CN106764691A - 一种基于量子点led的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于模拟光源技术领域，具体为一种基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***。本发明***包含光源模组、调光***、聚焦透镜、混光器和配光透镜组，光源模组包含K个具有不同峰值波长的单色光量子点LED光源或紫外LED光源，通过聚焦透镜将单色光汇聚于处于聚焦透镜公共焦点处的混光器，再由所述混光器将单色光混合为波长在200−1200 nm范围内的模拟太阳光或模拟黑体辐射光，最后通过配光透镜组后出射。本发明的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***在合成目标光谱时，理想实施情况下合成光与目标光谱在400−730 nm内的相关系数r大于0.99，色温偏差ΔCCT小于100 K，一般显色指数Ra大于98，特殊显色指数R1−R15均大于96，色容差SDCM小于1。
Description
技术领域
本发明属于模拟光源技术领域，具体涉及一种基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***。
背景技术
量子点属于荧光纳米材料，由锌、硒、镉、硫等元素化合成的半导体材料制成，其直径为2−10 nm。量子点的量子限域效应非常明显，它能将半导体中的载流子限定于一个非常微小的空间内，一旦受到光照或电刺激，载流子就会被激发并跃迁到更高的能级。当这些载流子重新回到原来较低的能级时，就会发出固定波长的可见光。相比于传统的荧光材料，量子点的优点在于：发光波长可通过量子点的尺寸来调控，量子点直径越小，激发后的光波长越小，改变量子点材料的化学组成和颗粒的直径可以使其荧光发射波长覆盖整个可见光谱及部分红外光谱；具有良好的线性光学性质，性能稳定，可以经受反复多次激发，具有较高的发光效率；不需要混合多种荧光粉，封装简单，成本较低；量子点本身尺寸小于可见光波长，光散射及其他光损失现象较少。
目前，基于量子点的光源大多使用紫外LED来激发不同尺寸的量子点荧光材料使其发射多种单色光从而混合得到的白光光谱。由于量子点的发射光谱理论上可覆盖整个可见光谱和部分红外光谱，并且其半宽可以通过连续改变量子点的尺寸来调制，因此，在合理选取量子点材料和尺寸的情况下，基于量子点LED的光源可以获得非常连续的合成光谱，是用于合成太阳光谱或黑体辐射光谱的理想光源。
现有的太阳光谱或黑体辐射光谱模拟***有两类，一类是使用氙灯、金卤灯等光源，配合一些特定的滤光片，使得最终输出的光谱和目标光谱接近。另一类是使用不同颜色的LED组合光源，通过逐个调节单色LED的光谱使之互相补偿，同时借助一些特定滤光片，从而匹配目标光谱。专利CN200910200631提出了一种类太阳光谱LED的调光方法，采用集成封装有多颗涵盖可见光范围的不同颜色的LED芯片作为光源，通过理论计算和实验来拟定和修正模拟不同色温太阳光所需的多个单色LED辐射通量比例，从而匹配目标光谱来模拟各种照明场景。专利CN201210483543提出了一种基于人造光源的天空光光谱模拟方法，选取金属卤化物光源作为400−2500 nm范围内天空光光谱的主要模拟光源，并使用大功率LED作为400−600 nm范围内的光谱补偿光源，选择相应的滤光片对600−2500 nm范围内的金属卤化物光源光谱进行修正，以较低的成本实现了400−2500 nm范围内的全光谱天空光模拟。
使用上述方法获得的模拟光谱很难以较高的相关系数吻合真实的太阳光谱或黑体辐射光谱，事实上其偏差总是较大。而量子点LED光源得益于多光谱窄带发射的优势，特别是其光谱易调可控、性能稳定等特点，成为了未来新型太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***的理想光源。目前，对于量子点LED的研究大部分尚处于实验室阶段，但是量子点材料已经在实验中表现出良好的性能，而其理论光效与磷光OLED相当(100 lm/W)，无论是用于一般照明还是特殊光源的模拟都具有很大的潜力。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，
本发明提供的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，包含光源模组、调光***、聚焦透镜、混光器和配光透镜组；其中，所述光源模组包含 K(K≥10)个具有不同峰值波长的单色光量子点LED光源或紫外LED光源，通过聚焦透镜将单色光汇聚于处于聚焦透镜公共焦点处的混光器，再由所述混光器将单色光混合为波长在200−1200 nm范围内的模拟太阳光或模拟黑体辐射光，最后通过配光透镜组后出射；由于量子点LED光源具有峰值波长可控和半值全宽度可调制的优点，采用多个单色光量子点LED光源合成后的光谱相对于真实太阳光谱或黑体辐射光谱的拟合度极高。
