CN117664860A - 一种半积分球式的led光谱可调光源装置 - Google Patents
一种半积分球式的led光谱可调光源装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117664860A CN117664860A CN202311820952.3A CN202311820952A CN117664860A CN 117664860 A CN117664860 A CN 117664860A CN 202311820952 A CN202311820952 A CN 202311820952A CN 117664860 A CN117664860 A CN 117664860A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- spectrum
- integrating sphere
- light
- semi
- light source
- 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.)
- Pending
Links
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 151
- 238000002310 reflectometry Methods 0.000 claims abstract description 53
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 21
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 21
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims abstract description 4
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 20
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- -1 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 229920001343 polytetrafluoroethylene Polymers 0.000 claims description 3
- 239000004810 polytetrafluoroethylene Substances 0.000 claims description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 14
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 9
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 8
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 7
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 3
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 3
- 230000008635 plant growth Effects 0.000 description 3
- 239000003344 environmental pollutant Substances 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 231100000719 pollutant Toxicity 0.000 description 2
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 238000004963 SAMO calculation Methods 0.000 description 1
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 1
- 230000032683 aging Effects 0.000 description 1
- 238000004164 analytical calibration Methods 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 239000003086 colorant Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 230000008121 plant development Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 1
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明提供了一种半积分球式的LED光谱可调光源装置，利用半积分球与高反射率平面镜组成混光系统，将多个大功率LED阵列，作为混光系统的光源；以半积分球作为实物半球，内壁涂覆漫反射涂层，球面居中开设出光口；高反射率平面镜镜面的反射率高于漫反射涂层的反射率，以镜面朝内、可拆卸地封装于半积分球的圆形开口面，通过对实物半球成像形成虚物半球，由虚物半球与实物半球组合形成完整积分球结构的混光系统；各大功率LED的波段不同，光强分别可调；通过混光系统对光源输出光束多次反射，形成混合均匀的光束并自出光口出射。本发明将半积分球与高反射率平面镜相结合，缩小混光系统体积的同时，提高了输出光束的辐照度与均匀性。
Description
技术领域
本发明涉及一种可调光源，更具体地说是一种半积分球式的LED光谱可调光源装置。
背景技术
获取环境中污染物质的分布和变化情况，是生态环境保护的基础。通过利用各种环境光学监测仪器，如大气痕量气体差分吸收光谱仪、地物光谱仪等以及各种CCD光学传感器等，可对环境成分进行监测分析。此类仪器可以获取大气、水体、土壤中物质散射和反射的可见光、紫外光与红外光，进而反演出污染物的含量和变化情况。在污染监测的各个阶段，若想获取光谱辐射观测的准确数据，主要依赖于仪器光谱辐射响应的定标。定标光源发出的光谱与目标光谱匹配程度对于测量仪器的精度有很大影响。地球上有成千上万的物质，各种目标的自然光谱分布也各不相同，制作与目标辐射源光谱分布形状相同的人造光源难度较大，而且成本较高。LED的使用寿命长、波长丰富、光谱匹配性好，利用多种LED组合出LED光谱可调光源，取代现有单一光谱的辐射定标光源成为研究趋势。除了在仪器定标领域扮演重要角色，基于LED的光谱可调光源在农业中研究植物生长发育、太阳能电池的标定与检测、生物制品检测、材料的老化耐辐射试验等方面均有着广泛的应用。
目前，研究人员报道了各种基于LED光谱可调光源技术的研究：美国的NationalInstitute ofStandards and Technology实验室将多种不同光谱分布的LED集成到一个完整的积分球内，理论上可以模拟可见光波段任意形状的光谱分布；中国科学院安光所通用光学定标与表征技术重点实验室的袁银麟等研究人员，研制出了一款用于遥感辐射定标的LED光谱可调光源，其积分球混光系统的直径达到3m、开孔直径达到1m；日本东京农业科技大学的Kohraku和Kurokawa两位学者采用白光LED、蓝光LED、红光LED、红外LED光源等四到六种不同颜色的小功率LED研制了一款四边形平面式结构的太阳光光谱可调光源；Namin等用四种单色(红、绿、蓝、白)的大功率LED和五种多色的RGB灯珠，研制了几种不同的光谱可调光源与一种透明散射板式混光系统，尺寸约为227.5mm×227.5mm；Tavakoli等利用19种不同波段的LED设计了一种新型的光谱可调光源，覆盖到250nm～1000nm波段，装置内的LED都安装在附有导热胶带的六角金属芯印刷电路板上来实现混光效果。
LED光谱可调光源技术的核心是控制各LED发出不同强度的光束，再对不同波长的光进行混光操作，得到均匀性良好的输出光。输出光束的均匀性主要受到LED混光系统的影响。
相较于透明散射板式、六角金属芯型等混光系统，积分球输出光束的质量更优。在遥感辐射定标等领域，积分球混光系统作为标准光源，直径达到了几米，因其体积较大、成本较高，且LED通常分布在积分球上，导致电路设计较为复杂。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种半积分球式的LED光谱可调光源装置，将半积分球与高反射率平面镜相结合，缩小混光系统体积的同时，显著提高输出光束的辐照度与均匀性。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种半积分球式的LED光谱可调光源装置，其结构特点是：
利用半积分球与高反射率平面镜组成混光系统，将多个大功率LED阵列，作为所述混光系统的光源；
以所述半积分球作为实物半球，内壁涂覆漫反射涂层，球面居中开设沿圆形开口面中轴线方向出光的出光口；所述高反射率平面镜镜面的反射率高于漫反射涂层的反射率，以镜面朝内、可拆卸地封装于半积分球的圆形开口面，通过对所述实物半球成像形成虚物半球，由虚物半球与实物半球组合形成完整积分球结构的所述混光系统；多个大功率LED可拆卸，环绕圆形开口面的中轴线呈周向等距阵列在高反射率平面镜上，位于高反射率平面镜与半积分球相接处，各大功率LED的波段不同，光强分别可调；通过所述混光系统对光源输出光束多次反射，形成混合均匀的光束并自所述出光口出射。
本发明的结构特点也在于：
所述高反射率平面镜的镜面反射率为98％-99.5％，所述漫反射涂层的反射率为94％-98％。
所述漫反射涂层为聚四氟乙烯涂层。
还包括光谱仪与上位机；所述光谱仪用于采集所述混光系统的输出光谱，以及用于获取目标光谱，并将所述输出光谱与目标光谱输入上位机；所述上位机用于对输出光谱与目标光谱的比对分析，依据分析结果输出调制信号，所述调制信号用于对各大功率LED光强的调节。
所述目标光谱包括光谱波段380nm-800nm的AM1.5标准太阳光谱、光谱波段380nm-780nm的海洋光谱和沙漠光谱、光谱波段400nm～780nm的植被光谱。
