一種利用熒光傳感器探測(cè)激發(fā)光譜特征的方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的探測(cè)激發(fā)光譜特征的方法和利用該方法制得的光色傳感器裝置，在激發(fā)光譜和熒光材料組成的RGB數(shù)據(jù)庫(kù)支撐下，其功能相比現(xiàn)有的光譜測(cè)量?jī)x器得到很大的拓展。本發(fā)明的目的是提供一種新的探測(cè)激發(fā)光譜特征的方法和運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)的新型光色傳感器裝置，從而更簡(jiǎn)單、更低成本將傳統(tǒng)的各種照度計(jì)、亮度計(jì)、色差計(jì)等(濾光片+光電傳感器)積分式的儀表的測(cè)量能力向分光儀器功能延伸，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)及其算法匹配，使其具備一定范圍內(nèi)的分光能力，具備類似光柵分光儀器的功能，使其能夠分辨透過(guò)濾光片的光色的光譜成分。
【專利說(shuō)明】
一種利用熒光傳感器探測(cè)激發(fā)光譜特征的方法及裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明屬于光輻射測(cè)量領(lǐng)域，涉及一種對(duì)激發(fā)光譜特征識(shí)別的方法，該方法主要用于探測(cè)自紫外線波長(zhǎng)200nm至可見(jiàn)藍(lán)綠光波長(zhǎng)515nm范圍的光譜特征，以區(qū)分來(lái)自不同波段的光譜和光譜峰值及帶寬，并且測(cè)量其強(qiáng)度。
【背景技術(shù)】
[0002]光輻射實(shí)際是物體以電磁波的形式與外界能量交換的方式，輻射的光譜特征與物體的內(nèi)在特征有密切的關(guān)系，例如幾乎所有材料都有自身的特征光譜，所有物體的內(nèi)在結(jié)構(gòu)差異都能在輻射或吸收光譜上得到體現(xiàn)，不管有機(jī)或無(wú)機(jī)材料，因此光譜測(cè)量技術(shù)幾乎在所有領(lǐng)域都找到自己的應(yīng)用。這里重點(diǎn)涉及紫外到可見(jiàn)光的探測(cè)技術(shù)探索，而光柵分光方法是現(xiàn)有技術(shù)公認(rèn)的最精確的測(cè)量方法，光柵分光方法從19世紀(jì)中葉發(fā)展到20世紀(jì)中葉得到完善，日趨成熟。傳統(tǒng)光柵分光器件組成的光路較為復(fù)雜，通常體積偏大(焦距通常在300-500mm)，重量較重(30KG左右)，價(jià)格昂貴(4-30萬(wàn)人民幣)。近30年來(lái)，隨著CCD線陣發(fā)展，開(kāi)始開(kāi)發(fā)焦距為50-100mm的掌上光譜儀，光路構(gòu)架與傳統(tǒng)本質(zhì)上無(wú)異，以CCD線陣為接收器，去除傳統(tǒng)機(jī)械掃描部分，重量降到了 500g左右，低端以CMOS線陣為接收器的產(chǎn)品價(jià)格有所下降，高端的依然很貴，性能上在眾多領(lǐng)域和場(chǎng)合也滿足了要求(盡管無(wú)法達(dá)到傳統(tǒng)方法的精度)。還有一種技術(shù):光電積分技術(shù)。例如各種波段的照度計(jì)(UVC，UVB，UVA，可見(jiàn)光)、亮度計(jì)和色差計(jì)(通常采用RGB積分方法)，這些裝置沒(méi)有分光光柵，而是用濾光片+光電接收器的結(jié)構(gòu)，無(wú)法測(cè)量光譜分布，但可以測(cè)量通過(guò)濾光片的光譜在接收器上響應(yīng)的積分總量，分量輕體積小，便于攜帶，在只需要測(cè)量某波段光譜能量總和而不需要測(cè)量光譜能量分布的場(chǎng)合都可以勝任測(cè)量工作。精度受帶通濾光片的光譜透過(guò)率和接收器光譜響應(yīng)曲線的影響，兩者匹配精度越好，測(cè)量精度越高，但無(wú)論如何都無(wú)法區(qū)分透過(guò)濾光片部分光譜的能量分布。色差計(jì)最典型的是模擬人眼視覺(jué)的XYZ(RGB)曲線的3組(濾光片+光電接收器)，實(shí)際采用3個(gè)不同照度計(jì)構(gòu)成色差計(jì)系統(tǒng)，由于濾光片與光電接收器的匹配精度問(wèn)題(一般〉5% )，不能滿足大多數(shù)光源顏色坐標(biāo)的精確測(cè)量，盡管如此，卻可以區(qū)分兩種顏色之間的差異。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用方便，照度計(jì)和色差計(jì)的應(yīng)用非常廣泛。