所述光源模组中，各个单色光量子点LED光源的峰值波长在380−1200 nm范围内，根据目标光谱的波长范围在所述380−1200 nm范围内确定一个取值区间，使各个量子点LED光源的峰值波长分布在所述取值区间。
所述目标光谱的波长范围部分包含200−380 nm时，可以采用若干个峰值波长在200−380 nm范围内的紫外LED光源，目的是补偿量子点LED光源在紫外波段的缺失。
所述光源模组中的光源可以是量子点LED封装器件组，紫外LED激发光源+量子点荧光板，或紫外LED封装器件。
所述光源为量子点LED封装器件时，包含热沉、紫外LED芯片、量子点荧光粉层、透镜和封装材料等。
所述光源为紫外LED激发光源+量子点荧光板时，每一个量子点荧光板上涂有具有不同发射波长的量子点荧光粉，所述量子点荧光粉由相应紫外LED激发光源激发并发出各种单色光。
所述光源为紫外LED封装器件时，其峰值波长处于200−380 nm范围内，封装材料可以是无机材料(SiO2)，也可以是硅树脂。
所述光源模组中每一个光源都配有一个聚焦透镜，所述聚焦透镜的焦点都处于所述混光器的入射口位置，各个光源发出的单色光经各自配有的聚焦透镜聚焦后，汇聚到所述混光器入射口并由混光器将这些单色光混合成接近目标光谱的合成光。
所述配光透镜组根据具体应用需求进行光学设计以获得所需光强分布。
所述基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***的应用需求具体为太阳模拟器时，所述配光透镜组设计为将入射光转换为平行光后出射。
所述调光***采用直流(DC)调光、脉冲宽度调制(PWM)调光或者液晶调光玻璃控制每一个光源的辐射通量。
所述调光***采用直流(DC)调光时，通过改变电流大小控制每一个光源的辐射通量。
所述调光***采用脉冲宽度调制(PWM)调光时，通过改变脉冲占空比控制每一个光源的辐射通量。
所述调光***采用液晶调光玻璃时，每一个光源和与其配有的聚焦透镜之间夹入一个液晶玻璃单元，由控制电极改变液晶玻璃单元两端的电压来调节液晶玻璃单元的透过率，从而控制每一个光源的辐射通量。
所述调光***中预置了多套不同太阳光谱或不同色温的黑体辐射光谱的调光数据，可根据需求快速调光，驱动光源模组合成所需光谱。
所述不同太阳光谱或不同色温的黑体辐射光谱的调光数据由理论计算来模拟和修正所得，其作为调光目标的不同太阳光谱谱为实地测量的结果，不同色温的黑体辐射光谱为普朗克公式的计算结果。
与现有的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***相比，本发明具有以下优势：
本发明的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，由于量子点LED光源峰值波长可控制和半值全宽度可调制的优点，合成后的光谱相对于真实太阳光谱或黑体辐射光谱的拟合度极高。
本发明的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，使用量子点LED作为光源，其原理是使用紫外LED激发量子点荧光粉发光，避免了传统荧光粉的色漂和光衰不一致等问题，保证了光谱模拟***的颜色稳定性。
本发明的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，在合成目标光谱的可见光部分时，单色量子点LED光源的峰值波长分布于380−780 nm范围内，通过合理调节各个量子点LED光源的辐射通量，可以使得合成光的显色指数R1−R15全部大于96。在理想实施情况下合成光与目标光谱在400−730 nm内的相关系数r大于0.99，色温偏差ΔCCT小于100 K，一般显色指数Ra大于98，特殊显色指数R1−R15均大于96，色容差SDCM小于1。远远优于目前现有的太阳光谱或黑体辐射光谱模拟***。
附图说明
图1为实施例1的***三维效果图。
图2为实施例1的***剖面图。
图3为实施例2的***三维效果图。
图4为实施例2的***剖面图。
图5为实施例3的***三维效果图。
图6为实施例3的***剖面图。
图7为实施例1中量子点LED光源的相对光谱分布图。
图8为实施例1中量子点LED合成光谱与2700 K黑体线对比图。
图9为实施例1中量子点LED合成光谱与3000 K黑体线对比图。
图10为实施例1中量子点LED合成光谱与3500 K黑体线对比图。
图11为实施例1中量子点LED合成光谱与4000 K黑体线对比图。
图12为实施例1中量子点LED合成光谱与4500 K黑体线对比图。
图13为实施例1中量子点LED合成光谱与5000 K黑体线对比图。
图14为实施例1中量子点LED合成光谱与5500 K黑体线对比图。
图15为实施例1中量子点LED合成光谱与6000 K黑体线对比图。
图16为实施例1中量子点LED合成光谱与6500 K黑体线对比图。
具体实施方式
