第1 6卷第11期 光学精密工程 and Precision Engineering Vo1.16 No.11 Nov.2008 2008年11月 文章编号1004—924X(2008)11 2060 05 LED的光谱分布可调光源的设计 陈 风,袁银麟,郑小兵,吴浩宇 (中国科学院安徽光学精密机械研究所遥感研究室,安徽合肥230031) 摘要:介绍了一种光谱分布可调光源的设计,该光源由积分球和大量不同颜色的LED组成。在可见波段。这种光源能产 生不同光谱曲线,可以模拟很多不同光源的光谱分布。该项设计通过仿真使光源的光谱分布模拟目标光源的光谱分布, 并设计了电源控制箱精确地控制每个LED模块。光源的面非均匀性为0.53 ,角度特性在±lo。以内,最大偏差为 0.77 。这种新型光源在光辐射测量中可以作为一种传递标准。 关键词:发光二板管;可调光源;光辐射测量;光谱分布 中图分类号:TN312.8 文献标识码:A Design of spectral tunable LED light source CHEN Feng.YUAN Yin lin.ZHENG Xiao—bing,WU Hao—yu (Reelote Sensing Department,Anh ui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy 0_『’Sciences,He/ei 230031,China) Abstract:A design of spectral tunable Light Emitting Diode(LED)light source composed of an in tegrating sphere and a large number of LEDs was described.The source was designed to produce di{一 ferent spectral distributions in the visible region,and it could simulate the spectral distributions for various 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— tro1 every LED module accurately.Experimental results show that the uniformity of the source iS 0.53 ,and the performance of the angle is 0.77 a transfer standard for radiometric application. Key words:I ight Emitting Diode(LED);tunable source;radiometry;spectral distribution in±10。.This new type of source can be used as 近年来的对地观测实践中,针对大气、海洋、陆地、 引 —口 光谱辐射观测是光学遥感的最重要手段之 一植被等目标的观测都广泛采用了光谱辐射观测手 段,其数据的准确程度将在很大程度上影响天气 预报、气候研究和环境监测等领域的应用效果。 根据光谱带宽的不同,光学遥感器1]]的种类包括 了全色、多光谱、高光谱,乃至近年发展迅速的超 。在指定的波段内精确测量目标的辐射信息, 并结合数值算法模型,可以得到目标的物理参数。 收稿日期:2008 02—19;修订日期:2008—03—21. 基金项目:国家863高技术研究发展计划资助项目(No.20060109A2001) 第11期 陈风,等:LED的光谱分布可调光源的设计 2O61 光谱光学遥感器。获取光谱辐射观测的准确数 的电源控制器来驱动,72通道的电源控制器可以 据,首先依赖于对光学遥感器进行光谱辐射响应 的绝对定标。定标的目的是建立光学遥感器中每 个探测元所输出信号的量化值与该探测元对应的 目标辐射亮度值之间的定量关系。 光学遥感器辐射定标是遥感数据量化处理中 的最基本环节,光学遥感器的定标精度直接影响 到遥感数据的可靠性和精度。对于窄带的遥感 器,光谱不匹配产生的相对误差对测量的精度影 响很小,可以忽略不计。但是对于宽带的遥感器, 就很难避免相对误差对测量精度造成的影响。因 此,在实验室定标中,尽可能地模拟星上环境,使 定标光源尽可能接近太阳的光谱曲线,使之无论 是在实验室定标还是星上定标,都可以模拟接近 太阳的光谱分布,对于光学遥感器测量数据精度 的提高能起到关键的作用。 定标光源口]和目标光源光谱匹配问题对于 测量仪器的测量精度影响很大。因此,定标光源 和目标光源的光谱分布应尽可能的相似,这样测 量误差_3]会减小,测量精度会提高。现在普遍使 用的定标光源积分球[43中的发光介质是标准灯, 其光谱分布相当于CIE标准照明体A。光源峰 值波长在近红外,大约为950 nm,而在蓝色和紫 外波段范围内,标准灯的能量相对较弱,这样的光 谱能量分布会使对这个波段的仪器定标产生误 差。因此,需要一种新型的光源可以作为传统光 源的补充。本文介绍了一种基于发光二极管 (LED)为介质的光谱分布可调的光源,这种光源 光谱覆盖整个可见波段,可以模拟太阳光谱分布, 弥补了标准灯在可见波段能量较弱的缺点。此 外,它还可以模拟不同光源的光谱分布,如显示的 红色,绿色,蓝色和白色;此外,还能模拟信号灯, 放电灯等。因此,在定标时,使用这种光源会非常 有效和方便。本文主要就光源的设计做了较详细 的论述。 2总体设计 光源是一个积分球,积分球中安装了很多的 LED,这些LED的峰值波长和光谱分布都不相 同,工作原理如图1所示。积分球中安装了几个 LED光学模块,每一个光学模块分别安装了36 个LED。