[0003]本發(fā)明采用一種新的光學(xué)結(jié)構(gòu)，類似于照度計(jì)或色差計(jì)，只是在濾光片和光電接收器之間插入一層熒光材料層，即(濾光片+熒光材料層+光電接收器)，光電接收器為色彩傳感器-RGB傳感器，而實(shí)際上，每個(gè)RGB傳感器都是一個(gè)色差計(jì)。而關(guān)鍵的中間層-熒光材料，已有近70年的發(fā)展歷史，品種多達(dá)一百多種，最常見(jiàn)的是熒光燈、高壓汞燈的熒光材料，俗稱熒光粉，也有UVC，UVB和UVA為激發(fā)源的各種熒光材料，在顯示領(lǐng)域CRT熒光材料也有非常多不同性能的熒光粉，至今30多年來(lái)，節(jié)能燈(屬UVC熒光材料)和LED(藍(lán)光400-500nm激發(fā)熒光材料)的發(fā)展也取得長(zhǎng)足進(jìn)步。這些非常普遍的熒光材料不僅有自己非常不同的發(fā)射光譜，也有自己不同的激發(fā)光譜(很少被關(guān)注)，本發(fā)明正是研究熒光材料在激發(fā)光譜上的變化，帶來(lái)發(fā)射光譜上的差異，選擇合適的濾光片，配合RGB傳感器，通過(guò)探測(cè)發(fā)射譜的RGB積分能量值的分布關(guān)系，結(jié)合數(shù)據(jù)庫(kù)標(biāo)定可計(jì)算激發(fā)光譜分布特征和強(qiáng)度，結(jié)果比較精確可靠。通過(guò)多個(gè)這樣部件的組合，形成對(duì)廣范圍波長(zhǎng)的激發(fā)光譜探測(cè)，由于幾乎可以封裝成非常小而且牢固的器件(體積可以控制在10x10x10mm3以內(nèi))，能夠方便和智能設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連接，可配置成分布式應(yīng)用，配合不同熒光材料和濾光片組合就形成可探測(cè)不同光譜波段的傳感模塊。以下簡(jiǎn)稱為熒光傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種新的探測(cè)激發(fā)光譜特征的方法和運(yùn)用該方法設(shè)計(jì)的新型光色傳感器裝置，從而更簡(jiǎn)單、更低成本將傳統(tǒng)的各種照度計(jì)、亮度計(jì)、色差計(jì)等(濾光片+光電傳感器)積分式的儀表的測(cè)量能力向分光儀器功能延伸，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)及其算法匹配，使其具備一定范圍內(nèi)的分光能力，具備類似光柵分光儀器的功能，使其能夠分辨透過(guò)濾光片的光色的光譜成分。
[0005]人們過(guò)去大多關(guān)注熒光材料能發(fā)出怎樣的光譜，很少關(guān)注他們?cè)诩ぐl(fā)光譜發(fā)生變化時(shí)，發(fā)射光譜在分布和強(qiáng)度上的細(xì)微變化，本申請(qǐng)的發(fā)明人正是研究熒光材料在激發(fā)光譜上的變化帶來(lái)發(fā)射光譜的差異，選擇恰當(dāng)范圍的濾光片，構(gòu)造該范圍內(nèi)由不同敏感程度的熒光材料組成的熒光層，配合合適的RGB傳感器，就能讓激發(fā)光譜分布特征和強(qiáng)度的差異被測(cè)量出來(lái)。例如，激發(fā)光由Al，A2，A3組成，焚光層由BI，B2兩種材料組成，Al激發(fā)BI得到Blal，激發(fā)B2得到B2al，⑴當(dāng)Al透過(guò)部分也能落在RGB傳感器的測(cè)量范圍時(shí)，RGB傳感器表達(dá)的是(xl.Al+yl.Blal+zl.B2al)的顏色結(jié)果，同理 A2 得到(x2.A2+y2.Bla2+z2.B2a2)，A3 對(duì)應(yīng)結(jié)果(13.厶3+73.13133+23.13233)，11，71，2142，72，22，13，73，23由激發(fā)的量子效率決定，這樣就有基準(zhǔn)譜A1B1B2、A2B1B2、A3B1B2三條光譜曲線組成一定形態(tài)的混合光譜，RGB具備色差測(cè)量能力，通過(guò)比較事先準(zhǔn)備好的AiBlB2組成的RGB數(shù)據(jù)庫(kù)，找出最接近的單元，就能知道激發(fā)光譜來(lái)自Ai，如果A1A2A3同時(shí)激發(fā)，依賴數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)算法模擬RGB累積效果，找出最接近的匹配值，推算激發(fā)光譜A1A2A3的強(qiáng)度值，即得到激發(fā)光譜分布結(jié)果。通過(guò)權(quán)重配置，即得到該混合光譜的能量分布曲線。⑵當(dāng)A透過(guò)部分不落在RGB傳感器的測(cè)量范圍時(shí)(RGB傳感器對(duì)A光譜不敏感，這時(shí)需要挑選熒光材料BI和B2對(duì)激發(fā)譜段有不同的敏感程度或者量子效率)，RGB傳感器表達(dá)是(yl.Blal+zl.B2al)的顏色結(jié)果，同理A2得到(y2.Bla2+^2&2)，厶3對(duì)應(yīng)結(jié)果(73.81&3+23.82&3)，71，21，72，22，，y3，z3由激發(fā)的量子效率決定，這樣就有基準(zhǔn)譜不同強(qiáng)度組合的BI和B2三條光譜曲線組成一定形態(tài)的混合光譜，RGB具備色差測(cè)量能力，通過(guò)比較事先準(zhǔn)備好的B1B2組成的RGB數(shù)據(jù)庫(kù)，找出最接近的單元，就能知道激發(fā)光譜來(lái)自Ai，如果A1A2A3同時(shí)激發(fā)，依賴數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬RGB累積效果，找出匹配最接近的解，推算激發(fā)光譜A1A2A3的強(qiáng)度值，即得到激發(fā)光譜分布結(jié)果。