基于光谱分析的明视觉照度传感器设计研究

杨超普; 方文卿; 阳帆; 赫蕊蕊; 祝飞

doi:doi:10.3788/LOP57.090401

激光与光电子学进展, 2020, 57 (9): 090401, 网络出版: 2020-05-06

基于光谱分析的明视觉照度传感器设计研究下载： 988次

Design and Investigation on Illumination Sensors of Photopic Vision Based on Spectral Analysis

论文大纲

杨超普 ^1,2,3方文卿 ^2,4,*阳帆 ^2,4赫蕊蕊 ^1,3祝飞 ^1,3

作者单位

¹ 商洛学院化学工程与现代材料学院, 陕西商洛 726000

² 南昌大学材料科学与工程学院, 江西南昌 330031

³ 商洛学院陕西省尾矿资源综合利用重点实验室, 陕西商洛 726000

⁴ 南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心, 江西南昌 330047

探测器照度视觉传感器光学设计光谱分析 detectors illumination vision sensors optical design spectral analysis

AI 词云图 AI一句话精读 AI短摘要

注：本部分内容由 AI 自动生成，请您知悉。

摘要

基于光谱分析,给出了非镀膜明视觉照度传感器的设计流程,通过计算传感器理论相对光谱响应与明视觉光谱光效率函数的中心波长、半峰全宽和在380 ~780 nm波段的积分面积的相对偏差,评估传感器匹配误差。利用蓝色玻璃QB21、黄色玻璃LB9和LB16与LXD44MQ硅光电池组合自主设计非镀膜明视觉照度传感器,与明视觉光谱光效率函数相比,该照度传感器理论相对光谱响应中心波长、半峰全宽和在380~780 nm波段的积分面积的相对偏差分别为0.36%、5.00%和14.15%。以TES 1330A照度计作为标准参考,0~2000 lx内10组测量值的平均绝对误差及平均相对误差分别为7.82 lx和1.77%。研究结果证明了该明视觉照度传感器设计方法可行,可为相关照度传感器的设计开发提供参考。

Abstract

Spectral analysis is used to present the design flow of a non-coated photopic visual illumination sensor. The sensor matching error is evaluated by calculating the relative deviation of central wavelength, full width at half maxima, and the integral area in 380-780 nm band between theoretical relative spectral response and apparent photopic visual spectral efficiency function. Using the combination of blue glass QB21, yellow glass LB9, LB16, and LXD44MQ silicon photocell, the theoretical relative spectral response of the illumination sensor is compared with the spectral efficiency function of the photopic illumination spectrum. The relative deviations of the central wavelength, full width at half maxima, and the integral area in 380-780 nm band are 0.36%, 5.00%, and 14.15%, respectively. With TES 1330A illuminometer as the standard reference, the average absolute error and relative error of 10 groups measured in the range of 0-2000 lx are 7.82 lx and 1.77%, respectively. Results show that the proposed method is feasible and can be used as a reference for the design and development of related illumination sensors.

1 引言

照度计又称为勒克斯计,是一种在光学领域用来测量光通量面密度的仪器。照度计的核心元件为照度传感器,一般由光电池与修正滤光片构成,可将光信号按照人眼响应函数转化为电信号^[1]。根据人眼响应函数的不同,当前常见的照度传感器主要包括明视觉照度传感器(如日本滨松光子学株式会社的S7686)和暗视觉照度传感器(如美国Solar light公司的PMA 2131)。人眼视网膜上有三种感光细胞:锥状细胞、杆状细胞和特化感光神经节细胞(ipRGC)^[2-5]。利用光电器件模拟人眼不同感光细胞的光谱响应即可制备相应照度传感器。国际照明委员会(CIE)在1924年给出了明视觉光谱光效率函数V(λ)(其中λ为波长),表征位于视网膜中心能够分辨颜色的锥状细胞的光谱响应,使得明视觉照度传感器的设计逐渐标准化。

近年来,随着光电器件、微控制器和集成电路等快速发展,照度计发展已相当成熟。明视觉照度计已是光学相关专业学生及研究人员的必用测量工具,然而当前照度计越来越趋向于微型化和模块化。明视觉照度计传感器也多采用光电池与镀膜滤光片集成封装,且价格较为昂贵,例如网上S7686的单个售价约为150元。为便于初学者深刻理解明视觉照度传感器的设计原理,方便且以较低成本制备明视觉照度传感器,有必要给出一种基于光谱分析,通过常见滤光片组合及光电池制备高精度明视觉照度传感器方案。