以下所描述的实施例仅为本发明的部分实施例。基于本发明中的实施例而未作出创造性成果的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1：紫外LED激励光源+量子点荧光板+不对焦+光束角120°(黑体辐射模拟光源)。
实施例2：量子点LED封装器件+不对焦+平行光(太阳光模拟器)。
实施例3：紫外LED激励光源+量子点荧光板+对焦+平行光(太阳光模拟器)。
实施例1：
实施例1是一种光源为紫外LED激发光源+量子点荧光板的黑体辐射模拟光源，包含光源模组、调光***、聚焦透镜、混光器和配光透镜组。光源模组包含25个具有不同峰值波长的单色光量子点LED光源，其排列方式为5×5矩阵型排列。由调光***分别驱动各个光源发光，每一个光源配有一个聚焦透镜。所有聚焦透镜的焦点均处于同一位置，而混光器入射口也处于该位置。每个光源发出的单色光都由其配有的聚焦透镜汇聚到处于焦点处的混光器入射口，由混光器将不同单色光混合，最后合成光通过配光透镜组完成光强分配后出射，如图1所示。
光源的峰值波长在380−780 nm范围内均匀分布，这里以20 nm为间隔设定峰值波长，因此至少包含峰值波长为380、400、420、440、460、480、500、520、540、560、580、600、620、640、660、680、700、720、740、760、780 nm的量子点LED光源各一个。
调光***等控制及驱动器件可安装于量子点LED光源矩阵的下方，如图2所示。
此例中所述的5×5矩阵型排列光源在安装时，光源出光面的法线不经过聚焦透镜的焦点。不同位置的光源并排安装，其出光面方向相同，如图2所示，因此每一个光源所配有的聚焦透镜需要进行单独的光学设计，才能使得不同位置的光源出射光都聚焦到混光器入射口的位置。
本实施例具体为一种黑体辐射模拟光源，其配光透镜组设计为将入射光转换为光束角为120°的出射光，如图2所示。
由此实施方法获得的一种基于量子点LED的太阳光谱和黑体辐射光谱模拟***，通过调光***调节各个量子点LED光源的辐射通量，可以非常理想地模拟太阳光谱或黑体辐射光谱。根据实验测量的不同峰值波长量子点LED的相对光谱分布，以一定的辐射通量比例将这些单色光量子点LED光源的光谱进行合成，得到了2700 K、3000 K、3500 K、4000 K、4500 K、5000 K、5500 K、6000 K、6500 K的黑体辐射光谱模拟结果，如图8−16所示。其模拟效果如表1所示：
需要说明的是，相关系数r只计算400−730 nm范围内。若需要在更大范围内获得理想的相关系数，则需要增大量子点LED光源峰值波长的取值范围。
表1 量子点LED合成光谱与黑体辐射光谱比较
本实施例的合成光谱与各个目标光谱在400−730 nm内的相关系数r大于0.99，色温偏差ΔCCT小于60 K，显色指数Ra大于98，第九种特殊显色指数R9大于96，R1−R15全部大于96，SDCM小于1，远远优于目前现有的太阳光谱或黑体辐射光谱模拟***。
实施例2：
实施例2是一种光源为量子点LED封装器件的太阳光模拟器，包含光源模组、调光***、聚焦透镜、混光器和配光透镜组。光源模组包含25个具有不同峰值波长的单色光量子点LED光源，其排列方式为5×5矩阵型排列。由调光***分别驱动各个光源发光，每一个光源配有一个聚焦透镜。所有聚焦透镜的焦点均处于同一位置，而混光器入射口也处于该位置。每个光源发出的单色光都由其配有的聚焦透镜汇聚到处于焦点处的混光器入射口，由混光器将不同单色光混合，最后合成光通过配光透镜组完成光强分配后出射，如图4所示。
光源的峰值波长在380−780 nm范围内均匀分布，这里以25 nm为间隔设定峰值波长，因此至少包含峰值波长为380、405、430、455、480、505、530、555、580、605、630、655、680、705、730、755、780 nm的量子点LED光源各一个。
调光***等控制及驱动器件可安装于量子点LED光源矩阵的下方，此处不再附图说明。
此例中所述的5×5矩阵型排列光源在安装时，光源出光面的法线不经过聚焦透镜的焦点。不同位置的光源并排安装，其出光面方向相同，如图2所示，因此每一个光源所配有的聚焦透镜需要进行单独的光学设计，才能使得不同位置的光源出射光都聚焦到混光器入射口的位置。
本实施例具体为一种太阳光模拟器，因此配光透镜组设计为将入射光转换为平行光后出射，如图4所示。
实施例3：
实施例3是一种光源为紫外LED激发光源+量子点荧光板和紫外LED封装器件的太阳光模拟器，包含光源模组、调光***、聚焦透镜、混光器和配光透镜组。光源模组包含25个具有不同峰值波长的单色光量子点LED光源(紫外LED模块+量子点荧光模块)，其排列方式为圆环型排列，25个量子点LED光源均匀地沿一个圆环分布。由调光***分别驱动各个光源发光，每一个光源配有一个聚焦透镜。所有聚焦透镜的焦点均处于同一位置，而混光器入射口也处于该位置。每个光源发出的单色光都由其配有的聚焦透镜汇聚到处于焦点处的混光器入射口，由混光器将不同单色光混合，最后合成光通过配光透镜组完成光强分配后出射，如图7所示。