通過(guò)各個(gè)系數(shù)權(quán)重配置光譜分布，即得到該混合光譜的能量分布曲線。(3)由于單個(gè)RGB接收器只能獲得一組3元方程的解，也就是最多獲得3段光譜分布的組合方式，那么單從方程求解角度看，如果3段以上的光譜組合將無(wú)法獲得精確解，解決的方案有兩種:A.增加一組或多組濾光片將波段進(jìn)一步細(xì)分，獲得更多更精細(xì)的光譜分布;B.另一種方案是根據(jù)發(fā)光體實(shí)際狀況，實(shí)際上已知的光源品種是有限的，幾十種而已，每種光源的光譜分布都有自身典型的分布特點(diǎn)(因?yàn)槊糠N光源都基于特定的發(fā)光材料和發(fā)光方式，光譜也是具備特定規(guī)律。)，針對(duì)每種光源特征建立一個(gè)庫(kù)單元，最后組成光源特征庫(kù)，每種光源建立一個(gè)光譜重組模型，可以用數(shù)學(xué)方法通過(guò)重組每種光源在不同情況下的光譜分布，因此將這些有限的光源分布組合輸入RGB計(jì)算模型內(nèi)，同樣可以模擬出最佳匹配解，即為該光源在該波段的光譜分布。
[0006]通過(guò)以上陳述可知，本發(fā)明探測(cè)激發(fā)光譜特征的方法，有兩個(gè)關(guān)鍵之處:在測(cè)量范圍內(nèi)，熒光材料組合具備對(duì)激發(fā)光譜不同波長(zhǎng)敏感程度或曲線不同，可以是一種或多種熒光材料的混合體;制作該熒光材料與激發(fā)光譜組成的RGB庫(kù)。與以往的照度計(jì)、色差計(jì)、分光光譜儀不同，從功能上看，照度計(jì)和色差計(jì)只能測(cè)量積分值，精度依賴濾光片和接收器的匹配精度，分光光譜儀可直接測(cè)量光譜能量分布，指示結(jié)構(gòu)復(fù)雜價(jià)格高。采用本發(fā)明的測(cè)試原理和方法制得的光色傳感器裝置，在激發(fā)光譜和熒光材料組成的RGB數(shù)據(jù)庫(kù)支撐下，其功能相比現(xiàn)有的光譜測(cè)量?jī)x器得到很大的拓展。
[0007]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下:一種激發(fā)光譜探測(cè)方法，該方法包括如下步驟:
[0008]1、制備熒光傳感器:用一片或多片光學(xué)材料、一層或多層光學(xué)材料涂層，構(gòu)成帶通或截止濾光片，在濾光片下面放置熒光材料組成的能夠被透過(guò)濾光片的光譜激發(fā)出熒光的熒光膠片或者熒光材料涂層，在熒光膠片或者熒光材料涂層下設(shè)置一塊色彩RGB傳感器；
[0009]2、相應(yīng)地在一定光譜范圍內(nèi)，用單色儀或其他分光手段產(chǎn)生等間隔和帶寬的單色光，投射到步驟I所述的熒光傳感器，得到一系列與單色光波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的RGB數(shù)據(jù)組，如果RGB傳感器對(duì)激發(fā)光譜不敏感，那么RGB數(shù)據(jù)將是熒光材料的RGB數(shù)據(jù)，如果RGB傳感器同樣對(duì)激發(fā)光譜敏感，RGB數(shù)據(jù)將是透過(guò)熒光層的激發(fā)光譜與被其激發(fā)的熒光材料的混合RGB數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)按規(guī)律排列存儲(chǔ)，形成該光譜范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)RGB基準(zhǔn)庫(kù)(以下稱RGB數(shù)據(jù)庫(kù))；
[0010]3、將被測(cè)光A照射到熒光傳感器接收面，經(jīng)過(guò)濾光片后透過(guò)光譜為B，B激發(fā)熒光材料產(chǎn)生熒光發(fā)射光譜C(以下稱熒光光譜均指C)和激發(fā)光B透射熒光層后光譜稱為Bt(以下稱激發(fā)光透射光譜均指Bt)，色彩RGB傳感器產(chǎn)生由Bt和C混合光譜的RGB信號(hào)RxGxBx，通過(guò)已知的RGB數(shù)據(jù)庫(kù)與RxGxBx匹配模擬運(yùn)算，得到激發(fā)光譜B的分布特征。
[0011 ]進(jìn)一步，所述的步驟2，測(cè)量濾光片對(duì)激發(fā)光譜的透過(guò)分布曲線，根據(jù)測(cè)量精度要求按一定波長(zhǎng)間隔分割激發(fā)光譜，每個(gè)間隔用于激發(fā)以上所述的熒光材料層，得到一系列與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的RGB數(shù)據(jù)RiGiBi與波長(zhǎng)Ai組合為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。所述的步驟2，可替代的方案B是，將現(xiàn)有不同類型的光源，通過(guò)A方案的光譜掃描方式獲得一系列的RiGiBi與波長(zhǎng)Ai對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集組合，另外增加了對(duì)每種光源光譜演變特征和規(guī)律的限定及數(shù)學(xué)描述方法，避開(kāi)A方案可能存在的多解問(wèn)題，同時(shí)更精確地獲得光源3段以上的光譜分布組合。步驟3中，所述的激發(fā)光透射光譜Bt是B直接透過(guò)熒光材料層不參與熒光激發(fā)余下的部分B，其光譜分布同B只是強(qiáng)度衰減。所述的濾光片或?yàn)V光片組，用于決定透過(guò)的光譜范圍。