2 原理与方法

2.1 设计原理

位于人眼视网膜中心区域的锥状感光细胞能够分辨颜色,对应明视觉,CIE在1924年给出了明视觉光谱光效率函数V(λ),表征锥状细胞光谱响应^[6]。明视觉照度传感器的设计原理是:利用滤光片尽可能将光电探测器光谱响应曲线修正得与明视觉光谱光效率函数曲线重合^[7]。图1实线为S7686明视觉照度传感器相对光谱响应曲线,阴影为明视觉光谱光效率函数V(λ)曲线,由图可见二者重合度较高。图2为明视觉照度传感器结构示意图,光电探测器常用硅光电池,修正滤光片由多个滤光片组合而成,如V(λ)人眼视觉函数修正滤光片组和余弦修正片等。

图 1. 明视觉照度传感器设计原理图

Fig. 1. Design principle diagram of photopic visual illumination sensor

下载图片查看所有图片

图 2. 明视觉照度传感器结构示意图

Fig. 2. Schematic of photopic visual illumination sensor structure

下载图片查看所有图片

为了便于计算分析,根据CIE给出的明视觉光谱光效率函数V(λ)的原始数据,利用OriginPro软件中Asym2Sig函数(y₀、A、x_c、w₁、w₂、w₃为待定系数),即

\begin{matrix} y = y_{0} + A \{1 / \{1 + \exp [- (x - x_{c} + w_{1} / 2) w_{2}]\}\} \{1 - 1 / \{1 + \exp [- (x - x_{c} - w_{1} / 2) / w_{3}]\}\}, (1) \end{matrix}

拟合明视觉光谱光效率函数V(λ)表达式^[8-9],即

\begin{matrix} V (λ) = 3.659 \times 10^{- 4} + \frac{1.182}{1 + \exp (32.651 - λ / 15.731)} [1 - \frac{1}{1 + \exp (24.558 - λ / 20.915)}], (2) \end{matrix}

拟合结果的相关系数平方R²=0.99903,说明拟合质量较高,可保证计算分析精度。

由于明视觉光谱光效率函数V(λ)为Gaussian型峰值函数,实验提出利用设计传感器光谱响应曲线的中心波长、半峰全宽和380~780 nm波段的积分面积与明视觉光谱光效率函数V(λ)的偏差表征二者的重合度,进而评估传感器误差。根据(1)式计算分析中心波长、半峰全宽和380~780 nm波段的积分面积,结果见表1。

表 1. 明视觉光谱光效率函数分析计算结果

Table 1. Analysis and calculation results of the spectral luminous efficiency function of photopic vision

Centerwavelength /nm	Full width at halfmaximum /nm	Integral area of380-780 nm band
555	100	106

查看所有表

2.2 设计方法

图3给出明视觉照度传感器的设计流程,主要步骤包括:拟合明视觉光谱光效率函数V(λ)表达式;根据目标函数及光电探测器响应值选择合适滤光片或其组合;计算光电探测器响应值与滤光片透射率的乘积,并进行归一化;计算照度传感器的相对光谱响应函数及明视觉光谱光效率函数V(λ)的中心波长、半峰全宽和380~780 nm波段的积分面积,比较误差大小;将滤光片组与光电探测器组装成传感器。

图 3. 明视觉照度传感器的设计流程图

Fig. 3. Design flow chart of photopic visual illumination sensor

下载图片查看所有图片

3 设计与分析

3.1 光电探测器选择

光电探测器可将光信号转换成电信号,是照度传感器的核心元件,主要包括硒光电池和硅光电池。硒光电池的光谱响应峰值约为560 nm,接近明视觉光谱光效率函数V(λ)的最大峰值(555 nm),经滤光片校准后与V(λ)函数重合度非常高,曾广泛应用于照度传感器。然而,硒光电池光老化寿命短,在照度为1000 lx的阳光连续照射1000 h后,其光电转换效率将降低1/3。硅光电池具有寿命长、灵敏度高和体积小等优势,迅速替代硒光电池,成为当前照度传感器中常用光电探测器。实验选用深圳龙信达科技有限公司型号为LXD44MQ的硅光电池,该光电探测器在250~900 nm波段的相对光谱响应如图4所示。