设有24种不同波段的大功率LED。
多个大功率LED的光强通过调光驱动系统分别可调；所述调光驱动系统以220V家用交流电作为供电电源，经开关电源转换为低压恒压直流电后，通过由单片机控制的PWM调光模块输出恒定电流到各大功率LED，并实现对各大功率LED光强的单独调节。
所述大功率LED的启动电压为3V，开关电源的电压为3.3V。
所述高反射率平面镜上按照各大功率LED的位置分布与外形尺寸对应开设多个安装孔，各大功率LED分别可拆卸地安装在相应的安装孔处，露出于半积分球内。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、简化结构、降低制造难度与成本；
本发明利用积分球的漫反射原理和平面镜反射原理，将半积分球实物通过高反射率平面镜的镜面反射形成虚物半球，实物半球与虚物半球组合形成完整积分球结构的混光系统，该混光系统的体积相较于传统积分球结构混光系统的体积大幅缩减，缩减幅度近50％，半积分球与高反射率平面镜之间、高反射率平面镜与光源之间的组装结构简洁，降低了制造难度与成本，此外，由于各大功率LED是分布在高反射率平面镜上，简化了电路结构，同时降低了电路设计的难度；
2、混光效果更佳；
半积分球与高反射率平面镜所组成的混光系统相较于传统积分球结构混光系统，能够显著提高输出光束的辐照度与均匀性，各波段大功率LED的光强分别可调，使本发明LED光谱可调光源可实现用于对任意目标光谱的拟合，应用范围广，兼具经济性与实用性。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是半积分球的结构示意图；
图3是高反射率平面镜的结构示意图；
图4是大功率LED的位置分布示意图；
图5是调光驱动系统的电路结构框图；
图6是PWM调光模块对其中一路大功率LED调光的电路原理示例图；
图7是半积分球模块内任意点辐照度示意图；
图8是传统积分球与本实施例半积分球模块辐照度随反射率比值变化示意图；
图9是传统积分球辐照度仿真分析结果的图像示意图；
图10是传统积分球辐照度仿真分析结果的纵横方向分布曲线示意图；
图11是本实施例半积分球模块辐照度仿真分析结果的图像示意图；
图12是本实施例半积分球模块辐照度仿真分析结果的纵横方向分布曲线示意图；
图13是目标光谱为AM1.5标准太阳光谱时的光谱拟合效果曲线图；
图14是目标光谱为海洋光谱时的光谱拟合效果曲线图；
图15是目标光谱为沙漠光谱时的光谱拟合效果曲线图；
图16是目标光谱为植被光谱时的光谱拟合效果曲线图。
图中，11半积分球；12出光口；13高反射率平面镜；14安装孔；15大功率LED；2光谱仪；3上位机；4电源模块；5PWM调光模块；6支撑架体。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参照图1至图4，本实施例的半积分球式的大功率LED光谱可调光源装置利用半积分球11与高反射率平面镜13组成混光系统，将多个大功率LED 15阵列，作为混光系统的光源；
以半积分球11作为实物半球，内壁涂覆漫反射涂层，球面居中开设沿圆形开口面中轴线方向出光的出光口12；高反射率平面镜13镜面的反射率高于漫反射涂层的反射率，以镜面朝内、可拆卸地封装于半积分球11的圆形开口面，通过对实物半球成像形成虚物半球，由虚物半球与实物半球组合形成完整积分球结构的混光系统；多个大功率LED 15可拆卸，环绕圆形开口面的中轴线呈周向等距阵列在高反射率平面镜13上，位于高反射率平面镜13与半积分球11相接处，各大功率LED 15的波段不同，光强分别可调；通过混光系统对光源输出光束多次反射，形成混合均匀的光束并自出光口12出射。
具体实施中，该装置相应的结构设置也包括：
高反射率平面镜13的镜面反射率为98％-99.5％，漫反射涂层的反射率为94％-98％。
漫反射涂层为聚四氟乙烯涂层，对紫外至近红外波段具有高反射率。
装置还包括通过USB连接的光谱仪2与上位机3；光谱仪2用于采集混光系统的输出光谱，以及用于获取目标光谱，并将输出光谱与目标光谱输入上位机3；上位机3用于对输出光谱与目标光谱的比对分析，依据分析结果输出调制信号，调制信号用于对各大功率LED15光强的调节。
目标光谱包括光谱波段380nm-800nm的AM1.5标准太阳光谱、光谱波段380nm-780nm的海洋光谱和沙漠光谱、光谱波段400nm～780nm的植被光谱。
设有24种不同波段的大功率LED 15。
多个大功率LED 15的光强通过调光驱动系统分别可调；调光驱动系统如图5与图6所示，其中的电源模块4是以220V家用交流电作为供电电源、经开关电源转换为低压恒压直流电，之后通过由单片机控制的PWM调光模块5输出恒定电流到各大功率LED 15，并实现对各大功率LED 15光强的单独调节。
大功率LED 15的启动电压为3V，开关电源的电压为3.3V。
该调光驱动系统的设计思路大致是：
由LED的特性可知，需要使用低压直流的恒流源驱动，常用的220V家用交流电无法直接对其供电，因此需要先将220V家用交流电转换成低压恒压源。本实施例挑选24种不同波段的大功率LED 15阵列作为光源，启动电压基本在3V左右，每颗大功率LED 15的功率加和之后的总功率最高不超过24W，为使大功率LED 15能正常工作，选择输出功率为30W、电压为3.3V的开关电源作为低压恒压源。