[0012]所述的熒光材料制作的膠片或者熒光材料涂層，熒光材料的組合可以是一種或多種，熒光材料層能被透過(guò)的光譜激發(fā)，產(chǎn)生熒光光譜。熒光材料對(duì)這一范圍的光譜激發(fā)是有效的，而且有不同的激發(fā)效率或者有差別的熒光光譜，通過(guò)熒光材料的發(fā)射光譜C和激發(fā)光譜Bt的混合RGB出激發(fā)光譜的特征。進(jìn)一步，所述的熒光材料涂層或膠片，可以做成膠片，也可以涂覆在透光的材料上，還可以直接涂覆在濾光片激發(fā)光透過(guò)面;所述的熒光材料可以是單種或多種熒光材料的組合。
[0013]所述的色彩傳感器為接收器或接收組件，接收熒光材料發(fā)射光譜和透過(guò)的激發(fā)光譜直接或間接輻射到的范圍，該傳感器可以是集成的接收器或者幾個(gè)獨(dú)立的接收器組成。
[0014]所述的熒光材料涂層，可以在一組濾光片下有多個(gè)涂層單元，每個(gè)涂層單元發(fā)光區(qū)域放置一個(gè)接收器，而每個(gè)涂層單元有不同類型的熒光材料組成。
[0015]所述的熒光傳感器，可以在在色彩傳感器受光面先涂覆熒光層再涂覆或放置濾光層，這樣不僅讓傳感器小型化，而且提高生產(chǎn)和裝配效率。
[0016]本發(fā)明提供的一種激發(fā)光譜探測(cè)裝置，包括熒光傳感器、光譜數(shù)據(jù)RGB基準(zhǔn)庫(kù)、數(shù)據(jù)采集處理模塊和顯示模塊，數(shù)據(jù)采集處理讀取熒光傳感器的RGB數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)RGB基準(zhǔn)庫(kù)的數(shù)據(jù)匹配運(yùn)算，判定激發(fā)光譜的分布特征和強(qiáng)度并傳輸至顯示模塊顯示或打印。
[0017]進(jìn)一步，上述激發(fā)光譜探測(cè)裝置，所述的熒光材料涂層或膠片，可以是一層膠片，也可以涂覆于透光的材料上，還可以涂覆于濾光片激發(fā)光透過(guò)面。
[0018]進(jìn)一步，上述激發(fā)光譜探測(cè)裝置，所述的色彩傳感器為光電轉(zhuǎn)換接收器或接收組件，接收熒光光譜C和透過(guò)的激發(fā)光譜Bt，可以是帶有濾色片的RGB傳感器或RGB傳感器陣列。
[0019]本發(fā)明的有益效果:
[0020]本發(fā)明提供的一種激發(fā)光譜探測(cè)方法和裝置在濾光片帶寬比較寬的情況下，仍能獲得對(duì)透過(guò)濾光片光譜分布進(jìn)行測(cè)量，不僅可以減少濾光片的種類，還可以使探測(cè)范圍更寬，使原先只有積分性能的光輻射探測(cè)器，具備一定的分光性能。例如，原來(lái)從波長(zhǎng)200nm-400nm測(cè)量，分成3組探頭，S卩UVC(200-275nm)、UVB(275-320nm)、UVA(320-400nm)，至少3組(濾光片組+光電接收器)，濾光片很難控制帶寬，采用本發(fā)明方法只要一組(濾光片+熒光材料層+RGB接收器)即可，而光譜分布的波長(zhǎng)分辨精度可達(dá)10nm，使整個(gè)探測(cè)性能大幅度提高，成本大幅度下降。同樣探測(cè)400-500nm的光譜也只需一組(濾光片+熒光材料層+RGB接收器)，光譜分布分辨能力精度可達(dá)10nm。通過(guò)RGB數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得特定的激發(fā)光譜特征信息，從而確定是某波段的射線強(qiáng)度。在微電子十分發(fā)達(dá)的今天，運(yùn)算和存儲(chǔ)的成本都非常低，本發(fā)明的測(cè)試裝置件可以把尺寸縮小到毫米級(jí)別，十分方便可以單獨(dú)作為一個(gè)傳感器部件，嵌入儀器儀表或設(shè)備中，作為一個(gè)探測(cè)器件廣泛使用。讓原來(lái)類似的測(cè)量?jī)x器只有在實(shí)驗(yàn)室才有，通過(guò)本發(fā)明的傳感器應(yīng)用，無(wú)論成本或尺寸、重量，都適合作為一個(gè)傳感器部件，應(yīng)用到需要的場(chǎng)合。光不僅用于照明，也在其他領(lǐng)域特別生物醫(yī)療農(nóng)業(yè)方面得到廣泛的應(yīng)用，光生物學(xué)近年來(lái)得到前所未有的發(fā)展，正是在這樣的背景下，本發(fā)明的傳感器可植入各種場(chǎng)合或網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)云為需要的人隨時(shí)服務(wù)。對(duì)于顯示屏的圖像顯示，應(yīng)用本發(fā)明的傳感器可測(cè)試顯示屏RGB比例，確定屬于哪類背光光源(只有確定哪類光源，才可校準(zhǔn)到最佳狀態(tài))，選擇相應(yīng)的校正模型，將顯示效果調(diào)整到所需要的結(jié)果；有幾種情況需要校正:使用時(shí)間久了，背光衰退導(dǎo)致的顯示誤差；多屏之間顯示不一致，調(diào)整到一致；出廠校準(zhǔn);顯示與圖像輸出不一致，校準(zhǔn)到一致。
