LED的光譜分布可調(diào)光源的設(shè)計(jì)

1、第16卷第11期2008年11月光學(xué)精密工程Optics and Precision EngineeringV01.16No.1lNOV.2008文章編號(hào)1004-924X(20081卜206005LED的光譜分布可調(diào)光源的設(shè)計(jì)陳風(fēng),袁銀麟,鄭小兵,吳浩宇(中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所遙感研究室,安徽合肥230031摘要:介紹了一種光譜分布可調(diào)光源的設(shè)計(jì),該光源由積分球和大量不同顏色的LED組成。在町見(jiàn)波段,這種光源能產(chǎn)生不同光譜曲線?？梢阅M很多不同光源的光譜分布。該項(xiàng)設(shè)計(jì)通過(guò)仿真使光源的光譜分布模擬目標(biāo)光源的光譜分布,并設(shè)計(jì)了電源控制箱精確地控制每個(gè)LED模塊。光源的面非均勻性為0.5

2、3%,角度特性在±10。以內(nèi)。最大偏差為0.77%。這種新型光源在光輻射測(cè)量中可以作為一種傳遞標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)鍵詞:發(fā)光二極管;可調(diào)光源;光輻射測(cè)量;光譜分布中圖分類號(hào):TN312.8文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:ADesign of spectral tunable LED light sourceCHEN Feng,YUAN Yinlin。ZHENG Xiaobing,WU Haoyu(Remote Sensing Department,Anhui Institute0廠Optics and Fine Mechanics,Chinese Academy of Sciences,Hefei230031,Ch

3、 inaAbstract:A design of spectral tunable IAght Emitting Diode(I.EDlight source composed of an integrating sphere and a large number of LEDs was described.The source was designed tO produce different spectral distributions in the visible region.and it could simulate the spectral distributions for va

4、rious light sources.A series of simulations were conducted to predict the performance of spectral distribution of the designed tunable source and a power control box in the source was designed to con-trol every LED module accurately.Experimental results show that the uniformity of the source is0.53%

5、,and the performance of the angle is0.77%in±10。.This new type of source can be used asa transfer standard for radiometric application.Key words:Light Emitting Diode(LED;tunable source;radiometry;spectral distribution引-口光譜輻射觀測(cè)是光學(xué)遙感的最重要手段之一。在指定的波段內(nèi)精確測(cè)鼙目標(biāo)的輻射信息,并結(jié)合數(shù)值算法模型,可以得到目標(biāo)的物理參數(shù)。近年來(lái)的對(duì)地觀測(cè)實(shí)踐中,針對(duì)大

6、氣、海洋、陸地、植被等日標(biāo)的觀測(cè)都廣泛采用了光譜輻射觀測(cè)手段,其數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確程度將在很大程度上影響天氣預(yù)報(bào)、氣候研究和環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用效果。根據(jù)光譜帶寬的不同,光學(xué)遙感器=l3的種類包括了全色、多光譜、高光譜,乃至近年發(fā)展迅速的超收稿日期:2008-0219;修訂日期:20080321.基金項(xiàng)目:國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(No.20060109A2001第i1期陳風(fēng),等:LED的光譜分布可調(diào)光源的設(shè)計(jì)光譜光學(xué)遙感器。獲取光譜輻射觀測(cè)的準(zhǔn)確數(shù)據(jù),首先依賴于對(duì)光學(xué)遙感器進(jìn)行光譜輻射響應(yīng)的絕對(duì)定標(biāo)。定標(biāo)的目的是建立光學(xué)遙感器中每個(gè)探測(cè)元所輸出信號(hào)的星化值與該探測(cè)元對(duì)應(yīng)的目標(biāo)輻射亮度值之