因为LED光谱可调光源装置用于光谱拟合时，各通道不同波长大功率LED 15的亮度均不相同，相应通过的电流都需要单独控制，所以需设计单独的模块来控制通过不同通道大功率LED 15的电流大小。脉冲驱动技术是最为成熟常见的调光方式。设LED上导通电流的最大值为Imax，此时的占空比为N，那么通过LED的平均电流Iave与占空比N之间的关系，如下式(1)所示。
Iave＝N×Imax (1)
模块的输出电流与占空比成正比，在占空比为0时，输出电流为0，占空比为100％时，输出电流为最大。另外，只要设计适当的整流放大电路对输出电流进行放大整流，就可以将PWM调光后的放大电流近似为直流。
下面只需设计24路的PWM波形生成器，即可对控制上述电源的输出。本实施例选择STM32F103ZET6作为PWM波形生成器和下位机编程平台，该型号STM32嵌入机拥有2个基本定时器、3个通用定时器和2个高级定时器，最多可以产生30路PWM输出，满足光谱拟合实验所需要求，并且嵌入机可以通过USB接口实现与上位机3的通信。
调光驱动系统的总体框架如图5所示。PWM调光模块通过STM32进行控制，可以实现对24路大功率LED 15光强的单独控制调节。STM32的核心电路板包括其基本运行电路，只需连接其外围电路，将各PWM波形输出引脚接到PWM调光模块PWM输入端即可实现对大功率吧LED阵列的驱动控制。另外，需将STM32的对地端与PWM波形信号的对地端连接在同一个地上，才能使PWM调光模块正常工作。
作为示例，PWM调光模块对其中一路大功率LED 15调光的电路原理图如图6所示：
PWM引脚1、2接PWM波输入信号的正负极，三极管Q2、Q3组成图腾柱加大驱动能力，R2为图腾柱提供电流，R3防止PWM信号不稳定，输出的电流经过MOS管Q1放大后外接到LED上，电阻R1可以限流降压保护LED，且图6中GND地端应与PWM信号所连接的地端一致。PWM调光模块输出的是一个跟随PWM信号大小变化的恒定电流，电流的大小与PWM输入的占空比成正比。
高反射率平面镜13上按照各大功率LED 15的位置分布与外形尺寸对应开设多个安装孔14，各大功率LED 15分别可拆卸地安装在相应的安装孔14处，露出于半积分球11内。
装置由支撑架体6架设，支撑架体6可以是万向支架，使装置的位置可调，并需注意，出光口12处外部应无遮挡，避免影响光谱仪2的采集。
以上各可拆卸组装的拆装方式均为常规结构形式，例如法兰装配、卡装等。
本实施例基于积分球的漫反射原理和高反射率平面镜的反射原理，将半积分球的实物半球通过镜面反射形成虚物半球，实物半球与虚物半球组合形成完整积分球结构的混光系统，如图7所示；
假设半积分球内壁漫反射涂层的反射率为ρ，平面镜的反射率为ρ0，半积分球内壁半径为R。当一束辐射通量为φ的入射光线照射在传统积分球内壁任意面元上，产生的辐射照度应为E0。然而，半积分球加平面镜的混光系统内任意面元(如dA)处产生的辐照度dE'0，应是一次漫反射光线SA和一次镜面反射光线SCA两部分辐照度之和：
dE'0＝dE0+ρ0×dE0＝(1+ρ0)dE0 (1)
同理，在出口面元O处产生的一次辐照度，应是漫反射SAMO和镜面反射SCAMO两部分之和：
因此，产生的二次辐照度，应为漫反射SA0AMO和镜面反射SBA0AMO两部分之和：
比较上两式半积分球内产生上的一次辐照度和二次辐照度，可以推出反射辐亮度经积分球内壁三次、四次、……、n次漫反射辐照度分别为 因此在半球内壁某一面元上的总辐照度应为：
由上述半积分球加平面镜的混光系统内的辐照度公式推导类比，可得传统积分球出光口处面元的总辐照度为E：
半积分球加平面镜的混光系统内，出光口处面元的总辐照度为E'，可以得到在理想情况下，本实施例混光系统与传统积分球上面元的辐照度之比为：
式中，ρ为漫反射涂层的反射率，ρ0为高反射率平面镜的反射率。
可知，本实施例半积分球加高反射率平面镜的混光系统，其半积分球内面元与传统积分球内面元上辐照度大小之比，只与漫反射涂层的反射率ρ和高反射率平面镜的反射率ρ0有关。将ρ和ρ作为变量，可以得到本实施例半积分球与传统积分球上面元辐照度随反射率的变化关系，如图8所示。
可以看出，若漫反射涂层的反射率ρ越小，镜面反射率ρ0越大，本实施例半积分球相对于传统积分球上面元的辐照度更大，光束在半积分球内的损失会更小。因此，只要保证高反射率平面镜的反射率ρ0足够大，即可实现本实施例混光系统出光口处的辐照度高于传统积分球混光系统。
为验证本实施例混光系统相对于传统积分球混光系统的辐照度增益情况，利用蒙特卡洛法原理，对大功率LED发出的光束在本实施例混光系统和传统积分球混光系统内的混光情况进行光线追迹仿真分析，对比结果参见图9-图12。
可以看出，在相同个数的大功率LED和发光强度的仿真条件下：
传统积分球的出光口处辐射照度最大值为0.39100W/m2，平均值为0.26704W/m2，最小值为1.4563e-019W/m2；
本实施例混光系统的出光口处辐照度最大为0.47041W/m2，平均值为0.31718W/m2，最小值为6.8251e-019W/m2。