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1為本發(fā)明的熒光傳感器4種基本結(jié)構(gòu)和形式示意圖。
[0022]圖2為本發(fā)明的UVAUVB UVC熒光傳感器最基本結(jié)構(gòu)示意圖，濾光片取200_400nm，熒光膠片用3種熒光材料作為感光部分，RGB傳感器區(qū)分熒光RGB強(qiáng)度。
[0023]圖3本發(fā)明的可見(jiàn)藍(lán)光測(cè)量典型的熒光傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，濾光片采用410-510nm，熒光膠片可以用YAG、氮化物、硅酸鹽等LED熒光材料。
[0024]圖4為本發(fā)明利用熒光傳感器探測(cè)激發(fā)光譜的方法流程圖。
[0025]附圖標(biāo)記說(shuō)明:
[0026]IA-入射光譜，B-經(jīng)過(guò)濾光片過(guò)濾后透過(guò)的光譜，C-由B激發(fā)產(chǎn)生的熒光光譜，Bt-未參與熒光激發(fā)直接透過(guò)熒光膠片的B光譜部分，(RxGxBx)-分別是RGB傳感器對(duì)(Bt和C)混合光譜產(chǎn)生的RGB值。
[0027]2A是被測(cè)光譜，通過(guò)一塊透過(guò)200-400nm光譜的濾光片讓UVA，UVB，UVC透過(guò)，其他截止，B代表了 A中的紫外線成份，熒光膠片被B激發(fā)出可見(jiàn)熒光C，Bt是未參與激發(fā)直接透過(guò)熒光層的部分B，RGB傳感器只能將可見(jiàn)熒光C轉(zhuǎn)化為RGB值:Rx，Gx，Bx。RxGxBx可被采集電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，送交需要的處理電路。
[0028]3A是被測(cè)光譜，通過(guò)一塊透過(guò)400-510nm光譜的濾光片讓藍(lán)光透過(guò)，其他截止，B代表了 A中的藍(lán)色成份，熒光膠片被B激發(fā)出可見(jiàn)熒光C，Bt是未參與激發(fā)直接透過(guò)熒光層的部分B，由于Bt也是可見(jiàn)光，RGB傳感器將可見(jiàn)焚光C和未參與激發(fā)直接透過(guò)的部分藍(lán)光Bt的混合光譜轉(zhuǎn)化為RGB值:Rx，Gx，Bx。RxGxBx可被采集電路轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，送交需要的處理電路。
[0029]4A為入射光譜，含有能夠?qū)晒饽z片激發(fā)出熒光的光譜成份B，經(jīng)過(guò)濾光片過(guò)濾后，B成份通過(guò)濾光片，其他部分光譜被截止，因此濾光片作用是將B光譜從A光譜中篩選出來(lái)，B激發(fā)熒光膠片產(chǎn)生熒光光譜C，Bt則是B中沒(méi)有參與激發(fā)熒光膠片直接穿透膠片的B光譜部分，通常膠片濃度低Bt比例高，濃度高Bt比例低，RGB傳感器則是測(cè)量Bt和C混合譜的RGB值，即為Rx Gx Bx，通過(guò)對(duì)B光譜中不同譜段(例如從400-5 1nm每1nm作為一個(gè)譜段Ai)建立Rxi Gxi Bxi與譜段Ai相對(duì)應(yīng)的RGB熒光數(shù)據(jù)庫(kù)，查閱比對(duì)，通過(guò)運(yùn)算找出最接近光譜B效果的光譜組合，從而逆向推算出B激發(fā)光譜的能量分布特征。
[0030]為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明熒光傳感器的原理和效果，以探測(cè)藍(lán)光波段(400-510nm)和紫外波段(200_400nm)為例。
【具體實(shí)施方式】
[0031 ]實(shí)施例1制作一個(gè)單探頭實(shí)現(xiàn)UV波長(zhǎng)(200nm-400nm)的能量分布測(cè)量
[0032]如圖2所示，構(gòu)造一個(gè)(200nm-400nm)紫外照度計(jì)，單個(gè)傳感器探頭實(shí)現(xiàn)整個(gè)波段的測(cè)量。
[0033]紫外UV的分類方法是這樣的，200nm-275nm定義為UVC，275nm_320nm定義為UVB，320nm-400nm定義為UVA，UVC能直接殺滅細(xì)菌同樣能破壞人體細(xì)胞組織，UVB促進(jìn)動(dòng)物D3吸收及骨骼生長(zhǎng)但也使人的皮膚曬傷，UVA能促進(jìn)動(dòng)物進(jìn)食也能讓人的皮膚老化，紫外線需要利用也需要防護(hù)。太陽(yáng)光由于大氣層的遮擋，UVC無(wú)法到達(dá)地面，而UVB，UVA較強(qiáng)，大多數(shù)人造光源都可能有一定紫外線，不管利用還是防護(hù)紫外都需要通過(guò)測(cè)量結(jié)果去評(píng)估。利用熒光傳感器制作紫外照度計(jì)，同時(shí)獲得UVC，UVB，UVA的能量值，相比傳統(tǒng)方法，成本要低很多。
