基于全连接神经网络的自然光谱复现方法研究

为了能够精准和快速地复现可见光波段自然光谱，实现全光谱照明，使用具有强大非线性拟合能力的神经网络完成光谱匹配。首先，利用全连接神经网络的自学习能力，在采用基于修正高斯分布拟合函数的多个单色LED合成光谱模型生成训练和测试数据集的基础上，构建充分体现合成光谱和各单色LED光强系数比例关系的神经网络模型，即该模型能够针对输入光谱得到对应的单色LED光强比例系数，进而实现光谱复现。其次，针对标准太阳光谱和实测得到的不同时刻、天气的自然光谱进行光谱复现，并与采用基于遗传算法的光谱复现方法得到的结果进行对比。结果表明，基于全连接神经网络的自然光谱复现方法能够以小于5%的误差实现标准太阳光谱和实测太阳光谱的匹配，证明可使用同一个训练模型在不改变单色LED数量和种类的条件下得到多种与目标光谱高度吻合的不同类型光谱。对比其他光谱匹配算法，所提方法的拟合速度提高了数倍，还具有稳定性高、调控灵活、操作简便等优势。     

基于LED的光谱可调光源的光谱分布合成

从实测的LED光谱分布出发,对基于LED光谱可调光源进行了可行性验证。提出用非对称高斯分布函数的数学模型来拟合单个LED光谱分布,并以该数学模型为基础,运用多种不同峰值波长的LED来合成所需要的光谱分布。在原理上实现了对任意目标光谱的最小二乘拟合,使用不同峰值波长的单色LED分别对D65、溴钨灯、5 500 K理想黑体、日光照射下的标准白板的光谱分布进行拟合,相关指数均在0.94以上。最后通过对数据的分析,总结出在工程实践中必须注意的要点。     

基于LED峰值的太阳光谱合成方法

为了利用不同波段LED快速准确地模拟太阳光谱,基于LED的光谱合成原理,提出了一种利用LED光谱峰值波长处的数据合成太阳光谱的方法,简化了太阳光谱的拟合过程。首先,建立所有LED峰值波长处的函数方程组,利用约束最小二乘法确定各波段的拟合参数。进而,通过3组等间隔的LED光谱数据组对该方法进行了仿真分析,间隔40,30,20 nm的LED合成光谱与目标光谱相关系数对应为0.902,0.935,0.977,并对合成光谱失真处进行了分析和修正。最后,根据所选LED的实际光谱对太阳光谱进行了仿真分析。仿真结果表明：合成光谱与太阳光谱最大失配误差为4%,达到AM1.5的A级标准,满足LED太阳模拟器光谱匹配要求。     

铜绿微囊藻吸收和散射特性理论模拟

基于奇异衍射近似理论和Kramers-Kronig关系,通过实测铜绿微囊藻的吸收光谱数据和粒径分布估算出铜绿微囊藻折射率的实部和虚部,结合Mie散射理论,计算出铜绿微囊藻的吸收效率光谱、散射效率光谱。对比模拟结果与实验结果发现:该模型估算得到的散射光谱与实验的散射光谱之间误差为10.08%,吸收效率的误差为4.8%。从模拟结果与实测结果来看,均匀球形模型能够较好的重现铜绿微囊藻的吸收和散射特征。     

白光LED光谱特性及司辰节律因子

为分析白光LED的光-电-热特性及其变化,在热沉温度和驱动电流可控的条件下,测试了温度、电流对白光LED光谱分布的影响,建立了白光LED光功率和光谱蓝白比(蓝光光谱光功率与白光光谱光功率的比值)预测模型。相关性分析显示光谱蓝白比、色温及司辰节律因子之间高度相关,光谱蓝白比与色温、光谱蓝白比与司辰节律因子均存在线性关系,表明由光谱分布变化预测光谱色温漂移及其非视觉生物效应的可能性。实验结果表明,白光LED光功率、蓝白比、色温及司辰节律因子的预测值与实测值吻合较好,最大预测误差分别不超过4.22%、1.54%、1.31%和2.15%;同时,白光LED光谱蓝白比可作为一种有效手段,用于预测光谱色温及司辰节律因子,进而评估其光学特性和非视觉生物效应。     

适用于色敏解调的光位移传感器宽带LED

为保证光位移传感器的工作性能,输入光源在500~800 nm波长范围内需具有较高的光谱能量,照明用LED波长在700 nm以上光谱能量陡降,限制了传感器的工作范围.针对照明用LED光谱能量不足的问题,研制出适用于色敏解调光位移传感器的宽带LED光源.首先利用单色仪对光位移传感器色敏元件WS7.56的性能进行了测试,依据色敏解调结果提出了光位移传感器正常工作所需的输入光源的光谱能量阈值.在照明用LED光谱特性基础上,配比掺杂氮氧化物红色荧光粉提升LED红光及近红外光光谱能量,得到了满足输入光源光谱能量阈值的宽带LED.最后,对该宽带LED光位移传感器进行了位移测量实验,实验结果较使用照明用LED光源有明显改善,位移解调线性度良好.本文研制的宽带LED光源体积小、效率高,是光位移传感器较为理想的宽带光源.     