此对比结果验证了本实施例混光系统在高反射率平面镜反射率ρ0足够大时，出光口处的辐照度高于传统积分球混光系统。此外，从辐照度的二维图像和纵横方向分布曲线以及三维图像也可以看出，相较于传统积分球混光系统，本实施例混光系统出光口处的辐照均匀性更加理想。
本实施例适用于对环境监测仪器定标，例如应用于遥感辐射定标领域，相较于传统积分球混光系统，可以大幅缩减制作成本，也适用于完成对目标光谱的拟合实验，例如针对植物生长领域可以形成低成本且大范围的可调光源系统，便于研究不同光强、光质、光频率对于植物生长发育促进效果等。装置总体通过上位机进行控制调节，控制STM32各引脚产生不同的PWM波形输出，然后通过PWM调光模块连接大功率LED阵列，连接大功率LED阵列经过半积分球加高反射率平面镜的混光系统将混合均匀的光束输出到光谱仪的光纤探头上，再通过上位机对采集到的光谱进行实时调节以拟合实际需要的目标光谱。
本实施例选择了环境监测中常见的太阳光谱、海洋光谱、沙漠光谱和植被光谱作为目标光谱，以下为在本实施例基础上的进一步拟合实验示例：
1.1、实验结果
1)AM1.5标准太阳光谱
首先，利用本实施例装置对AM1.5标准太阳光谱进行拟合复现，通过光谱拟合算法拟合得到的各波长大功率LED最优比例系数如下表1所示。
表1LED拟合AM1.5太阳光谱的最优比例系数
| 峰值波长/nm | 比例系数 | 峰值波长/nm | 比例系数 |
| 380 | 0.9138 | 560 | 0.8494 |
| 400 | 0.5456 | 590 | 0.5588 |
| 410 | 1.0256 | 600 | 0.5270 |
| 420 | 0.1758 | 610 | 0.7484 |
| 430 | 1.0259 | 630 | 0.9947 |
| 450 | 0.9882 | 650 | 0.6076 |
| 460 | 0.6440 | 660 | 0.7081 |
| 480 | 1.2120 | 680 | 0.8853 |
| 500 | 1.0425 | 700 | 0.8363 |
| 520 | 0.0000 | 730 | 0.7068 |
| 530 | 0.8444 | 760 | 0.6540 |
| 545 | 0.5606 | 780 | 0.8619 |
图13示出目标光谱为AM1.5标准太阳光谱时的光谱拟合效果。图中，实线为实测光谱分布曲线，点划线为SADE算法拟合得到的光谱曲线，虚线为目标光谱分布曲线。
2)海洋光谱
接着利用装置对海洋光谱进行拟合复现，通过光谱拟合算法得到的各波长大功率LED最优比例系数如下表2所示。
表2LED拟合海洋光谱的最优比例系数
图14示出目标光谱为海洋光谱时的光谱拟合效果。图中，实线为实测光谱分布曲线，点划线为SADE算法拟合得到的光谱曲线，虚线为目标光谱分布曲线。
3)沙漠光谱
然后，利用本实施例装置对沙漠光谱进行拟合复现，通过光谱拟合算法拟合得到的各波长大功率LED最优比例系数如下表3所示。
表3LED拟合沙漠光谱的最优比例系数
| 峰值波长/nm | 比例系数 | 峰值波长/nm | 比例系数 |
| 380 | 0.0519 | 560 | 0.6404 |
| 400 | 0.2020 | 590 | 0.4314 |
| 410 | 0.3965 | 600 | 0.4777 |
| 420 | 0.1165 | 610 | 0.5198 |
| 430 | 0.5591 | 630 | 0.7738 |
| 450 | 0.5208 | 650 | 0.4568 |
| 460 | 0.4195 | 660 | 0.4912 |
| 480 | 0.7293 | 680 | 0.5964 |
| 500 | 0.5790 | 700 | 0.5275 |
| 520 | 0.0695 | 730 | 0.3961 |
| 530 | 0.4633 | 760 | 0.2811 |
| 545 | 0.3967 | 780 | 0.3200 |
图15示出目标光谱为沙漠光谱时的光谱拟合效果。图中，实线为实测光谱分布曲线，点划线为SADE算法拟合得到的光谱曲线，虚线为目标光谱分布曲线。
4)植被光谱
最后，将本实施例光谱可调装置对植被光谱进行拟合复现，通过光谱拟合算法得到的各波长大功率LED最优比例系数如下表4所示。
表4LED拟合沙漠光谱的最优比例系数
| 峰值波长/nm | 比例系数 | 峰值波长/nm | 比例系数 |
| 380 | 0.1079 | 560 | 0.0849 |
| 400 | 0.1571 | 590 | 0.0401 |
| 410 | 0.0543 | 600 | 0.0389 |
| 420 | 0.0391 | 610 | 0.0520 |
| 430 | 0.0700 | 630 | 0.0626 |
| 450 | 0.0531 | 650 | 0.0500 |
| 460 | 0.0243 | 660 | 0.0108 |
| 480 | 0.0558 | 680 | 0.0000 |
| 500 | 0.0542 | 700 | 0.1517 |
| 520 | 0.0000 | 730 | 0.4991 |
| 530 | 0.0976 | 760 | 0.4821 |
| 545 | 0.1074 | 780 | 0.7471 |
