电池受光可输出电，电压大小与光照度成正比。光电池的输出电压由电脑采集并存储。
工作过程是：左光纤对准待测光源，光(用光谱亮度分布F(λ) 描述)进入光纤，在光纤中全反射传播，然后透过色盘上的滤色片(吸收谱用S(λ)表示)，进入右光纤，传播至光电池，光电池受光给出电压U，电压U的大小就反应了受光多少。
公式描述为：
S'(λ)是光电池的光谱响应函数，K为常数。
转动色盘，当第i个滤色片工作时：
式中，Ui是第i个滤色片工作时光电池的电压，Si(λ)是第i个滤色片的吸收谱。
LED光谱分布可以用多个高斯函数描述，每个峰采用3个高斯函数，其误差小于1％，完全满足光度色度和光生物参数测量要求。因此，我们将荧光粉转换型LED光谱分布表示为：按照前文进行修改
M为最大光谱辐射功率，单位W/nm.括号内部分为LED的相对光谱分布；λ是波长，λp1是蓝光的中心波长，取460nm，λp2是荧光粉发出的光的中心波长，取589nm，Δλ1是蓝色光的半高全宽，在 22nm左右，Δλ2是荧光粉发出光的半高全宽，为36nm左右。公式(3) 共有21个未知数，M,A11～A13,a11～a13,m11～m13,Δλ1，Δλ2， A21～A23,a21～a23,m21～m23，因此，只要公式(2)中i≧21,也就是，测量 21种滤色片对应的电压，就可以通过寻优程序，得到21个未知数最佳值，进而得到LED的绝对光功率谱分布。
本发明的核心是得到不同滤色片对应的光电池电压，其装置由很多种形式，例如：本发明装置也可以由滤色光纤束，光电池和电脑组成，连接头如下：
图2(A)第二种结构，特点：光通过光纤束导至光电池组，每一根光纤后面有一块光电池。
图2(B)滤色光纤结构1，前段是普通光纤，后段是掺杂光纤。
图2(C)滤色光纤结构2，全部掺杂，掺杂光纤长1米，掺杂材料如下：
各物质的掺杂质量比例均为0-1％，可以得到很多种掺杂后颜色不同的玻璃，完全能够满足本发明的21种滤色片要求。
以下是实施例:
二只LED灯，功率1W和10W，颜色正白，色温5000k。采用一只硅光电池作为光电转换器件，，图4硅光电池光谱响应曲线；用八种颜色滤色光纤拾光，吸收谱如图5、图6，组合出21中滤色片。采用第一种结构(图1)，测量得到的电压如下:
经Matlab拟合，得到系数如下：
表1 LED相对光谱分布函数的系数
系数 A<sub>11</sub> A<sub>12</sub> A<sub>13</sub> a<sub>11</sub> a<sub>12</sub> a<sub>13</sub> m<sub>11</sub> m<sub>12</sub> m<sub>13</sub> Δλ<sub>1</sub> M
LED1 0.16 0.45 1.0 0.43 0.85 1.41 0.78 0.23 0.54 22.9 0.21
LED2 0.79 0.8 0.96 0.91 0.62 1.4 0.83 0.35 0.29 25.7 1.71
系数 A<sub>21</sub> A<sub>22</sub> A<sub>23</sub> a<sub>21</sub> a<sub>22</sub> a<sub>23</sub> m<sub>21</sub> m<sub>22</sub> m<sub>23</sub> Δλ<sub>2</sub>
LED1 0.68 1.7 0.25 0.54 0.18 0.36 0.57 0.64 0.78 38.1
LED2 0.74 1.44 0.38 0.41 0.23 0.41 0.5 0.45 0.8 35.9
本发明是一种根据LED白光的光谱分布规律，采用多个高斯函数的形式表征光谱分布，然后采用带滤波器的光纤导光，采用光电池测量特定波段的响应，得到绝对光谱分布的方法及其装置。具体为：采用不少于21个响应曲线不同的探测器实现LED绝对光谱分布的测量，进而为光度色度和光生物安全参数的测试奠定基础。

Claims (8)

1.一种LED绝对光功率谱分布的测量装置，其特征在于：包括拾光光纤头、滤色片及其驱动马达、光电池；左光纤，色盘中的滤色片孔与右光纤在一条光轴上；即左右光纤是对准的，中间色盘小孔的中心在光纤中心连线上；可转动的色盘有若干小孔，小孔内安装了不同吸收率的滤色片；右光纤末端接光电池，光电池受光可输出电，电压大小与光照度成正比。
2.根据权利要求1所述的LED绝对光功率谱分布的测量装置，其特征在于：色盘由马达带动可以转动。
3.根据权利要求1所述的LED绝对光功率谱分布的测量装置，其特征在于：光电池的输出电压由电脑采集并存储。
4.一种LED绝对光功率谱分布的测量装置，其特征在于：由滤色光纤束，光电池和电脑组成，连接头为，光通过光纤束导至光电池组，每一根光纤后面有一块光电池；滤色光纤结构前段是普通光纤，后段是掺杂光纤或滤色光纤结构全部为掺杂光纤。
5.根据权利要求1或4所述的LED绝对光功率谱分布的测量装置，其特征在于：采用二只LED灯照射，功率1W和10W，颜色正白，色温5000k。
6.根据权利要求1或4所述的LED绝对光功率谱分布的测量装置，其特征在于：采用一只硅光电池作为光电转换器件。
7.一种LED绝对光功率谱分布的测量方法，其特征在于：使用如权利要求1或4所述的装置，左光纤对准待测光源，光用光谱亮度分布F(λ)描述进入光纤，在光纤中全反射传播，然后透过色盘上的滤色片，吸收谱用S(λ)表示，进入右光纤，传播至光电池，光电池受光给出电压U，电压U的大小就反应了光照强弱；
公式描述为：
S'(λ)是光电池的光谱响应函数，K为常数；
转动色盘，当第i个滤色片工作时：
式中，Ui是第i个滤色片工作时光电池的电压，Si(λ)是第i个滤色片的吸收谱。
8.根据权利要求1所述的LED绝对光功率谱分布的测量方法，其特征在于：LED光谱分布每个峰采用3个高斯函数描述，完全满足光度色度和光生物参数测量要求，将荧光粉转换型LED光谱分布表示为：
M为最大光谱辐射功率，单位W/nm.括号内部分为LED的相对光谱分布；λ是波长，λp1是蓝光的中心波长，取460nm，λp2是荧光粉发出的光的中心波长，取589nm，Δλ1是蓝色光的半高全宽，在22nm左右，Δλ2是荧光粉发出光的半高全宽，为36nm左右。公式(3)共有21个未知数，M,A11～A13,a11～a13,m11～m13,Δλ1,Δλ2,A21～A23,a21～a23,m21～m23，因此，只要公式(2)中i≧21,也就是，测量21种滤色片对应的电压，就可以通过寻优程序，得到21个未知数最佳值，进而得到LED的绝对光功率谱分布。
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