本實(shí)用新型屬于模擬光源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于量子點(diǎn)LED的太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

量子點(diǎn)屬于熒光納米材料，由鋅、硒、鎘、硫等元素化合成的半導(dǎo)體材料制成，其直徑為2?10 nm。量子點(diǎn)的量子限域效應(yīng)非常明顯，它能將半導(dǎo)體中的載流子限定于一個(gè)非常微小的空間內(nèi)，一旦受到光照或電刺激，載流子就會(huì)被激發(fā)并躍遷到更高的能級。當(dāng)這些載流子重新回到原來較低的能級時(shí)，就會(huì)發(fā)出固定波長的可見光。相比于傳統(tǒng)的熒光材料，量子點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)在于：發(fā)光波長可通過量子點(diǎn)的尺寸來調(diào)控，量子點(diǎn)直徑越小，激發(fā)后的光波長越小，改變量子點(diǎn)材料的化學(xué)組成和顆粒的直徑可以使其熒光發(fā)射波長覆蓋整個(gè)可見光譜及部分紅外光譜；具有良好的線性光學(xué)性質(zhì)，性能穩(wěn)定，可以經(jīng)受反復(fù)多次激發(fā)，具有較高的發(fā)光效率；不需要混合多種熒光粉，封裝簡單，成本較低；量子點(diǎn)本身尺寸小于可見光波長，光散射及其他光損失現(xiàn)象較少。

目前，基于量子點(diǎn)的光源大多使用紫外LED來激發(fā)不同尺寸的量子點(diǎn)熒光材料使其發(fā)射多種單色光從而混合得到的白光光譜。由于量子點(diǎn)的發(fā)射光譜理論上可覆蓋整個(gè)可見光譜和部分紅外光譜，并且其半寬可以通過連續(xù)改變量子點(diǎn)的尺寸來調(diào)制，因此，在合理選取量子點(diǎn)材料和尺寸的情況下，基于量子點(diǎn)LED的光源可以獲得非常連續(xù)的合成光譜，是用于合成太陽光譜或黑體輻射光譜的理想光源。

現(xiàn)有的太陽光譜或黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)有兩類，一類是使用氙燈、金鹵燈等光源，配合一些特定的濾光片，使得最終輸出的光譜和目標(biāo)光譜接近。另一類是使用不同顏色的LED組合光源，通過逐個(gè)調(diào)節(jié)單色LED的光譜使之互相補(bǔ)償，同時(shí)借助一些特定濾光片，從而匹配目標(biāo)光譜。專利CN200910200631提出了一種類太陽光譜LED的調(diào)光方法，采用集成封裝有多顆涵蓋可見光范圍的不同顏色的LED芯片作為光源，通過理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)來擬定和修正模擬不同色溫太陽光所需的多個(gè)單色LED輻射通量比例，從而匹配目標(biāo)光譜來模擬各種照明場景。專利CN201210483543提出了一種基于人造光源的天空光光譜模擬方法，選取金屬鹵化物光源作為400?2500 nm范圍內(nèi)天空光光譜的主要模擬光源，并使用大功率LED作為400?600 nm范圍內(nèi)的光譜補(bǔ)償光源，選擇相應(yīng)的濾光片對600?2500 nm范圍內(nèi)的金屬鹵化物光源光譜進(jìn)行修正，以較低的成本實(shí)現(xiàn)了400?2500 nm范圍內(nèi)的全光譜天空光模擬。

使用上述方法獲得的模擬光譜很難以較高的相關(guān)系數(shù)吻合真實(shí)的太陽光譜或黑體輻射光譜，事實(shí)上其偏差總是較大。而量子點(diǎn)LED光源得益于多光譜窄帶發(fā)射的優(yōu)勢，特別是其光譜易調(diào)可控、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，成為了未來新型太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)的理想光源。目前，對于量子點(diǎn)LED的研究大部分尚處于實(shí)驗(yàn)室階段，但是量子點(diǎn)材料已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)出良好的性能，而其理論光效與磷光OLED相當(dāng)(100 lm/W)，無論是用于一般照明還是特殊光源的模擬都具有很大的潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種基于量子點(diǎn)LED的太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)，