图16示出目标光谱为植被光谱时的光谱拟合效果。图中，实线为实测光谱分布曲线，点划线为SADE算法拟合得到的光谱曲线，虚线为目标光谱分布曲线。
1.2、结果分析
为客观地评价实测本实施例LED光谱可调光源装置拟合的光谱与SADE算法和目标光谱的匹配程度，用光谱拟合的评价标准：相关指数(R2)和均方根误差(RMSE)来评价其拟合效果，结果如下表6所示。
表6实测光谱与SADE仿真光谱评价
结合上述实验结果与表6中的评价标准可以看出，目标光谱为AM1.5太阳光谱时，本实施例LED光谱可调光源装置实测光谱能较好地体现其变化趋势，在380nm-450nm波段之间，光谱曲线很好地逼近目标光谱曲线，说明在光谱曲线变化明显的波段适合选用半高全宽值相对较小的LED进行混合，在500nm-600nm波段之间的拟合效果较好，说明在光谱曲线变化较平缓的波段，适合选用的是半高全宽值相对较大的LED进行混合，在700nm-800nm波段拟合曲线出现骤降和骤升，是因为目标光谱曲线变化较大、波谷较多，而选用单色的LED峰值间隔和半高全宽较大，不能很好的满足其变化趋势，若增加LED数目，利用峰值间隔接近且半高全宽值小的单色LED应该能提高匹配度。目标光谱为海洋、沙漠和植被光谱时，本实施例LED光谱可调光源装置的实测光谱均能很好地体现其变化趋势，在某些波段会出现骤升骤将的情况是因为该波段LED的缺失导致，如果增加该波长LED应可以提高拟合的效果。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (9)
1.一种半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：
利用半积分球与高反射率平面镜组成混光系统，将多个大功率LED阵列，作为所述混光系统的光源；
以所述半积分球作为实物半球，内壁涂覆漫反射涂层，球面居中开设沿圆形开口面中轴线方向出光的出光口；所述高反射率平面镜镜面的反射率高于漫反射涂层的反射率，以镜面朝内、可拆卸地封装于半积分球的圆形开口面，通过对所述实物半球成像形成虚物半球，由虚物半球与实物半球组合形成完整积分球结构的所述混光系统；多个大功率LED可拆卸，环绕圆形开口面的中轴线呈周向等距阵列在高反射率平面镜上，位于高反射率平面镜与半积分球相接处，各大功率LED的波段不同，光强分别可调；通过所述混光系统对光源输出光束多次反射，形成混合均匀的光束并自所述出光口出射。
2.根据权利要求1所述的半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：所述高反射率平面镜的镜面反射率为98％-99.5％，所述漫反射涂层的反射率为94％-98％。
3.根据权利要求1或2所述的半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：所述漫反射涂层为聚四氟乙烯涂层。
4.根据权利要求1所述的半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：还包括光谱仪与上位机；所述光谱仪用于采集所述混光系统的输出光谱，以及用于获取目标光谱，并将所述输出光谱与目标光谱输入上位机；所述上位机用于对输出光谱与目标光谱的比对分析，依据分析结果输出调制信号，所述调制信号用于对各大功率LED光强的调节。
5.根据权利要求4所述的半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：所述目标光谱包括光谱波段380nm-800nm的AM1.5标准太阳光谱、光谱波段380nm-780nm的海洋光谱和沙漠光谱、光谱波段400nm～780nm的植被光谱。
6.根据权利要求1所述的半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：设有24种不同波段的大功率LED。
7.根据权利要求1或6所述的半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：多个大功率LED的光强通过调光驱动系统分别可调；所述调光驱动系统以220V家用交流电作为供电电源，经开关电源转换为低压恒压直流电后，通过由单片机控制的PWM调光模块输出恒定电流到各大功率LED，并实现对各大功率LED光强的单独调节。
8.根据权利要求7所述的半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：所述大功率LED的启动电压为3V，开关电源的电压为3.3V。
9.根据权利要求1或6所述的半积分球式的LED光谱可调光源装置，其特征是：所述高反射率平面镜上按照各大功率LED的位置分布与外形尺寸对应开设多个安装孔，各大功率LED分别可拆卸地安装在相应的安装孔处，露出于半积分球内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311820952.3A CN117664860A (zh) | 2023-12-27 | 2023-12-27 | 一种半积分球式的led光谱可调光源装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311820952.3A CN117664860A (zh) | 2023-12-27 | 2023-12-27 | 一种半积分球式的led光谱可调光源装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117664860A true CN117664860A (zh) | 2024-03-08 |