[0034]濾光片采用紫外玻璃一片透過(guò)200nm-400nm;選擇集成RGB傳感器作為接收器(在一塊芯片上集成RGB三種顏色接受單元)，藍(lán)光敏感單元B對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍420-540nm，峰值460nm，濾光敏感單元G對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍480_620nm，峰值545nm，紅光敏感單元R對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍530-710nm，峰值610nm;選擇熒光材料制作熒光涂層，我們用Y203:Eu做為UVC的接收熒光敏感材料，在UVC照射下獲得RGB值定義為Re,Gc1Bc,通常Re約為96%，Ge約為4%，Be基本為O % ；用MgA111016: (Ce，Tb)作為UVC和UVB同時(shí)敏感的熒光材料，在UVC和UVB照射下獲得的RGB值為Rcb，Gcb，Bcb，通常Rcb為 10 %，Gcb為75 %，Bcb為 15 % ；用(Ba，Mg)Al 16027: Eu作為UVC-UVB-UVA敏感的熒光材料，在三者的作用獲得RGB值為Rcba，Gcba，Bcba，通常Rcba為0%，Gcba為15%，Bcba為85%，按一定比例將以上三種熒光材料混合均勻，涂覆在一片玻璃片上形成適當(dāng)厚度的熒光涂層;在入射光A同軸方向，依次放置濾光片、熒光涂層、RGB集成傳感器，濾光片透過(guò)部分B的波長(zhǎng)為200-400nm，B照射熒光涂層產(chǎn)生熒光C，部分B直接透過(guò)熒光涂層稱為Bt，由于所用的RGB傳感器對(duì)B波段光譜不敏感，實(shí)際RGB傳感器接收的信息就是C光譜的RGB值RxGxBx，通常熒光涂層調(diào)整到UVC紫外254nm激發(fā)下C的顏色成白光，此時(shí)Rx約24%，Gx約40%，Bx約36% ;這時(shí)UVB照射獲得RGB值百分比約R:G:B = 8:40:52;只有UVA照射時(shí)獲得RGB值百分比約R: G: B = 0: 15:85。由于RGB傳感器的R: G: B強(qiáng)烈依賴激發(fā)波長(zhǎng)的變化，那么在200-400nm波段之間用一定間隔(20nm)譜段Ai去標(biāo)定熒光涂層的RGB值獲得相應(yīng)的RiGiBi，形成與激發(fā)波長(zhǎng)Ai對(duì)應(yīng)的RiGiBi數(shù)據(jù)庫(kù)。熒光傳感器的工作過(guò)程如下，入射光為Az時(shí)，經(jīng)過(guò)濾光片后為Bz紫外線，Bz激發(fā)熒光涂層使RGB傳感器接收到的RGB值為RxGxBx，在數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找與之最近RiGiBi值，如果匹配度很高即確認(rèn)Bz為波段，如果匹配度不高則用二元以上多元匹配解，獲得一組不同λ?，組成Bz光譜分布，即RGB值總強(qiáng)度則是各個(gè)譜段強(qiáng)度之和，ai為各譜段的強(qiáng)度貢獻(xiàn)系數(shù)，以入1)、6(入1)、8(入1)是數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)\1的!^6181Rx= Eai*R(Ai),Gx= Eai*G(Ai),Bx= Eai*B(Ai)，分別累計(jì) UVC、UVB、UVA 光譜段的強(qiáng)度值，就相應(yīng)得到三者的輻射照度值。雖然運(yùn)算過(guò)程復(fù)雜，需要計(jì)算機(jī)輔助求解，但是其結(jié)構(gòu)卻非常簡(jiǎn)單，通過(guò)熒光材料優(yōu)化和計(jì)算模型合理匹配，達(dá)到由于傳統(tǒng)的精度，其成本可控制在原來(lái)的10%，體積可縮小到幾毫米大小。適合作為嵌入式系統(tǒng)傳感器部件植入，完全數(shù)字化，微型化。
[0035]而傳統(tǒng)方法無(wú)法用一組濾光片分離三者的能量比，經(jīng)常是用三組濾光片，加三個(gè)光電池得到UVCUVBUVA的值。在很多工業(yè)檢測(cè)或照明、醫(yī)療檢測(cè)，我們都需要對(duì)紫外線進(jìn)行分辨應(yīng)用和防護(hù)，例如殺菌消毒，動(dòng)物養(yǎng)殖，人體光生物學(xué)研究和應(yīng)用等等，本發(fā)明的低成本大解決方案，使紫外測(cè)量?jī)x器應(yīng)用得到普及成為可能，紫外利用和防護(hù)更為科學(xué)化。
[0036]實(shí)施例2:構(gòu)造LED藍(lán)光測(cè)量裝置:測(cè)量410-51 Onm的藍(lán)光特征。
[0037]如圖3所示，構(gòu)造一個(gè)測(cè)量LED藍(lán)光光譜特征傳感器探頭。