这些LED由一个电脑控制的72通道 精确地控制每一个通道上LED的电流,因此可以 保证光源模拟目标光源光谱分布的准确性。同 时,一个光纤光谱仪实时地监测积分球输出的辐 射能量及光谱分布【 ,反馈到电脑中并记录下来, 电脑通过软件处理计算模拟光谱和目标光谱的差 异,随之计算出相应的驱动电流,再通过电源控制 器调节各通道上的电流,从而得到与目标光谱相 似的光谱曲线。 图1光源原理图 Fig.1 Sketch of source principle 3光源的模拟 为了证明多种类型LED的发光光谱组合可 以模拟 不同光源的光谱分布,本文进行了仿真 模拟。典型的LED_8 光谱分布近似于高斯分布 函数,LED的半高宽度(FWHM)一般在20 nm 左右,因此,选择带宽为20 nm的高斯分布函数 作为LED的光谱分布曲线。在380~780 nm,选 择峰值波长间隔为5,10,20 nm。这样就分别需 要80,40,20个LED来模拟目标光谱分布曲线。 本文提出一种优化算法,这种算法通过模拟,计算 得出每一种颜色LED相应的电流值。 780 ” ( , )一 (sT( )一∑K .s ( )) 一rain, 380 f一1 (1) 其中,S ( )是目标光谱分布曲线,s ( )为LED 光谱分布曲线,K 为电流值。由此,上述物理问 题可归结为数学问题,即求二乘残差函数乒( ,i) 最优化解的问题,通过这种方法可以得出使两条 光谱曲线最接近的系数K 。利用数值分析工具 计算得到每一种颜色LED相应的电流值。调节 2062 光学精密工程 0;j IJ ∞一口一 _I 盆 一 一∞ 第16卷 0一善 【】 Ip .I芑 盘∞ ^l葛 电流的大小控制光源的光谱分布曲线,使模拟光 谱与目标光谱相似,从而达到设计要求。 这里介绍了一种评价光谱模拟效果的方法, 即求目标光谱与模拟光谱之间差值的绝对值与目 标光谱的比,其表达式如下: 78O K ・S,( ) ∑I ST( )一 ∑一 380 ∑s ( ) 78O (2) 380 通过参数P可以评估光源模拟光谱的效果,P值 越小,两条光谱的相似度越高。 【10【1l10lJls【p ju0(1∞ ^I 一 图2太阳光谱和光源光谱(I.ED间隔5 nm) Fig.2 Sun spectral distribution and source spectral distr ution(5 nm LED intervals) 图3标准灯光谱和光源光谱(LED问隔5 nm) Fig.3 Lamp spectral distribution and source spec tral distribution(5 nm I ED intervals) 图2,图4,图6显示了用光源模拟可见波段 的太阳光谱分布,它们分别是峰值波长问隔5, 1O,20 nm时光谱模拟的效果。图3,图5,图7显 示了用光源模拟标准灯的光谱分布。它们也分别 是峰值波长问隔5,10,20 rim时光谱模拟的效 果。根据公式(2)计算可以得到用80个LED模 拟太阳和标准灯的光谱分布时,参数 的值等于 Mnm 图4太阳光谱和光源光谱(I ED间隔10 nm) Fig.4 Sun spectral distribution and source spectral distribution(10 nFIl LED intervals) Jlslp|BJ1u0 cI∞0^1 一0 L10 :0 lslp rBJ100 ∞o^1图5标准灯光谱和光源光谱(LED间隔10 nm) Fig.5 Lamp spectral distribution and source spec tral distribution(10 nm LED intervals) 图6太阳光谱和光源光谱(LED间隔20 nm) Fig.6 Sun spectral distribution and source spectral distr.bution(20 rim LED intervals) 6.3×10~,40个I.ED模拟太阳和标准灯的光谱 分布时,参数声的值等于1.4×10 ,20个LED 模拟太阳和标准灯的光谱分布时,参数 的值等 于3.1×1O 。通过上图以及计算结构可以看 出,I.ED种类越多,峰值波长间隔越小,光谱模拟 的相似度越高。 c0暑1q【 第11期 陈风,等:LED的光谱分布可调光源的设计 舌 亏 兽 告 弓 趸 & . 羔 图7标准灯光谱和光源光谱(I ED间隔20 nm) Fig.7 Lamp spectral distribution and source spec— tral distrIbution(20 nm LED intervals) 4 结构设计 光谱可调光源的结构设计主要由积分球设 计和LED光学模块设计两部分组成。 4.1积分球设计 光谱可调光源主要用于遥感器的定标,遥感 器大多以太阳或反射太阳光作为工作时的光源, 因此设计光源输出光谱辐亮度接近大气层外一个 太阳常数。根据辐亮度传递公式,可以计算出积 分球的尺寸: 。F , (3) 其中,A为积分球内表面积;f为积分球的开口 比;.0为积分球反射率。根据计算,选择了直径为 250 mm的积分球,其出口直径为100 mm。积分 球的结构如图8所示: 图8积分球结构图 Fig.8 Mechanical structure of integrating sphere 4.2 LED光学模块设计 LED光学模块设计是光源结构设计的重要 组成部分。几组光学模块安装了从紫色到红色很 多种类型的LED,这些色彩丰富的LED可以使 模拟光谱分布更接近目标光谱分布。光学模块的 设计要求LED可以方便地拆卸和安装。如图9 所示,LED光学模块采用了圆形设计,光学模块 上LED安装孔呈圆形放射状分布。由于积分球 内部没有安装挡板,光学模块外沿高出LED的安 装位置,这样的设计就好像积分球中安装了挡板, 可以使得LED发出的光不能直接照射到积分球 出光口,避免对测量的结果产生影响。 