图 4. LXD44MQ光电探测器的相对光谱响应

Fig. 4. Relative spectral response of LXD44MQ photodetector

下载图片查看所有图片

表2给出LXD44MQ光电探测器的主要参数。为了便于比较,图4同时给出明视觉光谱光效率函数V(λ)。由图4可见,LXD44MQ硅光电池在380~780 nm可见光波段均有响应,但光谱响应波形与目标明视觉光谱光效率函数V(λ)波形的差异较大,需要进行复杂修正。

表 2. LXD44MQ光电探测器的主要参数

Table 2. Main parameters of LXD44MQ photodetector

Size /(mm×mm)	Wavelengthrange /nm	Reversevoltage /V	Open circuitvoltage /V	Short circuitcurrent /μA	Darkcurrent /nA	Peakwavelength /nm
4×4	200-1100	5	0.3	15	2	940

查看所有表

3.2 滤光片选择

选择合适的滤光片才能将LXD44MQ光电探测器相对光谱响应曲线修正得与人眼光谱响应函数V(λ)曲线重合。因此,滤光片的选择至关重要。高精度照度传感器滤光片多采用真空镀膜技术,该技术成本较高,适合大规模量产。为了降低成本,选择青蓝色玻璃QB21、黄色玻璃LB9和LB16三种玻璃叠加组合为明视觉照度传感器修正滤光片。利用上海复享光学股份有限公司的FX2000高速微型光纤光谱仪及HL2000卤素光源测量三种玻璃在350~900 nm波段的透射率,结果如图5所示,主要参数如表3所示,其中A[2856 K]与D65分别代表2856 K及D65标准光源透过玻璃片的CIE 1931 xyY坐标,N_D表示以钠元素的特性谱线D-589.3 nm测定的滤光片折射率,Bubble(气泡)、Stripe(条纹)和Stress(应力)的级别参考中华人民共和国国家标准无色光学玻璃GB903-65。

图 5. 修正滤光片透射率

Fig. 5. Correction filters transmittance

下载图片查看所有图片

表 3. 修正滤光片主要参数

Table 3. Main parameters of correction filters

Type	Thickness /mm	A[2856 K]			D65			N_D	Bubble	Stripe	Stress
Type	Thickness /mm	x					y	Y	x	y	Y
QB21	2	0.345	0.439	62.1	0.244	0.326	68.8	1.535	C	3C	4
LB9	2	0.462	0.452	86.7	0.353	0.429	85.2	1.547	C-B	3C	3
LB16	2	0.484	0.476	74.0	0.405	0.483	70.2	1.535	D-C	3C	4

查看所有表

3.3 计算分析

利用3.2节LXD44MQ光电探测器的相对光谱响应曲线,及蓝色玻璃QB21、黄色玻璃LB9和LB16透射率数据,计算四组数据的乘积,并进行归一化处理,得到自主设计的明视觉照度传感器在350~900 nm波段的理论相对光谱响应曲线,结果如图6所示。为了便于比较分析,图6阴影为明视觉光谱光效率函数V(λ)曲线。另外,图6中还给出某款国产BPW28型镀膜明视觉照度传感器的相对光谱响应曲线。

由图6可直观比较自主设计的明视觉照度传感器及BPW28型镀膜明视觉照度传感器的相对光谱响应曲线,与目标函数明视觉光谱光效率函数V(λ)曲线的重合程度。采用QB21+LB9+LB16+LXD44MQ设计的明视觉照度传感器的相对光谱响应曲线与明视觉光谱光效率函数V(λ)曲线重合度较高,明显优于BPW28型镀膜明视觉照度传感器。为了更加精确地定量分析比较自主设计的明视觉照度传感器的优劣,分别计算S7686镀膜明视觉照度传感器、BPW28型镀膜明视觉照度传感器和自主设计非镀膜明视觉照度传感器的相对光谱响应,与明视觉光谱光效率函数V(λ)的中心波长、半峰全宽和380~780 nm波段的积分面积的绝对偏差及相对偏差,结果如表4所示。