[0038]LED是發(fā)光二極管的簡(jiǎn)稱，LED發(fā)明至今已經(jīng)有60多年的歷史了，但是作為適用于照明的白光LED卻是近幾年的事情，白光LED的發(fā)光原理是通過(guò)LED的PN結(jié)中心發(fā)射波長(zhǎng)為420-480nm藍(lán)光，該藍(lán)光投射到外層的熒光材料涂層發(fā)出綠色到紅色的熒光光譜，同時(shí)有部分藍(lán)光未參加激發(fā)而直接透過(guò)熒光涂層，與LED激發(fā)出綠色到紅色的熒光光譜，一起合成人眼看到的白光，因此，LED的白光分兩部分:一部分來(lái)自熒光粉發(fā)出的熒光光譜，另一部分則是穿透熒光涂層后的LED藍(lán)光;LED之所以如此重要，是因?yàn)樗黄屏斯逃袀鹘y(tǒng)發(fā)光的機(jī)理，它是半導(dǎo)體發(fā)光器件，給眾多科學(xué)家注入了前所未有的想象力。
[0039]然而，藍(lán)光的發(fā)光效率因PN結(jié)發(fā)熱而下降，因PN結(jié)發(fā)熱藍(lán)光發(fā)生光譜偏移和帶寬增加引起LED發(fā)光顏色不穩(wěn)定，藍(lán)光光譜特征變化的只是宏觀表象，根本的原因是LED的PN結(jié)溫度發(fā)生了變化，散熱設(shè)計(jì)成了 LED光源的核心設(shè)計(jì)之一，似乎LED整個(gè)核心光和熱都與藍(lán)光有密切關(guān)聯(lián)，從藍(lán)光測(cè)量入手，意味著可以遠(yuǎn)距離非接觸去了解LED的內(nèi)部工作狀態(tài)，更安全更快捷更準(zhǔn)確。
[0040]本實(shí)例選擇濾光片采用一片透過(guò)410nm-490nm的藍(lán)色玻璃作為濾光片，讓LED藍(lán)光透過(guò)其他截止；選擇集成RGB傳感器作為接收器(在一塊芯片上集成RGB三種顏色接受單元)，藍(lán)光敏感單元B對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍420-540nm，峰值460nm，濾光敏感單元G對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍480-620nm，峰值545nm，紅光敏感單元R對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)范圍530-7 1nm，峰值6 1nm;選擇熒光材料YAG熒光粉+硅膠制作熒光膠片;傳感器布置在光的入射方向，依次為濾光片-熒光膠片-RGB接收器，三者同軸布置;RGB數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，在410-490nm光譜范圍內(nèi)，每間隔5nm用單色波長(zhǎng)λ?去照射熒光傳感器，RGB接收器產(chǎn)生相應(yīng)的RGB值RiGiBi，形成與激發(fā)波長(zhǎng)Ai對(duì)應(yīng)的RiGiBi數(shù)據(jù)庫(kù)。熒光傳感器測(cè)量基本過(guò)程如下，LED入射光為Az時(shí)，經(jīng)過(guò)濾光片后為Bz藍(lán)光，Bz激發(fā)熒光涂層使RGB接收器產(chǎn)生RGB值為RxGxBx，在數(shù)據(jù)庫(kù)中尋找與之最近RiGiBi值，如果匹配度很高即確認(rèn)Bz為波段，如果匹配度不高則用二元以上多元匹配解，獲得一組不同λ?，組成Bz光譜分布，即RGB值總強(qiáng)度則是各個(gè)譜段強(qiáng)度之和，ai為各譜段的強(qiáng)度貢獻(xiàn)系數(shù)，R(λi)、G(λi)、B(λi)是數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)λi的RiGiBi，Rx=Σai*R(λi)，Gx=Σai*G(λi)，Bx= Eai*B(Ai)，有強(qiáng)度系數(shù)ai和構(gòu)成了LED藍(lán)光的光譜分布，即完成對(duì)藍(lán)光光譜特征的測(cè)量。對(duì)三元以上求解需要借助計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算求解，參考以上提出解決3段以上光譜組合的解決方案:A方案和B方案。
[0041 ]由于對(duì)藍(lán)光的應(yīng)用研究是研究LED光源的核心問(wèn)題，從藍(lán)光的光譜可以推斷LED工作的很多微觀參數(shù)，例如LED結(jié)溫，就與藍(lán)光變化有密切關(guān)聯(lián)，而結(jié)溫直接影響發(fā)光效率和壽命，同時(shí)引起顏色的變化。因此，透徹研究藍(lán)光是LED研究的重點(diǎn)，本發(fā)明給帶來(lái)廣大照明工程師一種便捷高效開(kāi)發(fā)和診斷工具，為設(shè)計(jì)的效果和可靠性提供有相當(dāng)價(jià)值的判斷方法。