LED模拟太阳光谱的理论研究

收稿日期：2011-05-14作者简介：范铎（1986-），女，硕士研究生，主要从事测控技术与仪器的研究，E-mail：[e-mail]。LED模拟太阳光谱的理论研究范铎，白素平，闫钰锋，王立森，徐文慧，乔月（长春理工大学光电工程学院，长春130022）摘要：分析了LED在照明方面存在视觉缺陷的原因。提出一种利用LED模拟太阳光谱的设计方案。将不同颜色的LED发出的光充分混合，检测输出光光谱与太阳光光谱之间的拟合度。设计中给出光谱曲线与太阳光光谱曲线的对比图。关键词：发光二极管；光谱分布；模拟中图分类号：TN364+.2文献标识码：A文章编号：1672-9870(2011)03-0016-03TheTheoryResearchofSolarSpectrumSimulatedbyLEDFANDuo，BAISuping，YANYufeng，WANGLisen，XUWenhui，QIAOYue（ChangchunUniversityofScienceandTechnology，Changchun130022）Abstract：AnalyzingthereasonofdefectivesightunderLEDlightandproposingaprogramusingLEDtosimulateso-larspectrum.MixingthelightrayemigratedbydifferentcolorLED，detectingthefitbetweenthespectrumofmixinglightrayandsolarspectrum.Fittingcurveisgivenintheprogram.Keywords：lightemittingdiode（LED）；spectraldistribution；simulate；人眼的结构特征与人类长期生活环境决定了在阳光下阅读与观测时人眼感知的舒适度最高。而要使人眼在某一照明源下感到舒适，需要使其发光光谱与阳光发光光谱相接近。利用LED模拟太阳光光谱节能、健康，是当前照明技术研究的主要方向之一，其对照明产业的发展及人类生活照明都具有重要的意义。1LED特点及发展现状1.1LED光谱特性作为一种新型的冷光源，LED有很多传统光源所不能比拟的优势，例如：灯源单元面较小，不需要充气体，不需要玻璃外壳，抗冲击性能好，便于运输，能够较好地控制发光光谱组成等。单色LED所发的光单色性强，可以利用其作为激光光源。这既是它的一个优点也是一个缺点，由于其单色性强所以白光LED的显色指数Ra值就较小，使得其所发的光看起来苍白，这是由于其光谱组成的原因。普通LED发光光谱如图1所示。图1蓝色LED发光光谱Fig.1SpectrumofblueLED由图1可见单色LED光谱只集中在其光谱峰值处。白色LED一般是由1个或多个的芯片所发出的光与荧光粉相作用而发白光，光谱如图2所示：白色LED所发光的光谱不全，必然会引起人眼的视觉缺陷，使人眼观察感觉到不适。1.2LED产生白光基本方法LED产生白光的方法有以下三种：1）由三基色LED阵列，使混合光呈现白色。2）利用发紫外光的长春理工大学学报（自然科学版）JournalofChangchunUniversityofScienceandTechnology（NaturalScienceEdition）第34卷第3期2011年9月Vol.34No.3Sep.2011LED发出的紫外光来激发三基色荧光粉，使得出射光呈现白色。3）由一种LED芯片发出光，这个光的一部分入射到荧光粉上激发出另一种颜色的光，这两种光混合产生白光。图3太阳光光谱Fig.3Solarspectrum目前广泛应用的LED发白光的方法为上述第三种。此方法势必使所发出白光的光谱有两个峰值，而其它的波长范围上的相对辐射强度很低，使得所发白光看起来与全光谱发光相差很多。人眼在自然光（太阳光）下观测物体感觉最舒适。是由于自然光为全光谱，如图3（此处只在可见光范围内进行讨论）。2LED模拟太阳光谱原理1.2中所述的第二种与第三种方法受限于生产条件与技术的影响，其灵活性有限且模拟结果不可调整。所以本文设计论证了一种利用LED阵列来模拟阳光光谱的方法。2.1理论基础光的物理性质由它的波长和能量来决定，波长决定了光的颜色，能量决定了光的强度。对于相同波长的两光波照射在同一面积上时，总辐通量等于两光波单独照射时辐通量的和。即Φe总=Φe1+Φe2。对于多个光波同时照射时有：Φe总=∑i=1nΦei。由于白光是由不同的单色光叠加而成的，其可以经过折射呈现不同色的单色光，那么用相应数量的不同单色光汇聚，理论上就能得到白光。且有亮度相加定理，混合色的总亮度等于组成混合色的各种颜色的亮度总和。基于以上原理，用不同颜色LED的出射光谱理论上就可以模拟出太阳光光谱。由于太阳光谱是连续的，而LED光谱的半强度宽度很窄，所以这就为利用LED模拟太阳光谱提供了实际的可能性。用一定数量的不同颜色的LED阵列，（此处选择光谱半宽度尽量窄些的LED）使发出的光充分混合，接收并分析其发光光谱，将此光谱与太阳光谱相比较进行拟合，通过调节电流改变LED的辐通量，进而改变了混合光中相应单色光所占的比例，最终可改变混合光的光谱。