图 6. 视觉照度传感器的相对光谱响应比较

Fig. 6. Comparison of relative spectral response of photopic vision illumination sensors

下载图片查看所有图片

表 4. 三种明视觉照度传感器偏差计算结果

Table 4. Deviation calculation results of three kinds of photopic visual illumination sensors

Sensor	Center wavelength		Full width at half maximum		Integral area of 380-780 nm band
Sensor	Absolutedeviation /nm	Relativedeviation /%	Absolutedeviation /nm	Relativedeviation /%	Absolutedeviation /nm	Relativedeviation /%
S7686	-5	0.90	+1.58	1.58	+1.18	1.11
BPW28	-5	-1.80	+58.00	58.00	+41.00	38.70
Self-made	-2	0.36	+5.00	5.00	+15.00	14.15

查看所有表

由表4可见,自主设计非镀膜明视觉照度传感器的中心波长偏差优于其他两种传感器;半峰全宽与380~780 nm波段的积分面积偏差远优于BPW28传感器,分别为BPW28值的0.086,0.366。由表4综合分析得,自主设计传感器的性能优于BPW28,逊于S7686。

中华人民共和国国家计量检定规程(JJG 245-2005)给出了照度传感器光谱响应与明视觉光谱光效率函数V(λ)的匹配误差计算方法^[10],即

\begin{matrix} F = \frac{\int_{380}^{780} |S (λ) - V (λ)| dλ}{\int_{380}^{780} V (λ) dλ}, (3) \end{matrix}

式中:F为匹配误差,F值越小,代表传感器响应曲线越接近明视觉光谱光效率函数V(λ)曲线;S(λ)为传感器标准相对光谱响应,计算公式为

\begin{matrix} S (λ) = \frac{S_{0} (λ) \int_{380}^{780} P (λ) V (λ) dλ}{\int_{380}^{780} P (λ) S_{0} (λ) dλ}, (4) \end{matrix}

式中:P(λ)为2856 K标准光源相对光谱分布;S₀(λ)为传感器相对光谱响应。利用(3)式和(4)式计算得到自主设计非镀膜明视觉照度传感器的匹配误差F=16.28。

4 结果与讨论

为了进一步验证采用QB21+LB9+LB16+LXD44MQ自主设计非镀膜明视觉照度传感器的可行性,并直接给出测量误差。以美国Microchip公司PIC 16F1787单片机为核心制备印刷电路板,采用H28-12864TFT彩色液晶显示模块显示照度数值,制作使用传感器的照度计。以台湾泰仕数字式照度计TES 1330A为标准参考,分析该照度传感器的测量误差,原理如图7所示。

图 7. 明视觉照度传感器测量误差分析原理图

Fig. 7. Schematic of measurement error analysis of photopic visual illumination sensor

下载图片查看所有图片

利用直流可调光强LED球泡灯为光源,恒流源供电,LED球泡灯固定在高度可大范围调节的铁架台上。通过电流及高度调节,在0~2000 lx内调节10组照度值,每次测量前让光源稳定5 min,并保证自制照度计与TES 1330A参考照度计的感光口在同一平面、同一位置测量,测量误差如表5所示。

由表5可知,10组测量值的平均绝对误差为7.82 lx,平均相对误差为1.77%,最大绝对误差在1500 lx时偏差为-25 lx,最大相对误差在100.4 lx时偏差为4.98%。已知TES 1330A照度计准确度为±3% rdg±0.5% f.s.(<10⁴ lx) (rdg为reading缩写,即读数,f.s.为full scale缩写,即满量程),故自制明视觉照度传感器有较高精度,也说明采用QB21+LB9+LB16+LXD44MQ自主设计非镀膜明视觉照度传感器的可行性,四种原件价格合计不足30元。

表 5. 自制明视觉照度传感器测量误差

Table 5. Measurement error of self-made photopic visual illumination sensor

No.	Standard illumination value /lx	Measured value /lx	Absolute error /lx	Relative error /%
1	0	0	0	0
2	50.8	52.0	+1.2	2.36
3	100.4	95.4	-5.0	4.98
4	150.0	147.0	-3.0	2.00
5	200.0	203.0	+3.0	1.50
6	500.0	505.0	+5.0	1.00
7	800.0	792.0	-8.0	1.00
8	1000.0	1003.0	+3.0	0.30
9	1500.0	1475.0	-25.0	1.67
10	2000.0	2022.0	+22.0	1.10