7、間的定量關(guān)系。光學(xué)遙感器輻射定標(biāo)足遙感數(shù)據(jù)量化處理中的最基本環(huán)節(jié),光學(xué)遙感器的定標(biāo)精度直接影響到遙感數(shù)據(jù)的可靠性和精度。對(duì)于窄帶的遙感器,光譜不匹配產(chǎn)生的相對(duì)誤差對(duì)測(cè)量的精度影響很小,可以忽略不計(jì)。但是對(duì)于寬帶的遙感器,就很難避免相對(duì)誤差對(duì)測(cè)量精度造成的影響。因此,在實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)中,盡可能地模擬星上環(huán)境,使定標(biāo)光源盡可能接近太陽(yáng)的光譜曲線,使之無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)還是星上定標(biāo),都可以模擬接近太陽(yáng)的光譜分布,對(duì)于光學(xué)遙感器測(cè)量數(shù)據(jù)精度的提高能起到關(guān)鍵的作用。定標(biāo)光源21和目標(biāo)光源光譜匹配問(wèn)題對(duì)于測(cè)量?jī)x器的測(cè)量精度影響很大。因此,定標(biāo)光源和目標(biāo)光源的光譜分布應(yīng)盡可能的相似,這樣測(cè)量誤差口會(huì)減小,測(cè)量精

8、度會(huì)提高?，F(xiàn)在普遍使用的定標(biāo)光源積分球4中的發(fā)光介質(zhì)是標(biāo)準(zhǔn)燈,其光譜分布相當(dāng)于CIE標(biāo)準(zhǔn)照明體A。光源峰值波長(zhǎng)在近紅外,大約為950nm,而在藍(lán)色和紫外波段范圍內(nèi),標(biāo)準(zhǔn)燈的能量相對(duì)較弱,這樣的光譜能量分布會(huì)使對(duì)這個(gè)波段的儀器定標(biāo)產(chǎn)生誤差。因此,需要一種新型的光源可以作為傳統(tǒng)光源的補(bǔ)充。本文介紹了一種基于發(fā)光二極管(LED為介質(zhì)的光譜分布可調(diào)的光源,這種光源光譜覆蓋整個(gè)可見(jiàn)波段,可以模擬太陽(yáng)光譜分布,彌補(bǔ)了標(biāo)準(zhǔn)燈在可見(jiàn)波段能量較弱的缺點(diǎn)。此外,它還可以模擬不同光源的光譜分布,如顯示的紅色,綠色,藍(lán)色和白色;此外,還能模擬信號(hào)燈,放電燈等。因此,在定標(biāo)時(shí),使用這種光源會(huì)非常有效和方便。本文主要就光

9、源的沒(méi)計(jì)做了較詳細(xì)的論述。2總體設(shè)計(jì)光源是一個(gè)積分球,積分球中安裝了很多的LED,這些LED的峰值波長(zhǎng)和光譜分布都不相同,工作原理如圖1所示。積分球中安裝了幾個(gè)LED光學(xué)模塊,每一個(gè)光學(xué)模塊分別安裝了36個(gè)I.ED。這些LED由一個(gè)電腦控制的72通道的電源控制器來(lái)驅(qū)動(dòng),72通道的電源控制器可以精確地控制每一個(gè)通道上I,ED的電流,岡此可以保證光源模擬目標(biāo)光源光譜分布的準(zhǔn)確性。同時(shí),一個(gè)光纖光譜儀實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)積分球輸出的輻射能量及光譜分布I-5,反饋到電腦中并記錄下來(lái),電腦通過(guò)軟件處理計(jì)算模擬光譜和目標(biāo)光譜的差異,隨之計(jì)算出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電流,再通過(guò)電源控制器調(diào)節(jié)各通道上的電流,從而得到與目標(biāo)光譜相似

10、的光潛曲線。圖1光源原理圖Fig.1Sketch of source principle3光源的模擬為了證明多種類型LED的發(fā)光光譜組合可以模擬¨13不同光源的光譜分布,本文進(jìn)行了仿真模擬。典型的LED8光譜分布近似于高斯分布函數(shù),LED的半高寬度(FWHM一般在20nm 左右,因此,選擇帶寬為20nm的高斯分布函數(shù)作為L(zhǎng)ED的光譜分布曲線。在380780nm,選擇峰值波長(zhǎng)間隔為5,lo,20nm。這樣就分別需要80,40,20個(gè)LED來(lái)模擬目標(biāo)光譜分布曲線。本文提出一種優(yōu)化算法,這種算法通過(guò)模擬,計(jì)算得出每種顏色LED相應(yīng)的電流值。780n(J:l,i=(sT(A一FKi.s。(A