光源的峰值波长在280−900 nm范围内均匀分布，可见光谱和红外光谱部分使用量子点LED光源，紫外光谱部分使用紫外LED封装器件，这里以25 nm为间隔设定峰值波长，因此至少包含峰值波长为380、405、430、455、480、505、530、555、580、605、630、655、680、705、730、755、780、805、830、855、880 nm的量子点LED光源各一个及峰值波长为280、305、330、355 nm的紫外LED封装器件各一个。
调光***等控制及驱动器件可安装于由量子点LED光源围成的圆环形区域中央，如图8所示。
此例中所述的圆环形排列光源在安装时，光源出光面的法线经过聚焦透镜的焦点。不同位置的光源安装于以聚焦透镜焦点为圆心的球面上，其出光面面向聚焦透镜焦点，如图9所示，因此所有的聚焦透镜完全相同，只需要对一个聚焦透镜进行光学设计即可应用到全部，使得不同位置的光源出射光都聚焦到混光器入射口的位置。
本实施例具体为一种太阳光模拟器，因此配光透镜组设计为将入射光转换为平行光后出射，如图6所示。
Claims (10)
1.一种基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，包含光源模组、调光***、聚焦透镜、混光器和配光透镜组，利用量子点LED光源峰值波长可控制、半值全宽度可调制的特点，采用多个单色光量子点LED光源来混合得到高拟合度的模拟太阳光谱或黑体辐射光谱；其中：
所述光源模组包含K个具有不同峰值波长的单色光量子点LED光源或紫外LED光源，通过聚焦透镜将单色光汇聚于处于聚焦透镜公共焦点处的混光器，再由所述混光器将单色光混合为波长在200−1200 nm范围内的模拟太阳光或模拟黑体辐射光，最后通过配光透镜组后出射；K≥10；
所述单色光量子点LED光源的峰值波长在380−1200 nm范围内，所述紫外LED光源的峰值波长在200−380 nm。
2.根据权利要求1所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述光源模组中的光源是量子点LED封装器件组，或者是紫外LED激发光源+量子点荧光板，或者是紫外LED封装器件。
3.根据权利要求2所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述量子点LED封装器件包含热沉、紫外LED芯片、量子点荧光粉层、透镜和封装材料。
4.根据权利要求2所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述紫外LED激发光源和量子点荧光板，其每一个量子点荧光板上涂有具有不同发射波长的量子点荧光粉，所述量子点荧光粉由相应紫外LED激发光源激发并发出各种单色光。
5.根据权利要求2所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述紫外LED封装器件，其封装材料是无机材料，或硅树脂。
6.根据权利要求1所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述光源模组中每一个光源都配有一个聚焦透镜，所述聚焦透镜的焦点都处于所述混光器的入射口位置，各个光源发出的单色光经各自配有的聚焦透镜聚焦后，汇聚到所述混光器入射口并由混光器将这些单色光混合。
7.根据权利要求1所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述配光透镜组根据具体应用需求进行光学设计以获得所需光强分布。
8.根据权利要求7所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述的配光透镜组将混光器出射的光转换成平行光，以满足太阳光模拟器的应用要求。
9.根据权利要求1所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述调光***采用直流DC调光、脉冲宽度调制PWM调光或者液晶调光玻璃控制每一个光源的辐射通量；其中：
所述的直流DC调光，通过改变电流大小控制每一个光源的辐射通量；
所述的脉冲宽度调制(PWM)调光，通过改变脉冲占空比控制每一个光源的辐射通量；
所述的液晶调光玻璃，夹在光源和与其配有的聚焦透镜之间，由控制电极改变液晶玻璃单元两端的电压来调节液晶玻璃单元的透过率，从而控制每一个光源的辐射通量。
10.根据权利要求1所述的基于量子点LED的太阳光谱及黑体辐射光谱模拟***，其特征在于，所述调光***中预置有多套不同太阳光谱或不同色温的黑体辐射光谱的调光数据，根据需求快速调光，驱动光源模组合成所需光谱；其中：
所述的不同太阳光谱或不同色温的黑体辐射光谱的调光数据，由理论计算来模拟和修正所得，其作为调光目标的不同太阳光谱为实地测量的结果，不同色温的黑体辐射光谱为普朗克公式的计算结果。
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