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種激發(fā)光譜能量分布的探測(cè)方法，該方法包括如下步驟: 1)制備熒光傳感器:用一片或多片光學(xué)材料、一層或多層光學(xué)材料涂層，構(gòu)成帶通或截止濾光片，在濾光片下面放置熒光材料組成的能夠被透過(guò)濾光片的光譜激發(fā)出熒光的熒光膠片或者熒光材料涂層，熒光膠片或熒光材料涂層構(gòu)成熒光涂層單元，在熒光膠片或者熒光材料涂層下設(shè)置一塊色彩RGB傳感器； 2)相應(yīng)地在一定光譜范圍內(nèi)，用單色儀或其他分光手段產(chǎn)生等間隔和帶寬的單色光，投射到步驟I)所述的熒光傳感器，得到一系列與單色光波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的RGB數(shù)據(jù)組，如果RGB傳感器對(duì)激發(fā)光譜不敏感，那么RGB數(shù)據(jù)將是熒光材料的RGB數(shù)據(jù)，如果RGB傳感器同樣對(duì)激發(fā)光譜敏感，RGB數(shù)據(jù)將是透過(guò)熒光層的激發(fā)光譜與被其激發(fā)的熒光材料的混合RGB數(shù)據(jù)，將這些數(shù)據(jù)按規(guī)律排列存儲(chǔ)，形成該光譜范圍內(nèi)的光譜數(shù)據(jù)RGB基準(zhǔn)庫(kù)； 3)將被測(cè)光A照射到熒光傳感器接收面，經(jīng)過(guò)濾光片后透過(guò)光譜為B，B激發(fā)熒光材料產(chǎn)生熒光發(fā)射光譜C和激發(fā)光透射光譜Bt，色彩RGB傳感器產(chǎn)生由Bt和C混合光譜的RGB信號(hào)RxGxBx，通過(guò)已知的RGB數(shù)據(jù)庫(kù)與RxGxBx匹配模擬運(yùn)算，得到激發(fā)光譜B的分布特征。2.如權(quán)利要求1所述的激發(fā)光譜探測(cè)方法，其特征在于:所述的步驟2)中測(cè)量透過(guò)濾光片的光譜能量分布，根據(jù)測(cè)量精度要求按一定波長(zhǎng)間隔分割激發(fā)光譜得到單色光波長(zhǎng)λ?，λi激發(fā)以上所述的熒光材料層，得到一系列與波長(zhǎng)Ai對(duì)應(yīng)的RGB數(shù)據(jù)RiGiBi ,RiGiBi與波長(zhǎng)λi對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集組合為一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)。3.如權(quán)利要求1所述的激發(fā)光譜探測(cè)方法，其特征在于:步驟2)將現(xiàn)有不同類型的光源通過(guò)光譜掃描方式獲得一系列的RiGiBi與波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)集組合，另外增加對(duì)每種光源光譜演變特征和規(guī)律的限定及數(shù)學(xué)描述方法，得到這類光源作為激發(fā)光譜的精確能量分布。4.如權(quán)利要求1所述的激發(fā)光譜探測(cè)方法，其特征在于:所述的濾光片或?yàn)V光片組，用于決定透過(guò)的光譜范圍。5.如權(quán)利要求1所述的激發(fā)光譜探測(cè)方法，其特征在于:所述的色彩傳感器為接收器或接收組件，接收熒光材料發(fā)射光譜和透過(guò)的激發(fā)光譜直接或間接輻射到的范圍，該傳感器是集成的接收器或者幾個(gè)獨(dú)立的接收器組成。6.如權(quán)利要求1所述的激發(fā)光譜探測(cè)方法，其特征在于:所述的熒光材料涂層在一組濾光片下至少有一個(gè)由不同類型的熒光材料組成的熒光涂層單元，每個(gè)熒光涂層單元發(fā)光區(qū)域放置一個(gè)接收器。7.如權(quán)利要求1所述的激發(fā)光譜探測(cè)方法，其特征在于:所述的熒光傳感器在色彩傳感器受光面先涂覆熒光層再涂覆或放置濾光層。8.—種激發(fā)光譜探測(cè)裝置，包括熒光傳感器、光譜數(shù)據(jù)RGB基準(zhǔn)庫(kù)、數(shù)據(jù)采集處理模塊和顯示模塊，數(shù)據(jù)采集處理讀取熒光傳感器的RGB數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)RGB基準(zhǔn)庫(kù)的數(shù)據(jù)匹配運(yùn)算，判定激發(fā)光譜的分布特征和強(qiáng)度并傳輸至顯示模塊顯示或打印。9.如權(quán)利要求8所述的激發(fā)光譜探測(cè)裝置，其特征在于:所述的熒光材料涂層涂覆于透光的材料上，或涂覆于濾光片激發(fā)光透過(guò)面。10.如權(quán)利要求8所述的激發(fā)光譜探測(cè)裝置，其特征在于:所述的色彩傳感器為光電轉(zhuǎn)換接收器或接收組件，接收熒光光譜C和透過(guò)的激發(fā)光譜Bt;色彩傳感器是帶有濾色片的RGB傳感器或RGB傳感器陣列。11.如權(quán)利要求1所述的激發(fā)光譜探測(cè)方法，其特征在于:所述的熒光材料為一種或多種熒光材料的混合物，其中至少有一種材料對(duì)激發(fā)光譜敏感。
【文檔編號(hào)】G01J3/44GK105910708SQ201610075147
【公開(kāi)日】2016年8月31日
【申請(qǐng)日】2016年2月3日
【發(fā)明人】麥長(zhǎng)
【申請(qǐng)人】麥長(zhǎng)