11、2一min,麗鬲(1其中,ST(A足目標(biāo)光譜分布曲線,S。(A為L(zhǎng)ED 光譜分布曲線,K,為電流值。由此,上述物理問(wèn)題可歸結(jié)為數(shù)學(xué)問(wèn)題,即求二乘殘差函數(shù)(A,i最優(yōu)化解的問(wèn)題,通過(guò)這種方法可以得出使兩條光譜曲線最接近的系數(shù)K,。利用數(shù)值分析工具計(jì)算得到每一種顏色LED相應(yīng)的電流值。調(diào)節(jié)光學(xué)精密工程第16卷電流的大小控制光源的光譜分布曲線,使模擬光譜與目標(biāo)光譜相似,從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。這里介紹了一種評(píng)價(jià)光譜模擬效果的方法,即求目標(biāo)光譜與模擬光譜之間差值的絕對(duì)值與目標(biāo)光譜的比,其表達(dá)式如下:780.nI ST(A一K。Si(AJP=型生而F二一.(2>:sT(A麗通過(guò)參數(shù)P可以評(píng)估光源模擬光譜

12、的效果,P值越小,兩條光譜的相似度越高。C.宴蘭皂皇.置量芑&譬焉面出圖2太陽(yáng)光譜和光源光譜(LED間隔5nm Fig.2Sun spectral distribution and source spectral distribution(5nm LED intervals圖3標(biāo)準(zhǔn)燈光譜和光源光譜(LED問(wèn)隔5nm Fig.3Lamp spectral distribution and source spectral distribution(5nm LED intervals圖2,圖4,圖6顯示了用光源模擬可見(jiàn)波段的太陽(yáng)光譜分布,它們分別是峰值波長(zhǎng)間隔5, 10,20nm時(shí)光譜模擬的

13、效果。圖3,圖5,圖7顯示了用光源模擬標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜分布。它們也分別是峰值波長(zhǎng)間隔5,10,20nm時(shí)光譜模擬的效果。根據(jù)公式(2計(jì)算可以得到用80個(gè)LED模擬太陽(yáng)和標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜分布時(shí),參數(shù)P的值等于圖4太陽(yáng)光譜和光源光譜(LED間隔10rim Fig.4Sun spectral distribution and source spectral distribution(10nm I,ED intervals圖5標(biāo)準(zhǔn)燈光譜和光源光譜(LED問(wèn)隔10nm Fig.5I.amp spectral distribution and source spectral distribution(10nm L

14、ED intervals圖6太陽(yáng)光譜和光源光譜(LED間隔20nm Fig.6Sun spectral distribution and source spectral dist“bution(20nm LED intervals6.3×10,40個(gè)I.ED模擬太陽(yáng)和標(biāo)準(zhǔn)燈的光潛分布時(shí),參數(shù)P的值等于1.4×lO,20個(gè)LED 模擬太陽(yáng)和標(biāo)準(zhǔn)燈的光譜分布時(shí),參數(shù)P的值等于3.1×10。通過(guò)上圖以及計(jì)算結(jié)構(gòu)可以看出,LED種類越多,峰值波長(zhǎng)間隔越小,光譜模擬的相似度越高。匣第11期陳風(fēng),等:LED的光譜分布可調(diào)光源的設(shè)計(jì)暑善獸魯弓鼉專蘭竽焉豈圖7標(biāo)準(zhǔn)燈光譜和光源光譜

15、(LED間隔20rimFig.7Lamp spectral distribution and source spectral distribution(20tim LED intervals4結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)光譜可調(diào)光源的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要由積分球設(shè)計(jì)和LED光學(xué)模塊設(shè)計(jì)兩部分組成。4.1積分球設(shè)計(jì)光譜可調(diào)光源主要用于遙感器的定標(biāo),遙感器大多以太陽(yáng)或反射太陽(yáng)光作為工作時(shí)的光源,因此設(shè)計(jì)光源輸出光譜輻亮度接近大氣層外一個(gè)太陽(yáng)常數(shù)。根據(jù)輻亮度傳遞公式,可以計(jì)算出積分球的尺寸:L_羆。F-p者(麗,(3。兀A l1一廠7其中,A為積分球內(nèi)表面積;f為積分球的開(kāi)口比;P為積分球反射率。根據(jù)計(jì)算,選擇了直徑為250m

