阅读说明：本技术 光学检测光源设计方法及其光源 (Optical detection light source design method and its light source ) 是由 陈全胜 唐旱波 刘尧平 王燕 杜小龙 于 2019-08-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种光学检测光源设计方法及其光源,采用LED、氙灯和卤素灯中一种或多种进行组合形成光源,将光源设置在能将光线投射在被测样品上的位置,调整光源的光谱L(λ)与理想光谱I(λ)在六个波段的光谱匹配度都在0.4～2.0之间,光谱匹配度的定义是光源的光谱分别在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm这六个波段范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率。本发明提供的设计方法设计出的光源可以直接进行光学测量,减少使用分光设备进行被测样品的光学检测,提升检测效率,具有快速、成本低等优点。(The invention discloses a kind of optical detection light source design method and its light sources, using LED, it is one or more in xenon lamp and halogen lamp to be combined to form light source, light source is arranged in the position that can be incident upon light on sample, adjust light source spectrum L (λ) and ideal spectrum I (λ) six wave bands Spectral matching degree all between 0.4~2.0, the definition of Spectral matching degree is the spectrum of light source respectively in 400-500nm, 500-600nm, 600-700nm, 700-800nm, the ratio of the percentage of the solar global irradiance of this six wavelength band actual tests of 800-900nm and 900-1100nm and the percentage of ideal spectrum irradiation profile.The light source that design method provided by the invention is designed can directly carry out optical measurement, reduce the optical detection that sample is carried out using light-dividing device, promote detection efficiency, have many advantages, such as quick, at low cost.)

光学检测光源设计方法及其光源

技术领域

本发明涉及光学检测技术领域，特别涉及一种光学检测光源设计方法及其光源。

背景技术

光学检测是一种非常常见的检测手段，特别是近年来，结合光电传感器，将光学的信号转化为数字信号进行分析与处理的方法被广泛的利用。比如进行结构尺寸的测量、样品外观好坏的评判等。这些检测对于光源的光谱没有特殊的要求，光谱对测试结果不存在任何的影响。但是在部分光学检测中，不同波长下的测试结果不同，因此光谱的组成情况对于测试结果就变得非常关键，如果仅仅使用普通的光源，则无法进行准确的定量测试，比如样品的反射率等。目前的采用的方案是使用宽波段的光源，然后通过前置分光或者后置分光的方式，将光谱中每一个波长下的光学性能都进行单独的测量，最后再根据具体问题具体情况给出特定的测试结果。比如对于光伏电池或者组件的反射率的测量而言，采用分光光度计的方法获得300nm～1100nm之间每个波长下的反射率，最后再与AM1.5标准的太阳光光谱进行加权求和得到最终样品的反射率。但是这样不仅会浪费大量的时间成本，同时由于分光的装置导致检测设备的价格居高不下。

因此，急需一种不需要进行分光步骤，可以直接进行光学检测的光源，从而降低光学检测的时间和资金成本，提高光学检测的效率。

发明内容

针对上述不足，本发明的目的在于，提供一种光学检测光源设计方法及其光源。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案是：

一种光学检测光源设计方法，采用LED、氙灯和卤素灯中一种或多种进行组合形成光源，将光源设置在能将光线投射在被测样品上的位置，调整光源的光谱L(λ)与理想光谱I(λ)在六个波段的光谱匹配度都在0.4～2.0之间，光谱匹配度的定义是光源的光谱分别在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm这六个波段范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率。

一种采用上述光学检测光源设计方法制得的光源，其由LED、氙灯和卤素灯中一种或多种组合而成。

作为本发明的一种优选，所述的理想光谱I(λ)等于被测样品使用环境的光谱G(λ)与被测样品所使用的光电探测器响应度Q(λ)的商。

作为本发明的一种优选，所述的被测样品使用环境的光谱G(λ)为标准的AM1.5太阳光光谱。

作为本发明的一种优选，所述光源的光谱L(λ)与理想光谱I(λ)的光谱匹配度在0.6～1.4之间。

作为本发明的一种优选，所述光源的光谱L(λ)与理想光谱I(λ)的光谱匹配度在0.75～1.25之间。

当检测被测样品的反射率时，因为在不同波长下，被测样品的反射率R(λ)是不相同的，因此需要根据被测样品的实际使用环境，通过加权平均的方式获得被测样品的反射率R。计算公式如下所示：

其中G(λ)为被测样品所使用环境的光谱，λ1和λ2分别为测试的起始波长和结束波长。该计算方法需要知道λ1和λ2之间连续光谱下每个波长的反射率，然后进行积分得出平均反射率R。对于不进行分光操作，进行整体光谱测量时，实际的测量时，需要考虑整个光谱情况，还需要考虑到光电探测器在不同波长下具有不同的响应度。因此经过光电探测器后收集到的光电流H的计算公式为：