查看所有表

5 结论

基于光谱测量与分析,给出明视觉照度传感器的设计流程,提出了利用蓝色玻璃QB21、黄色玻璃LB9和LB16与LXD44MQ硅光电池组合自主设计非镀膜明视觉照度传感器。通过滤光片透射率及硅光电池响应曲线计算明视觉照度传感器理论相对光谱响应,比较理论相对光谱响应与明视觉光谱光效率函数V(λ)的中心波长、半峰全宽和在380~780 nm的积分面积的差异,判断照度传感器设计优劣;以台湾泰仕数字式照度计TES 1330A为标准参考,分析该照度传感器的测量误差。研究结果表明,采用QB21+LB9+LB16+LXD44MQ自主设计非镀膜明视觉照度传感器方案可行。与明视觉光谱光效率函数相比,该照度传感器理论相对光谱响应的中心波长、半峰全宽和380~780 nm的积分面积的相对偏差分别为0.36%、5.00%和14.15%。以TES 1330A照度计作为标准参考,0~2000 lx内10组测量值的平均绝对误差及平均相对误差分别为7.82 lx和1.77%。该设计方案可为初学者深刻理解明视觉照度传感器的设计原理,方便且以较低成本制备明视觉照度传感器提供参考。

参考文献

[1] 吴鹏飞. 基于单片机数显照度计的设计[D]. 哈尔滨: 黑龙江大学, 2015.

Wu PF. Design of digital display illuminometer based on single chip microcomputer[D]. Harbin: Helongjiang University, 2015.

[2] 杨超普, 方文卿, 刘明宝, 等. 不同色温LED背光屏的蓝光危害和非视觉生物效应[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(10): 101701.

Yang C P, Fang W Q, Liu M B, et al. Blue light hazard and non-visual biological effect of LED backlight displayer at different color temperatures[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2017, 54(10): 101701.

[3] 杨超普, 方文卿, 王昭, 等. 不同显示器的蓝光危害及节律效应比较[J]. 激光与光电子学进展, 2017, 54(12): 121701.

Yang C P, Fang W Q, Wang Z, et al. Comparison on blue light hazard and circadian effect of different displays[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2017, 54(12): 121701.

[4] 黄彦, 杨春宇. 光源光色对明视觉功效影响的模拟实验研究[J]. 灯与照明, 2015, 39(3): 1-4, 10.

Huang Y, Yang C Y. The simulative experimental analysis of the effect of light color on photopic visual performance[J]. Light & Lighting, 2015, 39(3): 1-4, 10.

[5] Berson D M. Phototransduction by retinal ganglion cells that set the circadian clock[J]. Science, 2002, 295(5557): 1070-1073.

[6] Baczynska K, Price L. Efficacy and ocular safety of bright light therapy lamps[J]. Lighting Research & Technology, 2013, 45(1): 40-51.

[7] 李伟, 刘昭廷, 吕靖薇, 等. 简易数字照度计的设计与实现[J]. 物理实验, 2016, 36(6): 19-21.

Li W, Liu Z T, Lü J W, et al. Design and implementation of a simple digital light illuminanometer[J]. Physics Experimentation, 2016, 36(6): 19-21.

[8] 杨超普, 方文卿, 刘明宝, 等. 一种光源的蓝光危害与节律效应可视化评估方法[J]. 光谱学与光谱分析, 2018, 38(11): 3476-3482.

Yang C P, Fang W Q, Liu M B, et al. A visualization evaluation method for blue light hazard and circadian effect of light source[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018, 38(11): 3476-3482.

[9] 杨超普, 方文卿, 韩昌万, 等. LED照明的非视觉生物效应随色温变化研究[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(24): 243301.

Yang C P, Fang W Q, Han C W, et al. Variation of non-visual biological effect of LED lighting with color temperature[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(24): 243301.

[10] 国家质量监督检测检疫总局. 光照度计: JJG 245-2005[S]. 北京: 中国标准出版社, 2005.