16、m的積分球,其出口直徑為100mm。積分球的結(jié)構(gòu)如圖8所示:圖8積分球結(jié)構(gòu)圖Fig.8Mechanical structure of integrating sphere4.2LED光學(xué)模塊設(shè)計(jì)LED光學(xué)模塊設(shè)計(jì)是光源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要組成部分。幾組光學(xué)模塊安裝了從紫色到紅色很多種類型的LED,這些色彩豐富的LED可以使模擬光譜分布更接近目標(biāo)光譜分布。光學(xué)模塊的設(shè)計(jì)要求LED可以方便地拆卸和安裝。如圖9所示,LED光學(xué)模塊采用了圓形設(shè)計(jì),光學(xué)模塊上LED安裝孔呈圓形放射狀分布。由于積分球內(nèi)部沒(méi)有安裝擋板,光學(xué)模塊外沿高出LED的安裝位置,這樣的設(shè)計(jì)就好像積分球中安裝了擋板,可以使得LED發(fā)出的光不

17、能直接照射到積分球出光口,避免對(duì)測(cè)量的結(jié)果產(chǎn)生影響。圖9LED光學(xué)模塊結(jié)構(gòu)圖Fig.9Mechanical structure of LED optical head5電源控制箱的設(shè)計(jì)電源控制箱9是光源重要的組成部分,它可以給每一路LED模塊提供穩(wěn)定的電流,并可以精確地調(diào)節(jié)每一路電流的大小。電源控制箱通過(guò)上位機(jī)控制,上位機(jī)控制DA輸出卡,輸出的電壓經(jīng)過(guò)v/I轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)化成電流并穩(wěn)定輸出給每一路LED模塊,使它能夠穩(wěn)定發(fā)光,上位機(jī)可以通過(guò)IO開(kāi)關(guān)控制實(shí)現(xiàn)每一路LED的自動(dòng)開(kāi)關(guān)。為了保證每一路上電流的準(zhǔn)確性,在電路中加入了AD采集電路,通過(guò)AD采集可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每一路LED模塊的電流情況,另外還有一

18、組穩(wěn)壓電源給V/I轉(zhuǎn)換電路供電,以保證其正常的工作。電路設(shè)計(jì)原理圖如圖lO所示:2064光學(xué)精密工程第16卷圖10電源控制箱原理圖Fig.10Principle of power control box 參考文獻(xiàn):6結(jié)論這種光譜分布可調(diào)的光源設(shè)計(jì)采用了新型的發(fā)光二極管作為發(fā)光介質(zhì),通過(guò)多種LED發(fā)光光譜組合成不同的光譜分布。建立了光源的數(shù)學(xué)模擬算法,通過(guò)模擬仿真,證實(shí)了光源設(shè)計(jì)的正確性。設(shè)計(jì)了電源控制箱,采用自動(dòng)控制,精確調(diào)節(jié)LED模塊上電流的大小,并通過(guò)監(jiān)測(cè)電路實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光源電流。這種光源通過(guò)精確控制每一個(gè)LED模塊的電流使光源產(chǎn)生不同光譜分布,可以模擬很多不同光源的光譜分布。在光輻射測(cè)量中,

19、這種光譜分布可調(diào)的光源會(huì)成為更為有效,便捷的光源。13任建偉,萬(wàn)志,李憲圣,等.空間光學(xué)遙感器的輻射傳遞特性與校正方法J.光學(xué)精密工程,2007,15(8:11861190.REN J W,WAN ZH,l,1X SH。et a1.Radiation transfer characteristic and calibrating method for space optical remote sensorJ.Opt.Precision Eng.,2007,15(8:1186一1190.(in Chinese2張以謨.應(yīng)用光學(xué)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1988.ZHANG Y M.Applied