其中L(λ)为光源的光谱，Q(λ)为光电探测器的响应度。因此，如果所使用的光源光谱L(λ)满足L(λ)＝I(λ)＝k1*G(λ)/Q(λ),则有：

因此可以直接通过收集到的光电流对样品的反射率等光学性质成正比关系。只需要使用一个标准样品进行标定就可以进行样品的光学测量。在实际的光源光谱L(λ)与理想光谱I(λ)无法达到完美的光谱匹配度，但是在一定的范围内，通过在测量过程中采用修正因子来消除部分光源带来的误差，从而可以降低光谱匹配度的要求。两个光谱匹配度的定义是光源的光谱分别在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm这六个波段范围实际测试的总辐照度的百分比与理想光谱辐照分布的百分比的比率。

本发明的有益效果为：本发明提供的设计方法设计出的光源可以直接进行光学测量，可以在不需要分光的情况下获得被测样品的光学性质，如反射率等，减少使用分光设备进行被测样品的光学检测，提升检测效率，具有快速、成本低等优点，利用广泛的推广应用。

下面结合附图与实施例，对本发明进一步说明。

附图说明

图1为实施例1中使用的光电探测器的响应度。

图2为实施例1中的设计光源光谱图与AM1.5光谱图。

图3为实施例2中使用的光电探测器的响应度。

图4为实施例2中的理想光源光谱图与实测光谱图。

具体实施方式

实施例1：

(1)测量装置中所使用的光电探测器的响应度Q(λ)如图1所示，被测样品在AM1.5标准太阳光谱G(λ)下进行测试与分析，因此可以在设计光学测试的光源时。需要使用的光源的光谱为L(λ)的计算方法为：L(λ)＝G(λ)/Q(λ)，归一化后的光谱图如图2所示的理想光源的光谱所示。在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm这六个波段范围实际测试的总辐照度的百分比如下表1所示：

表1

波段	百分比(％)	光源百分比(％)	比值
				400-500nm	13.49	14.58	0.92
500-600nm	11.89	13.15	0.90
				600-700nm	11.15	14.05	0.79
700-800nm	12.07	11.2	1.08
				800-900nm	18.61	18.07	1.03
900-1100nm	32.79	28.95	1.13

光源是使用多色的LED灯进行组合而成，包含有白光LED、660nm的LED、730nm的LED、850nm的LED和940nmLED组合而成，实际测试后的光源各个波长段的辐照强度百分比值如表所示，与标准光谱的百分比进行比较同样见表1。该设计光源能够实现在使用对应型号的光电探测器时对被测样品光学性能的测量。

实施例2：

测量装置中的光电探测器的响应度Q(λ)如图3所示，被测样品使用环境的光谱G(λ)为实际测试获得的北京市七月户外的光谱图，因此可以在设计光学测试的光源时，需要使用的光源的光谱为L(λ)的计算方法为L(λ)＝G(λ)/Q(λ)，归一化后的光谱图如图4所示的理想光源的光谱所示。在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm这六个波段范围实际测试的总辐照度的百分比如下表2所示：

表2

波段	百分比(％)	光源百分比(％)	比值
				400-500nm	9.47	5.35	1.77
500-600nm	18.99	15.06	1.26
				600-700nm	20.70	22.75	0.91
700-800nm	17.96	18.46	0.97
				800-900nm	15.94	18.35	0.87
900-1100nm	16.93	20.03	0.85

光源是使用多色的LED灯和卤素灯进行组合而成，LED灯包含有365nm的LED、470nm的LED、660nm的LED和940nmLED组合而成，实际测试后的光源各个波长段的辐照强度百分比值如表2所示，与标准光谱的百分比进行比较同样见表2中。该设计光源能够实现在使用对应型号的光电探测器时对样品光学性能的测量。

实施例3：

测量装置中所使用的光电探测器的响应度Q(λ)如图1所示，被测样品在AM1.5标准太阳光谱G(λ)下进行测试与分析，因此可以在设计光学测试的光源时，需要使用的光源的光谱为L(λ)的计算方法为L(λ)＝G(λ)/Q(λ)，归一化后的光谱图如图2所示的理想光源的光谱所示。在400-500nm、500-600nm、600-700nm、700-800nm、800-900nm和900-1100nm这六个波段范围实际测试的总辐照度的百分比如下表3所示：

表3

波段	百分比(％)	光源百分比(％)	比值
				400-500nm	13.49	14.25	0.95
500-600nm	11.89	15.24	0.78
				600-700nm	11.15	15.24	0.73
700-800nm	12.07	14.52	0.83
				800-900nm	18.61	18.07	1.03
900-1100nm	32.79	22.68	1.45

光源是使用多色的LED灯和氙灯组合而成，LED等包含有365nm的LED、470nm的LED、850nm的LED和940nmLED组合而成，实际测试后的光源各个波长段的辐照强度百分比值如表3所示，与标准光谱的百分比进行比较同样见表3中。该设计光源能够实现在使用对应型号的光电探测器时对样品光学性能的测量。

因此，通过上述分析对比，本发明提供的设计方法设计出的光源可以直接进行光学测量，可以在不需要分光的情况下获得被测样品的光学性质，如反射率等，减少使用分光设备进行被测样品的光学检测，提升检测效率，具有快速、成本低等优点。

根据上述说明书的揭示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述，采用与其相同或相似的步骤而得到的其它方法及光源，均在本发明保护范围内。