本實(shí)用新型提供的基于量子點(diǎn)LED的太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)，包含光源模組、調(diào)光系統(tǒng)、聚焦透鏡、混光器和配光透鏡組；其中，所述光源模組包含 K(K≥10)個(gè)具有不同峰值波長的單色光量子點(diǎn)LED光源或紫外LED光源，通過聚焦透鏡將單色光匯聚于處于聚焦透鏡公共焦點(diǎn)處的混光器，再由所述混光器將單色光混合為波長在200?1200 nm范圍內(nèi)的模擬太陽光或模擬黑體輻射光，最后通過配光透鏡組后出射；由于量子點(diǎn)LED光源具有峰值波長可控和半值全寬度可調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，采用多個(gè)單色光量子點(diǎn)LED光源合成后的光譜相對于真實(shí)太陽光譜或黑體輻射光譜的擬合度極高。

所述光源模組中，各個(gè)單色光量子點(diǎn)LED光源的峰值波長在380?1200 nm范圍內(nèi)，根據(jù)目標(biāo)光譜的波長范圍在所述380?1200 nm范圍內(nèi)確定一個(gè)取值區(qū)間，使各個(gè)量子點(diǎn)LED光源的峰值波長分布在所述取值區(qū)間。

所述目標(biāo)光譜的波長范圍部分包含200?380 nm時(shí)，可以采用若干個(gè)峰值波長在200?380 nm范圍內(nèi)的紫外LED光源，目的是補(bǔ)償量子點(diǎn)LED光源在紫外波段的缺失。

所述光源模組中的光源可以是量子點(diǎn)LED封裝器件組，紫外LED激發(fā)光源+量子點(diǎn)熒光板，或紫外LED封裝器件。

所述光源為量子點(diǎn)LED封裝器件時(shí)，包含熱沉、紫外LED芯片、量子點(diǎn)熒光粉層、透鏡和封裝材料等。

所述光源為紫外LED激發(fā)光源+量子點(diǎn)熒光板時(shí)，每一個(gè)量子點(diǎn)熒光板上涂有具有不同發(fā)射波長的量子點(diǎn)熒光粉，所述量子點(diǎn)熒光粉由相應(yīng)紫外LED激發(fā)光源激發(fā)并發(fā)出各種單色光。

所述光源為紫外LED封裝器件時(shí)，其峰值波長處于200?380 nm范圍內(nèi)，封裝材料可以是無機(jī)材料(SiO₂)，也可以是硅樹脂。

所述光源模組中每一個(gè)光源都配有一個(gè)聚焦透鏡，所述聚焦透鏡的焦點(diǎn)都處于所述混光器的入射口位置，各個(gè)光源發(fā)出的單色光經(jīng)各自配有的聚焦透鏡聚焦后，匯聚到所述混光器入射口并由混光器將這些單色光混合成接近目標(biāo)光譜的合成光。

所述配光透鏡組根據(jù)具體應(yīng)用需求進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)以獲得所需光強(qiáng)分布。

所述基于量子點(diǎn)LED的太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)的應(yīng)用需求具體為太陽模擬器時(shí)，所述配光透鏡組設(shè)計(jì)為將入射光轉(zhuǎn)換為平行光后出射。

所述調(diào)光系統(tǒng)采用直流(DC)調(diào)光、脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光或者液晶調(diào)光玻璃控制每一個(gè)光源的輻射通量。

所述調(diào)光系統(tǒng)采用直流(DC)調(diào)光時(shí)，通過改變電流大小控制每一個(gè)光源的輻射通量。

所述調(diào)光系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)調(diào)光時(shí)，通過改變脈沖占空比控制每一個(gè)光源的輻射通量。

所述調(diào)光系統(tǒng)采用液晶調(diào)光玻璃時(shí)，每一個(gè)光源和與其配有的聚焦透鏡之間夾入一個(gè)液晶玻璃單元，由控制電極改變液晶玻璃單元兩端的電壓來調(diào)節(jié)液晶玻璃單元的透過率，從而控制每一個(gè)光源的輻射通量。

所述調(diào)光系統(tǒng)中預(yù)置了多套不同太陽光譜或不同色溫的黑體輻射光譜的調(diào)光數(shù)據(jù)，可根據(jù)需求快速調(diào)光，驅(qū)動(dòng)光源模組合成所需光譜。

所述不同太陽光譜或不同色溫的黑體輻射光譜的調(diào)光數(shù)據(jù)由理論計(jì)算來模擬和修正所得，其作為調(diào)光目標(biāo)的不同太陽光譜譜為實(shí)地測量的結(jié)果，不同色溫的黑體輻射光譜為普朗克公式的計(jì)算結(jié)果。

與現(xiàn)有的太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)勢：

本實(shí)用新型的基于量子點(diǎn)LED的太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)，由于量子點(diǎn)LED光源峰值波長可控制和半值全寬度可調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，合成后的光譜相對于真實(shí)太陽光譜或黑體輻射光譜的擬合度極高。

本實(shí)用新型的基于量子點(diǎn)LED的太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)，使用量子點(diǎn)LED作為光源，其原理是使用紫外LED激發(fā)量子點(diǎn)熒光粉發(fā)光，避免了傳統(tǒng)熒光粉的色漂和光衰不一致等問題，保證了光譜模擬系統(tǒng)的顏色穩(wěn)定性。

本實(shí)用新型的基于量子點(diǎn)LED的太陽光譜及黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)，在合成目標(biāo)光譜的可見光部分時(shí)，單色量子點(diǎn)LED光源的峰值波長分布于380?780 nm范圍內(nèi)，通過合理調(diào)節(jié)各個(gè)量子點(diǎn)LED光源的輻射通量，可以使得合成光的顯色指數(shù)R1?R15全部大于96。在理想實(shí)施情況下合成光與目標(biāo)光譜在400?730 nm內(nèi)的相關(guān)系數(shù)r大于0.99，色溫偏差ΔCCT小于100 K，一般顯色指數(shù)Ra大于98，特殊顯色指數(shù)R1?R15均大于96，色容差SDCM小于1。遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前現(xiàn)有的太陽光譜或黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的系統(tǒng)三維效果圖。

圖2為實(shí)施例1的系統(tǒng)剖面圖。

圖3為實(shí)施例2的系統(tǒng)三維效果圖。

圖4為實(shí)施例2的系統(tǒng)剖面圖。

圖5為實(shí)施例3的系統(tǒng)三維效果圖。

圖6為實(shí)施例3的系統(tǒng)剖面圖。

圖7為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED光源的相對光譜分布圖。

圖8為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與2700 K黑體線對比圖。

圖9為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與3000 K黑體線對比圖。

圖10為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與3500 K黑體線對比圖。

圖11為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與4000 K黑體線對比圖。

圖12為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與4500 K黑體線對比圖。

圖13為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與5000 K黑體線對比圖。

圖14為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與5500 K黑體線對比圖。

圖15為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與6000 K黑體線對比圖。

圖16為實(shí)施例1中量子點(diǎn)LED合成光譜與6500 K黑體線對比圖。

具體實(shí)施方式

以下所描述的實(shí)施例僅為本實(shí)用新型的部分實(shí)施例?；诒緦?shí)用新型中的實(shí)施例而未作出創(chuàng)造性成果的其他所有實(shí)施例，都屬于本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。

實(shí)施例1：紫外LED激勵(lì)光源+量子點(diǎn)熒光板+不對焦+光束角120°(黑體輻射模擬光源)。

實(shí)施例2：量子點(diǎn)LED封裝器件+不對焦+平行光(太陽光模擬器)。

實(shí)施例3：紫外LED激勵(lì)光源+量子點(diǎn)熒光板+對焦+平行光(太陽光模擬器)。

實(shí)施例1：

實(shí)施例1是一種光源為紫外LED激發(fā)光源+量子點(diǎn)熒光板的黑體輻射模擬光源，包含光源模組、調(diào)光系統(tǒng)、聚焦透鏡、混光器和配光透鏡組。光源模組包含25個(gè)具有不同峰值波長的單色光量子點(diǎn)LED光源，其排列方式為5×5矩陣型排列。由調(diào)光系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)光源發(fā)光，每一個(gè)光源配有一個(gè)聚焦透鏡。所有聚焦透鏡的焦點(diǎn)均處于同一位置，而混光器入射口也處于該位置。每個(gè)光源發(fā)出的單色光都由其配有的聚焦透鏡匯聚到處于焦點(diǎn)處的混光器入射口，由混光器將不同單色光混合，最后合成光通過配光透鏡組完成光強(qiáng)分配后出射，如圖1所示。

光源的峰值波長在380?780 nm范圍內(nèi)均勻分布，這里以20 nm為間隔設(shè)定峰值波長，因此至少包含峰值波長為380、400、420、440、460、480、500、520、540、560、580、600、620、640、660、680、700、720、740、760、780 nm的量子點(diǎn)LED光源各一個(gè)。

調(diào)光系統(tǒng)等控制及驅(qū)動(dòng)器件可安裝于量子點(diǎn)LED光源矩陣的下方，如圖2所示。

此例中所述的5×5矩陣型排列光源在安裝時(shí)，光源出光面的法線不經(jīng)過聚焦透鏡的焦點(diǎn)。不同位置的光源并排安裝，其出光面方向相同，如圖2所示，因此每一個(gè)光源所配有的聚焦透鏡需要進(jìn)行單獨(dú)的光學(xué)設(shè)計(jì)，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。

本實(shí)施例具體為一種黑體輻射模擬光源，其配光透鏡組設(shè)計(jì)為將入射光轉(zhuǎn)換為光束角為120°的出射光，如圖2所示。

由此實(shí)施方法獲得的一種基于量子點(diǎn)LED的太陽光譜和黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)，通過調(diào)光系統(tǒng)調(diào)節(jié)各個(gè)量子點(diǎn)LED光源的輻射通量，可以非常理想地模擬太陽光譜或黑體輻射光譜。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量的不同峰值波長量子點(diǎn)LED的相對光譜分布，以一定的輻射通量比例將這些單色光量子點(diǎn)LED光源的光譜進(jìn)行合成，得到了2700 K、3000 K、3500 K、4000 K、4500 K、5000 K、5500 K、6000 K、6500 K的黑體輻射光譜模擬結(jié)果，如圖11?19所示。其模擬效果如表1所示：

表1 量子點(diǎn)LED合成光譜與黑體輻射光譜比較

需要說明的是，相關(guān)系數(shù)r只計(jì)算400?730 nm范圍內(nèi)。若需要在更大范圍內(nèi)獲得理想的相關(guān)系數(shù)，則需要增大量子點(diǎn)LED光源峰值波長的取值范圍。

本實(shí)施例的合成光譜與各個(gè)目標(biāo)光譜在400?730 nm內(nèi)的相關(guān)系數(shù)r大于0.99，色溫偏差ΔCCT小于60 K，顯色指數(shù)Ra大于98，第九種特殊顯色指數(shù)R9大于96，R1?R15全部大于96，SDCM小于1，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于目前現(xiàn)有的太陽光譜或黑體輻射光譜模擬系統(tǒng)。

實(shí)施例2：

實(shí)施例2是一種光源為量子點(diǎn)LED封裝器件的太陽光模擬器，包含光源模組、調(diào)光系統(tǒng)、聚焦透鏡、混光器和配光透鏡組。光源模組包含25個(gè)具有不同峰值波長的單色光量子點(diǎn)LED光源，其排列方式為5×5矩陣型排列。由調(diào)光系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)光源發(fā)光，每一個(gè)光源配有一個(gè)聚焦透鏡。所有聚焦透鏡的焦點(diǎn)均處于同一位置，而混光器入射口也處于該位置。每個(gè)光源發(fā)出的單色光都由其配有的聚焦透鏡匯聚到處于焦點(diǎn)處的混光器入射口，由混光器將不同單色光混合，最后合成光通過配光透鏡組完成光強(qiáng)分配后出射，如圖4所示。

光源的峰值波長在380?780 nm范圍內(nèi)均勻分布，這里以25 nm為間隔設(shè)定峰值波長，因此至少包含峰值波長為380、405、430、455、480、505、530、555、580、605、630、655、680、705、730、755、780 nm的量子點(diǎn)LED光源各一個(gè)。

調(diào)光系統(tǒng)等控制及驅(qū)動(dòng)器件可安裝于量子點(diǎn)LED光源矩陣的下方，此處不再附圖說明。

此例中所述的5×5矩陣型排列光源在安裝時(shí)，光源出光面的法線不經(jīng)過聚焦透鏡的焦點(diǎn)。不同位置的光源并排安裝，其出光面方向相同，如圖2所示，因此每一個(gè)光源所配有的聚焦透鏡需要進(jìn)行單獨(dú)的光學(xué)設(shè)計(jì)，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。

本實(shí)施例具體為一種太陽光模擬器，因此配光透鏡組設(shè)計(jì)為將入射光轉(zhuǎn)換為平行光后出射，如圖4所示。

實(shí)施例3：

實(shí)施例3是一種光源為紫外LED激發(fā)光源+量子點(diǎn)熒光板和紫外LED封裝器件的太陽光模擬器，包含光源模組、調(diào)光系統(tǒng)、聚焦透鏡、混光器和配光透鏡組。光源模組包含25個(gè)具有不同峰值波長的單色光量子點(diǎn)LED光源(紫外LED模塊+量子點(diǎn)熒光模塊)，其排列方式為圓環(huán)型排列，25個(gè)量子點(diǎn)LED光源均勻地沿一個(gè)圓環(huán)分布。由調(diào)光系統(tǒng)分別驅(qū)動(dòng)各個(gè)光源發(fā)光，每一個(gè)光源配有一個(gè)聚焦透鏡。所有聚焦透鏡的焦點(diǎn)均處于同一位置，而混光器入射口也處于該位置。每個(gè)光源發(fā)出的單色光都由其配有的聚焦透鏡匯聚到處于焦點(diǎn)處的混光器入射口，由混光器將不同單色光混合，最后合成光通過配光透鏡組完成光強(qiáng)分配后出射，如圖7所示。

光源的峰值波長在280?900 nm范圍內(nèi)均勻分布，可見光譜和紅外光譜部分使用量子點(diǎn)LED光源，紫外光譜部分使用紫外LED封裝器件，這里以25 nm為間隔設(shè)定峰值波長，因此至少包含峰值波長為380、405、430、455、480、505、530、555、580、605、630、655、680、705、730、755、780、805、830、855、880 nm的量子點(diǎn)LED光源各一個(gè)及峰值波長為280、305、330、355 nm的紫外LED封裝器件各一個(gè)。

調(diào)光系統(tǒng)等控制及驅(qū)動(dòng)器件可安裝于由量子點(diǎn)LED光源圍成的圓環(huán)形區(qū)域中央，如圖8所示。

此例中所述的圓環(huán)形排列光源在安裝時(shí)，光源出光面的法線經(jīng)過聚焦透鏡的焦點(diǎn)。不同位置的光源安裝于以聚焦透鏡焦點(diǎn)為圓心的球面上，其出光面面向聚焦透鏡焦點(diǎn)，如圖9所示，因此所有的聚焦透鏡完全相同，只需要對一個(gè)聚焦透鏡進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)即可應(yīng)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。

本實(shí)施例具體為一種太陽光模擬器，因此配光透鏡組設(shè)計(jì)為將入射光轉(zhuǎn)換為平行光后出射，如圖6所示。