State general administration of quality supervision, inspectionandquarantine. Illuminance meter: JJG 245-2005[S]. Beijing: Standards Press of China, 2005.

杨超普, 方文卿, 阳帆, 赫蕊蕊, 祝飞. 基于光谱分析的明视觉照度传感器设计研究[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(9): 090401. Chaopu Yang, Wenqing Fang, Fan Yang, Ruirui He, Fei Zhu. Design and Investigation on Illumination Sensors of Photopic Vision Based on Spectral Analysis[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2020, 57(9): 090401.

基于光谱分析的明视觉照度传感器设计研究下载： 988次

1 引言

2 原理与方法

2.1 设计原理

图 1. 明视觉照度传感器设计原理图

Fig. 1. Design principle diagram of photopic visual illumination sensor

图 2. 明视觉照度传感器结构示意图

Fig. 2. Schematic of photopic visual illumination sensor structure

表 1. 明视觉光谱光效率函数分析计算结果

Table 1. Analysis and calculation results of the spectral luminous efficiency function of photopic vision

2.2 设计方法

图 3. 明视觉照度传感器的设计流程图

Fig. 3. Design flow chart of photopic visual illumination sensor

3 设计与分析

3.1 光电探测器选择

图 4. LXD44MQ光电探测器的相对光谱响应

Fig. 4. Relative spectral response of LXD44MQ photodetector

表 2. LXD44MQ光电探测器的主要参数

Table 2. Main parameters of LXD44MQ photodetector

3.2 滤光片选择

图 5. 修正滤光片透射率

Fig. 5. Correction filters transmittance

表 3. 修正滤光片主要参数

Table 3. Main parameters of correction filters

3.3 计算分析

图 6. 视觉照度传感器的相对光谱响应比较

Fig. 6. Comparison of relative spectral response of photopic vision illumination sensors

表 4. 三种明视觉照度传感器偏差计算结果

Table 4. Deviation calculation results of three kinds of photopic visual illumination sensors

4 结果与讨论

图 7. 明视觉照度传感器测量误差分析原理图

Fig. 7. Schematic of measurement error analysis of photopic visual illumination sensor

表 5. 自制明视觉照度传感器测量误差

Table 5. Measurement error of self-made photopic visual illumination sensor

5 结论

Article Outline

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

基于光谱分析的明视觉照度传感器设计研究 下载： 988次

1 引言

2 原理与方法

2.1 设计原理

图 1. 明视觉照度传感器设计原理图

Fig. 1. Design principle diagram of photopic visual illumination sensor

图 2. 明视觉照度传感器结构示意图

Fig. 2. Schematic of photopic visual illumination sensor structure

表 1. 明视觉光谱光效率函数分析计算结果

Table 1. Analysis and calculation results of the spectral luminous efficiency function of photopic vision

2.2 设计方法

图 3. 明视觉照度传感器的设计流程图

Fig. 3. Design flow chart of photopic visual illumination sensor

3 设计与分析

3.1 光电探测器选择

图 4. LXD44MQ光电探测器的相对光谱响应

Fig. 4. Relative spectral response of LXD44MQ photodetector

表 2. LXD44MQ光电探测器的主要参数

Table 2. Main parameters of LXD44MQ photodetector

3.2 滤光片选择

图 5. 修正滤光片透射率

Fig. 5. Correction filters transmittance

表 3. 修正滤光片主要参数

Table 3. Main parameters of correction filters

3.3 计算分析

图 6. 视觉照度传感器的相对光谱响应比较

Fig. 6. Comparison of relative spectral response of photopic vision illumination sensors

表 4. 三种明视觉照度传感器偏差计算结果

Table 4. Deviation calculation results of three kinds of photopic visual illumination sensors

4 结果与讨论

图 7. 明视觉照度传感器测量误差分析原理图

Fig. 7. Schematic of measurement error analysis of photopic visual illumination sensor

表 5. 自制明视觉照度传感器测量误差

Table 5. Measurement error of self-made photopic visual illumination sensor

5 结论

Article Outline

相关论文

相关资讯

关于本站 Cookie 的使用提示

全站搜索

基于光谱分析的明视觉照度传感器设计研究下载： 988次