20、 OpticsM.Beijing:China Machine Press,1988.(in Chinese3陳風(fēng),鄭小兵.光譜非匹配對(duì)于光學(xué)遙感器定標(biāo)精度影響的分析J.光學(xué)精密工程,2008,16(3:415419.CHEN F,ZHENG X B.Influence of remote sensor calibration precision by source has different spectrumJ.Opt.Precision Eng.,2008,16(3:415419.(in Chinese4王淑榮,刑進(jìn),李福田.利用積分球光源定標(biāo)空間紫外遙感光譜輻射計(jì)J.光學(xué)精密工程,2006

21、,14(2:185190.WANG SH R,XING J,I,l F T.Spectral radiance responsivity calibration of ultraviolet remote sensing spectroradiometer in space using integrating sphereJ.Opt.Precision Eng.,2006,14(2:185-190.(in Chinese53BROWN S W,SANTANA C,EPPEI。DAUER G P.Development of a tunable LED-based colorimetric so

22、urceJ.,.Res.Natl.Inst.Stand,Technol,2002,107(4:363371.63FRYC I,BROWN S W,OHNO Y.Spectral matching with an LED-based spectrally tunable sourcerJ.SPIE, 2005,5941:594111.1-594111.9.73FRYC I,BROWN S W,EPPELDAUER G P.LED-based spectrally tunable source for radiometric。photometric and colorimetric applica

23、tionsJ.0pt.Eng,2005,44(11:111309111316.8許文海,趙歡,蘆永軍.LED陣列式紫外固化光源光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)J.光學(xué)精密工程,2007,15(7:10321037.XU W H,ZHAO H,LU Y J.Design of an optical system for UV curing source with LED arrayJ.Opt.P卯fision Eng.。2007,15(7:10321037.(in Chinese9FRYC I,BROWN S,OHNO Y.Development of a spectrally tunable calibratio

24、n source fordisplaycolorimetersJ.Lightmetry,2004(4:2022.作者簡(jiǎn)介:陳風(fēng)(1977-。男,博士研究生.主要從事光學(xué)精確測(cè)量的先進(jìn)方法與儀器、衛(wèi)星光學(xué)傳感器的高精度定標(biāo)等方面的研究。Email:fchenaiofm.ac.ca導(dǎo)師簡(jiǎn)介:鄭小兵(1969一,男,博士.研究員,主要從事光輻射測(cè)量的先進(jìn)方法與儀器、衛(wèi)星光學(xué)傳感器的高精度定標(biāo),光學(xué)遙感和光學(xué)海洋學(xué)等方面的研究。Email:xbzhengaiofm.ae.enLED的光譜分布可調(diào)光源的設(shè)計(jì) 作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期： 被引用次數(shù)： 陳風(fēng)， 袁銀麟， 鄭小兵，

25、吳浩宇， CHEN Feng， YUAN Yin-lin， ZHENG Xiao-bing， WU Hao-yu 中國(guó)科學(xué)院,安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,遙感研究室,安徽,合肥,230031 光學(xué)精密工程 OPTICS AND PRECISION ENGINEERING 2008，16(11 2次 參考文獻(xiàn)(9條 1.任建偉.萬(wàn)志.李完圣 空間光學(xué)遙感器的輻射傳遞特性與校正方法期刊論文-光學(xué)精密工程 2007(08 2.張以謨 應(yīng)用光學(xué) 1988 3.陳風(fēng).鄭小兵 光譜非匹配對(duì)于光學(xué)遙感器定標(biāo)精度影響的分析期刊論文-光學(xué)精密工程 2008(03 4.王淑榮.刑進(jìn).李福田 利用積分球光源定標(biāo)空間紫外

26、遙感光譜輻射計(jì)期刊論文-光學(xué)精密工程 2006(02 5.BROWN S W.SANTANA C.EPPELDAUER G P Development of a tunable LED-based colorimetric source 2002(04 6.FRYC I.BROWN S W.OHNO Y Spectral matching with an LED-based spectrally tunable source 2005 7.FRYC I.BROWN S W.EPPELDAUER G P LED-based spectrally tunable source for radiometric,photometric and colorimetric appl