图9 LED光学模块结构图 Fig.9 Mechanical structure of LED optical head 5 电源控制箱的设计 电源控制箱[9 是光源重要的组成部分,它可 以给每一路LED模块提供稳定的电流,并可以精 确地调节每一路电流的大小。电源控制箱通过上 位机控制,上位机控制DA输出卡,输出的电压经 过v/i转换电路转化成电流并稳定输出给每一 路LED模块,使它能够稳定发光,上位机可以通 过IO开关控制实现每一路LED的自动开关。为 了保证每一路上电流的准确性,在电路中加入了 AD采集电路,通过AD采集可以实时监测每一 路LED模块的电流情况,另外还有一组稳压电源 给V/I转换电路供电,以保证其正常的工作。电 路设计原理图如图1O所示: 2O64 光学精密工程 第16卷 6 结 论 这种光谱分布可调的光源设计采用了新型 的发光二极管作为发光介质,通过多种LED发光 光谱组合成不同的光谱分布。建立了光源的数学 模拟算法,通过模拟仿真,证实了光源设计的正确 性。设计了电源控制箱,采用自动控制,精确调节 LED模块上电流的大小,并通过监测电路实时监 测光源电流。这种光源通过精确控制每一个 图1O 电源控制箱原理图 Fig.10 Principle of power control box LED模块的电流使光源产生不同光谱分布,可以 模拟很多不同光源的光谱分布。在光辐射测量 中,这种光谱分布可调的光源会成为更为有效,便 捷的光源。 参考文献: [1]任建伟,万志,李宪圣,等.空间光学遥感器的辐射传递特性与校正方法[J].光学精密工程,2007,15(8):1186 119O. REN J W,WAN ZH,LI X SH,et a1..Radiation transfer characteristic and calibrating method for space optical re— mote sensor[J].Opt.Precision Eng.,2007,15(8):1186—1190.(in Chinese) [2] 张以谟.应用光学[M].北京:机械工业出版社,1988. ZHANG Y M.Applied Optics[M].Beijing:China Machine Press,1988.(in Chinese) [3] 陈风,郑小兵.光谱非匹配对于光学遥感器定标精度影响的分析[J].光学精密工程,2008,16(3):415—419. CHEN F,ZHENG X B.Influence of remote sensor calibration precision by source has different spectrum[J].Opt. Precision Eng.,2008,16(3):415—419.(in Chinese) E4] 王淑荣,刑进,李福田.利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计[J].光学精密工程,2006,14(2):185—190. WANG SH R,XING J,LI F T.Spectral radiance responsivity calibration of ultraviolet remote sensing spectroradi— ometer in space using integrating sphere[,J].Opt.Precision Eng.,2006,14(2):185—190.(in Chinese) E5] BROWN S W,SANTANA C,EPPELDAUER G P.Development of a tunable LED-based colorimetric source[J]. .,.Res.Nat1.Inst.Stand,Technol,2002,107(4):363—371. ral matching with an LED-based speetrally tunable source[J].SPIE, E6] FRYC I,BROWN S W,OHNO Y.Spect2005,5941:594111.1-594111.9. ly tunable source for radiometric,photometric and E7] FRYC I,BROWN S W,EPPELDAUER G P.LED-based spectralcolorimetrie applications[,J].Opt.Eng,2005,44(11):111309—111316.. E8] 许文海,赵欢,芦永军.LED阵列式紫外固化光源光学系统设计[J].光学精密工程,2007,15(7):1032—1037. XU W H,ZHAO H,LU Y J.Design of an optical system for UV curing source with LED array[J].Opt.Preci— sion Eng.,2007,15(7):1032—1037.(in Chinese) 1-9] FRYe I,BROWN S,OHNO Y.Development of a spectrally tunable calibration source for display colorimeters,[J]. Lightmetry,2004(4):20—22. 作者简介:陈风(1977一),男,博士研究生,主要从事光学精确测量的先进方法与仪器、卫星光学传感器的高精度定标 等方面的研究。E—mail:fehen@aiofm.ae.cn 导师简介:郑小兵(1969~),男,博士,研究员,主要从事光辐射测量的先进方法与仪器、卫星光学传感器的高精度定标、 光学遥感和光学海洋学等方面的研究。E—mail:xbzheng@aiofm.ac.cn