2.2实现原理实验模型的建立如下：利用光谱仪测得白色及各单色LED的光谱，将测得的光谱输入计算机并与太阳光谱进行比对，以太阳光谱为基准对LED混合图4太阳光谱与单色LED模拟光谱对比图Fig.4ComparisonchartofsolarspectrumandsingleLED图5太阳光谱与白光LED光谱对比图Fig.5ComparisonchartsofsolarspectrumandwhiteLED图6太阳光谱与LED组合光谱对比图Fig.6ComparisonchartofsolarspectrumandarrayedLED图2蓝色LED与黄色荧光粉组合所发光的光谱Fig.2SpectrumofblueLEDandyellowphosphor第三期范铎，等：LED模拟太阳光谱的理论研究17光谱进行修正与非线性拟合。定性的分析模拟所需LED的光谱特性并定量的分析其辐照度。3计算机光谱分析利用上述方法对太阳光光谱与LED混合光谱进行拟合，拟合结果如图4-6所示。图4所示为单色LED模拟曲线与太阳光谱的对比。由图中可以看出LED有很好的单色性，峰值半宽度也只有二十几纳米。在可见光的400nm范围内，假设单色LED的峰值半宽度为20nm，那么需要20个光谱依次顺接的LED便可以模拟出太阳光谱。在此过程中，光谱半宽越窄即LED的单色性越好，那么模拟出的谱线越接近。图5为白色LED光谱曲线与太阳光谱曲线的对比，由图中我们可以看出此白光LED是利用发蓝色的芯片激发其它色荧光粉产生混合光称白色的。波长为455.7nm的光波能量最高。图6所示为白光LED与各单色LED共同模拟的曲线，从图中可以看出混合光模拟的曲线比单色与纯白色LED模拟的曲线相对与阳光光谱更为接近。4结论根据对LED光谱测试结果，若通过选取光谱范围多样、半宽度适当的LED可以在一定程度上模拟出太阳光谱，进而得到一种高质量、节能环保的舒适光源。目前单色LED的颜色只局限于红、蓝、绿、黄等颜色，且单色LED的光谱范围单一、半宽度都比较宽，给实验的完善带来实际的困难，同时模拟结果会受到多种因素的影响，如采集光谱时环境条件的影响，采集仪器的灵敏度，LED工作状态的影响等。但是由上述实验结果可看出，利用LED模拟太阳光谱是可行的。参考文献［1］郝海涛.白光LED用荧光材料的制备及性能研究［D］.太原理工大学，2006.［2］王晓明，郭伟玲，高国.沈光地LED新一代照明源［D］.北京工业大学北京市光电子技术实验室，2009.［3］李有桢，王金城.白光LED光源光度色度特性测量与评价［D］.中国海洋大学，2007.［4］杨志文.光学测量［M］.北京：北京理工大学出版社，1995.［5］刘贤德，麻英暖，唐家让，等.测绘光学基础［M］.苏联科学与技术杂志社，1986.［6］IraN.赖文.分子光谱学［M］.北京：高等教育出版社，1985：267-268.的矩形平板为测量对象，得到了相应的剪切散斑干涉条纹图。实验结果表明，该系统结构简单且具有很高的同步精度，为下一步采用相移技术定量测量奠定了基础。参考文献［1］刘龙，孟光，范蓉平.电子散斑干涉技术在振动测试中的应用［J］.振动工程学报，2004，17（1）：1084-1086.［2］杜振辉，李淑清，蒋诚志，等.激光光栅多普勒效应微小振动测量［J］.光学学报，2004，24（6）：836-837.［3］陆福一，张朝晖.剪切散斑干涉术的无损检测研究，光子学报［J］.1993，22（1）：70-76.［4］杨福俊，房亮，何小原.基于单幅数字散斑投影及离面相关的振动测量［J］.光学技术，2007，32（3）：536-540.［5］陈炳泉.频闪散斑干涉术的研究，光学学报，2004，24（11）：1566-1568.［6］李新忠，宋文武，王希军.激光散斑计量技术及其应用［J］.光机电信息，2005，20（4）：16-20.［7］景超.电子散斑剪切相移干涉术的研究［D］.天津：天津大学博士学位论文，2006，36-43.［8］CasillasFJ，Davila，RothbergSJ，GarnicaG.Smallamplitudeestimationofmechanicalvibrationsusingelectronicspeckleshearingpatterninterferometry［J］.OpticalEngineering，2004，43（4）：880-887.［9］HungYY.Shearography：anewopticalmethodforstrainmeasurementandnondestructivetesting［J］.OpticalEngineering，1982，21（8）：391-395.［10］TohSL，ShangHM，ChauFS，etal.Flawde-tectionincompositesusingtime-averageshearog-raphy［J］.OpticalLaserTechnology，1991，23（2）：25-30.（上接第12页）长春理工大学学报（自然科学版）2011年18