Family
ID=90077078
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311820952.3A Pending CN117664860A (zh) | 2023-12-27 | 2023-12-27 | 一种半积分球式的led光谱可调光源装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117664860A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115185142A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-10-14 | 河南省元化医疗器械有限公司 | 舌面象采集装置 |
-
2023
- 2023-12-27 CN CN202311820952.3A patent/CN117664860A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115185142A (zh) * | 2022-07-11 | 2022-10-14 | 河南省元化医疗器械有限公司 | 舌面象采集装置 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| TWI397708B (zh) | 太陽能電池之量測系統和太陽光模擬器 | |
| CN101290340B (zh) | Led太阳模拟器 | |
| CN117664860A (zh) | 一种半积分球式的led光谱可调光源装置 | |
| JP4551057B2 (ja) | 太陽電池をテストする装置 | |
| CN101581770B (zh) | 一种led灯具流明效率测试方法 | |
| CN1959366A (zh) | 采用窄光束标准光源的led光通量测试装置及测试方法 | |
| CN100590350C (zh) | 基于led的光谱分布可调的光源系统 | |
| Both et al. | Proposed product label for electric lamps used in the plant sciences | |
| CN112203383B (zh) | 一种多光谱led的调光方法 | |
| CN202091913U (zh) | 用于太阳光模拟的led合成光源装置 | |
| CN106353264A (zh) | 适用于绘画色彩保护照明的白光led光谱获取方法 | |
| D'Alessandro et al. | Low cost high intensity LED illumination device for high uniformity solar testing | |
| Deepa et al. | Modeling and simulation of multielement LED source | |
| Shailesh | Energy efficient LED lighting design for horticulture | |
| CN112863317A (zh) | 一种led光源可调的光学实验箱 | |
| CN201429463Y (zh) | 一种led灯具流明效率测试装置 | |
| Naskari et al. | Design and implementation of an indoors light simulator | |
| CN116202741A (zh) | 一种色温箱光源的色温光谱成分复合与自动光谱匹配方法 | |
| JP2014075216A (ja) | ソーラーシミュレータ | |
| CN105351790A (zh) | 非补偿式全固体光源led太阳模拟器 | |
| Almeida et al. | LED-based electronic system to support plant physiology experiments | |
| D'Alessandro et al. | Low cost high intensity LED illumination device for high uniformity laboratory purposes | |
| CN205748642U (zh) | 一种颜色测量装置 | |
| CN201000365Y (zh) | 便携式测色仪 | |
| Dönsberg et al. | Methods for decreasing uncertainties in LED photometry |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |