基于发光二极管的普朗克常量的测量

采用电流表外接法测量发光二极管的伏安特性,确定正向阈值电压;使用多通道光谱仪测量LED的光谱特性,确定与阈值电压对应的LED辐射光的峰值波长,从而计算出普朗克常量.发蓝光、红光及绿光LED测量结果表明h的理论值处于测量值的置信区间内.     

LED结温与光谱特性关系的测量

采用恒定驱动电流改变环境温度和恒定环境温度改变驱动电流两种方法分别对直径5 mm封装的AlGaInP型红光和黄光LED,InGaN型绿光和蓝光LED,以及InGaN蓝光+荧光粉的白光LED的结温与其光谱特性进行了测量,得到了不同条件下LED结温与光谱特性的关系.结果表明;AlGaInP LED的峰值波长与结温有良好线性关系,InGaN LED的峰值波长则与结温没有明显对应关系;但白光LED发射光谱的白、蓝功率比与结温有良好线性关系;对AlGaInP LED及蓝光激发的白光LED,通过光谱特性测量可快速、准确地确定光源系统中各LED的结温继而预测光源系统的有效寿命.     

LED结温与光谱特性关系的测量

采用恒定驱动电流改变环境温度和恒定环境温度改变驱动电流两种方法分别对直径5 mm封装的AlGaInP型红光和黄光LED,InGaN型绿光和蓝光LED,以及InGaN蓝光+荧光粉的白光LED的结温与其光谱特性进行了测量,得到了不同条件下LED结温与光谱特性的关系.结果表明;AlGaInP LED的峰值波长与结温有良好线性关系,InGaN LED的峰值波长则与结温没有明显对应关系;但白光LED发射光谱的白、蓝功率比与结温有良好线性关系;对AlGaInP LED及蓝光激发的白光LED,通过光谱特性测量可快速、准确地确定光源系统中各LED的结温继而预测光源系统的有效寿命.     

农用红蓝转光液的性能

CaS:Cu⁺,Eu²⁺荧光粉添加到高分子溶液中配成转光液,喷涂后自然条件下干燥成膜,测试了薄膜的荧光光谱、透光率、荧光抗衰减性能。结果表明,转光液所成薄膜荧光光谱与其添加的荧光粉光谱一致.具有吸收紫外光发射432nm蓝光和648nm红光,吸收绿光发射648nm红光的作用,转光行为有利于植物光合作用。薄膜可见光区透光率在75%以上,荧光抗衰减性能好。     

拉曼高光谱成像系统中光在奶粉层的穿透深度研究

拉曼高光谱成像技术不仅可以获取样本的空间分布信息,图像上每个像素点还包括了完整的光谱信息,因其信息量丰富的特点已在食品安全检测方面得到了应用。本研究探索拉曼高光谱成像系统中光在奶粉层中的穿透深度,以及采集参数和奶粉类型对穿透深度的影响。实验选取均匀奶粉层样品放置于厚度为5 mm的三聚氰胺样本之上,检测奶粉层厚度为0.8～4.0 mm时的三聚氰胺特征峰强度,以此评估光在奶粉层中的穿透性和信号衰减情况。结果显示当奶粉层厚度一定时,随着激光功率变大,拉曼特征峰值随之增加,此外更长的曝光时间也可以使拉曼信号得到增强。在激光功率不小于2 W且曝光时间不小于500 ms时,光在全脂奶粉层的穿透深度可达4 mm。奶粉层厚度在0.8～4.0 mm范围内,穿透奶粉层的拉曼信号随着奶粉层厚度增加呈指数式衰减。在激光功率为8 W、曝光时间为1 000 ms的条件下,光在全脂、低脂和脱脂奶粉层的穿透深度均达到了4 mm。在相同测量厚度下,通过脱脂奶粉层接收的拉曼信号弱于通过全脂和低脂奶粉层接收的拉曼信号强度。研究结果为拉曼高光谱检测中奶粉样品的前处理提供了有益参考。     

转光农膜的光谱特性研究

通过太阳光谱以及菊花、番茄作用光谱的测试分析 ,讨论了植物生长与太阳光谱的关系 ,表明太阳光谱中 2 80～ 380nm的紫外光 ,5 0 0～ 6 0 0nm的绿黄光及 72 0nm以上近红外光植物利用率较低 ,4 30～ 4 80nm的蓝紫光和 6 30～ 6 90nm的红光有利于增强光合作用。依据植物光合作用和太阳光谱特征 ,设计出CaS∶Cu ,Cl-蓝光膜 ,利用CaS∶Eu2 ,Mn2 ,Cl-,设计出绿光转红光的红光膜。讨论了红蓝复合双峰增益膜及紫外光转红光的稀土有机配合物的光谱特性。农用光能转换剂研制面临新的突破 ,利用反Stocks位移技术研制开发近红外光转红光膜值得关注     

消除个体条件测量差异的动态光谱及其频域提取法的研究

在近红外光谱的皮肤无创检测中,个体差异是一个相当大的技术难题。在血液成分无创检测中,个体差异包括毛发、角质层、表皮、真皮、皮下组织、肌肉、骨骼等。研究表明,个体差异随着个体不同而不同,是阻碍血液成分无创检测技术实用化的重要因素。文章提出了基于光电容积脉搏波的产生机理和傅里叶变换的检测血液成分浓度的新方法——频域提取法,这种方法可以消除测量中由于皮肤组织和肌肉组织产生的差异;提出了动态光谱的概念,从理论和实验两个方面说明了这种方法的优点,并通过实验直接提取了各波长中仅由血液成分产生的吸光度光谱图,对于近红外光谱无创检测血液成分的实际应用有着重要意义。     

深度分辨漫反射测量光纤探头设计及特性

漫反射光谱人体成分检测研究中,光纤探头接收漫反射光子穿透深度及传输路径对检测效率及灵敏度影响较大,而传统的检测光纤探头无法实现对特定深度漫反射光子选择性接收。针对人体成分检测需要,提出了采用一定入射-接收角度及半球透镜耦合的漫反射测量光纤探头结构。在三层皮肤模型基础上,结合光纤探头形式改进Monte Carlo程序,计算光纤探头接收漫反射光子穿透深度,有效光子比例,有效信息载荷以及真皮层检测灵敏度。结果表明,设计的光纤探头可实现真皮层漫反射光子选择性接收,检测效率以及测量光谱受非目标层组织结构及光学参数影响较小,可有效提高人体成分无创检测灵敏度。     

离体正常乳腺组织350～850 nm波段光谱特性

采用带有积分球附件的紫外/可见/近红外分光光度计测量了离体正常乳腺组织在350～850 nm光谱范围的反射率和透射率,运用反向倍加法得到了离体正常乳腺组织在相应光谱范围的光学参数,分析了正常乳腺组织的光学穿透深度随波长的变化情况。实验结果表明：350～850 nm波段正常乳腺组织的约化散射系数μ′_s大于吸收系数μ_a。μ′_s随着波长的增加而减小,即从350 nm波长值为9.731 mm-1～850 nm波长值为1.476 mm-1。μ_a从350 nm波长值为0.798 mm-1～850 nm波长值为0.102 mm-1,410 nm波长处存在一个吸收峰,其值为0.506 mm-1。光学穿透深度随着波长的增加而增大,从350 nm波长值为0.199 mm-1～850 nm波长值为1.439 mm。基于反向倍加法计算获得乳腺组织的光学参数,采用Monte Carlo模拟得到其相应光谱范围的反射率和透射率,并与实际测量值进行比较,二者的一致性较好。实验结果为乳腺组织的光活检及其光学治疗提供重要参考。     

接触压力作用下皮肤形变对于漫反射光谱测量影响研究

人体成分无创光谱检测过程中,测量条件特别是探头压力造成的组织形变在一定程度上影响光谱测量结果。利用物理模型与仿真方法,定量分析了探头接触压力作用下皮肤组织应变,及光学参数与漫反射光谱变化。首先,在多层皮肤组织物理复合模型基础上,结合生物组织固液两相组成特性,定量分析了压力作用下各层皮肤组织形变大小以及成分变化。该模型将皮肤力学模型简化为固态弹性结构及包含于其中的牛顿流体,利用有限元方法,分别模拟不同压力作用下多层皮肤组织应变大小及时间特性,并根据各层组织体积及水含量变化,定量计算其散射系数及吸收系数改变。然后,利用Monte Carlo方法模拟压力作用前后光在组织中传输过程,定量分析了探头压力对漫反射光谱中所包含人体成分检测有效信息的影响。实验结果表明,在光纤探头接触压力作用下,人体皮肤组织中真皮层厚度变小,自由水体积减小,引起散射特性及光子传输路径改变,使得漫反射光谱中所包含的有效光谱信息下降。该研究结果为优化人体漫反射光谱测量策略,提高测量准确性以及重复性提供了参考。     

Noninvasive determination of spectral depth of light penetration into skin

A noninvasive method for determining the spectral depth of light penetration into the skin has been developed. It is based on measuring fluxes of radiation reflected from the skin in N _Λ ≥ 3 narrow or wide spectral parts and spectral analysis thereof using the regression approach to solving ill-posed inverse problems. The possibility of estimating the spectral depth of light penetration into skin by skin images in three wide spectral parts (red, green, and blue) is demonstrated. Errors of the method are estimated under conditions of general variability of structural-morphological skin parameters, and its resistance to errors of optical measurements is analyzed.     

Absorption spectra and light penetration depth of normal and pathologically altered human skin

A three-layered skin model (stratum corneum, epidermis, and dermis) and engineering formulas for radiative transfer theory are used to study absorption spectra and light penetration depths of normal and pathologically altered skin. The formulas include small-angle and asymptotic approximations and a layer-addition method. These characteristics are calculated for wavelengths used for low-intensity laser therapy. We examined several pathologies such as vitiligo, edema, erythematosus lupus, and subcutaneous wound, for which the bulk concentrations of melanin and blood vessels or tissue structure (for subcutaneous wound) change compared with normal skin. The penetration depth spectrum is very similar to the inverted blood absorption spectrum. In other words, the depth is minimal at blood absorption maxima. The calculated absorption spectra enable the power and irradiation wavelength providing the required light effect to be selected. Relationships between the penetration depth and the diffuse reflectance coefficient of skin (unambiguously expressed through the absorption coefficient) are analyzed at different wavelengths. This makes it possible to find relationships between the light fields inside and outside the tissue. __________ Translated from Zhurnal Prikladnoi Spektroskopii Vol. 74, No. 3, pp. 387–394, May–June, 2007.     

Estimate of the Contribution of Localized Light Absorption by Blood Vessels to the Optical Properties of Biological tissue

A simple analytical procedure of considering localized light absorption by blood vessels and its effect on the absorption characteristics of multicomponent biological tissue is proposed. The final results are presented in the form of a single integral of elementary functions. A comparison of the estimates obtained with data in the literature shows their good agreement. The limiting cases of random and ordered arrangement of vessels are considered. It was shown that, in the blue spectral range, the absorption coefficient of biological tissues can reach saturation when it ceases to be dependent on the optical characteristics of blood and is determined only by the diameter of vessels and their volume concentration. The depth of light penetration into tissue and the reflection coefficient of tissue are estimated for both a localized and a homogeneously distributed absorber. Possible biomedical applications of the results obtained are illustrated.     

植物照明用荧光粉转换白光二极管的研究

LED具有效率高、体积小、功耗低、寿命长等优点,并且因其具有可轻易实现宽幅光谱调控的特性,在植物照明领域崭露头角。植物照明用LED分为两大类,一类是单色光LED,另一类是白光LED,其中植物照明用白光LED可与单色LED混合或者单独使用从而实现植物补光照明。植物封装用白光LED大部分采用蓝光LED芯片或紫外LED芯片和荧光粉组合实现,即荧光粉转换型白光LED,但是光谱集中于可见光偏蓝,对植物进行光合作用的效率不明显。植物对于光的吸收不是全波段的而是有选择性的,基于植物光合作用吸收光谱的特殊性,将白光LED光谱的显色性能作为评判其光谱是否适合植物生长所需的光质的标准,其平均显色指数Ra,特殊显色指数R9(饱和红光),R12(饱和蓝光)被考虑选择为植物照明用白光LED的主要性能评价参数。为设计出植物进行生长发育所需要的、性能良好的能应用于植物照明领域的白光LED,选用常见商用YAGG为绿色颜色转换材料,选用(Sr, Ca)AlSiN₃为红色颜色转换材料,并用传统高温固相法制备了系列光谱可调的(Sr, Ca)AlSiN₃荧光粉,并进行了光谱性能分析。通过将搭建好的LED结构模型导入光学仿真软件并分别引入绿色荧光粉颗粒、红色荧光粉颗粒以及蓝光芯片的特性参数,在Lighttools中分别建立了单蓝光LED芯片(450 nm)和双蓝光LED芯片(450+470 nm)激发(Sr, Ca)AlSiN₃和YAGG荧光粉组合,实现了白光LED的光学仿真模型,研究了两种激发模式下仿真得到的不同色温白光LED的光谱功率分布及其显色性能。用蓝光LED芯片、(Sr, Ca)AlSiN₃以及YAGG荧光粉组合进行了单芯片和双芯片显色性能差异的封装验证。通过将Sr_0.8Ca_0.12AlSiN₃∶0.08Eu2+和YAGG荧光粉的混合物点涂在双蓝光LED芯片上进行了白光LED的封装制备,获得了Ra=91.2,R9=96.1,R12=78.9,光谱辐射光效LER=126 lm·W-1的高效高显色白光LED其含有植物生长所需要的蓝光和红光。     

Depth distributions of light action spectra for skin chromophores

Light action spectra over wavelengths of 300–1000 nm are calculated for components of the human cutaneous covering: melanin, basal (bloodless) tissue, and blood oxy- and deoxyhemoglobin. The transformation of the spectra with depth in biological tissue results from two factors. The first is the wavelength dependence of the absorption coefficient corresponding to a particular skin chromophore and the second is the spectral selectivity of the radiation flux in biological tissue. This factor is related to the optical properties of all chromophores. A significant change is found to take place in the spectral distribution of absorbed radiant power with increasing depth. The action spectrum of light for the molecular oxygen contained in all components of biological tissue is also studied in the 625–645 nm range. The spectra are found to change with both the volume fraction of blood vessels and the degree of oxygenation of the blood. These results are useful for analyzing processes associated with optical absorption that are possible mechanisms for the interaction of light with biological tissues: photodissociation of oxyhemoglobin and the light-oxygen effect.     

基于比较测量法的LCTF光谱相机光谱反射率重建研究

基于液晶调谐滤光片(LCTF)的光谱相机由于体积小、功耗低、集成方便,适合多种搭载平台,同时通过光谱反射率来识别目标物,可以有效解决同色异谱的问题,在伪装识别、精细农产品产值估计等方面有很好的应用前景。比较测量法因其能有效排除光照条件和场景背景条件的影响,重建效率较高,在光谱相机的光谱反射率重建中被普遍采用。比较测量法通常采用标准白板作为参考物,但实际应用中,经常会遇到目标场景空间位置不便放置标准白板的情况。针对这种情况,研究采用LCTF光谱相机采集的目标场景中亮度高的颜色作为参考的比较测量法进行目标物的光谱反射率重建来解决上述问题。实验以美国X-Rite的Gretg Macbeth Color Checker(MCC)色卡作为目标物,分别参考亮度高的五个不同色块,运用比较测量法完成红、绿、蓝三个色块的光谱反射率重建。将重建后三个色块的光谱反射率与采用台式分光光度计(X-Rite Color Eye7000A)测量的标准光谱反射比进行比较。结果显示,重建后的红、绿、蓝三个色块的光谱反射率曲线与用分光光度计测量的标准光谱反射率曲线的形状基本相似,每组曲线的均方根误差均小于0.05;重建的蓝色色块的光谱反射率以参考与其光谱反射比接近的蓝绿色重建的效果最好;重建的红色和绿色色块的光谱反射率以除白色外亮度最高的黄色为参考重建的效果最好;二者均比参考标准白板的反射率重建效果好。实验结果说明采用目标场景中亮度高目视效果明显的色块作为参考对象可被用来进行LCTF光谱相机的光谱反射率重建。该方法有效扩大了比较测量法以及液晶调谐光谱成像系统的应用效率。     

Control of the cool/warm white light generation from lanthanide ions in monoclinic double tungstate crystals

We studied the physical effects arising from the combination of several concentrations of luminescent ions, Ho, Tm and Yb in a biaxial crystal to achieve the optimum multicolour emission for cool or warm white light generation. White light is generated by the simultaneous emission and combination of three photons at wavelengths, 475 (blue), 542 (green) and 651 nm (red) with associated energies, 21,053 cm⁻¹, 18,450 cm⁻¹ and 15,361 cm⁻¹, respectively. The physical mechanism that generated the white light involved the absorption of infrared photons and after partial energy transfer to neighbouring ions, excited state absorption and upconversion phenomena took place to combine the emerging photons at the above wavelengths. White light is generated with rather high efficiency and very low excitation threshold. The control of simultaneous light generation is accomplished with the amount of dopant ions in the crystal.     

基于高光谱影像的干旱区草地光谱特征分析

基于石羊河流域金昌地区Hyperion高光谱影像,通过FLAASH大气校正,利用纯像元指数法提取草地波谱信息,并运用光谱一阶微分法和连续统去除法进行定量化处理。结果表明,相对于生长旺盛期的草地光谱特征,衰退期草地光谱红边左移,斜率降低,蓝边、黄边特征减弱,可见光波段反射值较高,近红外波段反射率较低;不同覆盖度草地的红边、绿峰、蓝光和红光吸收谷位置保持一致,可见光波段的光谱吸收特征(波段深度、宽度、面积、对称性)随覆盖度的增大呈有规律的变化,可作为提取或判定植被覆盖度的依据。