由多个高斯函数表征的发光二极管光谱模型

利用发光二极管（LED）光色电综合测试系统测量不同颜色不同功率的LED在多个电流下的光谱,提出并构建了由多个高斯函数组成的LED光谱模型,并根据各颜色LED在额定电流下的光谱计算模型中的系数,最后将该模型与已报道的模型进行了对比。研究表明：对于光谱有n（n≥1）个波峰的LED,可用3n个高斯函数形式的模型来表示,大功率红、黄、蓝、绿、白色LED模型与实测光谱之间平均误差分别为3．45％、1．01％、2．33％、4．65％、2．49％,小功率LED的平均误差分别为2．61％、2．65％、3．77％、2．87％、2．48％。与已报道的模型相比,该模型精度高,普适性好。本研究对LED光度色度测量仪器的研制及智能化LED产品的设计具有重要意义。     

光谱分布可调光源的LED筛选研究

针对LED光谱分布可调光源对LED寿命以及光谱一致性的要求,对可见光和近红外波段的29种LED分别进行200 h的电流加速老化试验,并提出LED光谱一致性筛选算法。老化试验结果表明:峰值波长为385 nm、400 nm 和420 1 nm 3种LED的辐射通量平均衰减分别为24.8 %、10.7 %和25.6 %,不能用于LED光谱分布可调光源;剩余的26种LED的辐射通量平均衰减量均低于3.5 %,可作为光谱分布可调光源的内部光源。LED光谱一致性筛选算法以LED光谱数据为基础,计算同类LED间的相对光谱偏差,26种LED的相对光谱偏差均小于4.5 %,保证了所筛选出LED的光谱一致性。     

准波导结构下染料薄膜的荧光光谱和放大自发辐射光谱特性

通过对RhB/PMMA和Rh6G/PMMA染料薄膜的荧光光谱和放大自发辐射(ASE)光谱的实验测量和理论分析,研究了准波导结构染料薄膜的荧光光谱和ASE光谱特性。实验上采用连续激光和脉冲激光照射,分别测量准波导结构RhB/PMMA和Rh6G/PMMA染料薄膜的荧光光谱和ASE光谱,发现荧光峰和ASE峰随着染料掺杂浓度和薄膜厚度的增加产生红移;理论上考虑准波导结构下薄膜中染料的自吸收效应,类比激光器谐振腔模型,分析低阶导模传输的增益特性,获得了荧光光谱与ASE光谱中荧光峰和ASE峰对应波长与染料掺杂浓度的关系,数值计算与实验测量相吻合。结果表明,准波导结构下薄膜中染料自吸收效应导致荧光峰及ASE峰发生红移,改变染料掺杂浓度,可以在较大调谐范围实现ASE。     

基于FTIR光谱辐射测量分析大气透过率

提出了一种利用FTIR光谱仪进行大气透过率测量的方法。通过黑体对系统的光谱响应进行标定,由两点温度校准得到测量光谱的辐射亮度谱。在一定的距离内实测并分析计算出了CO2红外吸收波段的大气透过率谱。采用非线性最小二乘方法将测量的CO2透过率谱与HITRAN数据库中的光谱拟合得到了干洁大气中的CO2浓度值。实验结果表明,该方法是测量大气透过率和定量分析气体组分的可行性方法。     

基于视觉与非视觉效应的LED温度光谱补偿研究

温度是影响光源稳定性的重要因素,温度变化会引起光源参数的改变,进而影响光源视觉与非视觉效应.基于三种光谱模型确定单通道光源的光谱参数与热沉温度的关系,建立多LED混光光源的温度光谱模型,并对RGBY四色LED混光光源(本文采用D50光源和D65光源)进行温度实验,结果表明,温度光谱模型中不同热沉温度下光源光谱与实测光谱基本一致,两者光源参数最大相对误差不超过6.15％,验证了该模型的可靠性.针对温度引起的光源参数(照度、色温、生理节律因子)变化问题,基于温度光谱模型采用差分进化算法实时确定脉宽调制控制系统中各通道的补偿权重,根据热沉温度对权重的反馈实现光源参数补偿.本研究可应用到多LED混光光源的动态设计及光源温度稳定性控制当中.     

基于低温光声光谱技术的高Tc超导材料Bi2Sr2CaCu2O8

在光声光谱技术基础上,将不同仪器组装成一套系统,并成功测量出碳黑的光声光谱。利用低温检测系统测定高温超导材料Bi2Sr2CaCu2O8在室温和液氮温度下的光声光谱,发现室温时在598nm和695nm有峰值,液氮温度时在466nm出现峰值。以吸收系数近似为1的碳黑为参照,利用归一化方法得到了Bi2Sr2CaCu2O8相对吸收系数谱图,并进行了初步的探讨,得到了该超导材料的一些信息,为利用低温光声光谱技术,研究超导材料的超导特性提供了一种可行的途径。     

基于光学薄膜的LED光谱调制技术

针对白光LED光谱与自然光谱的不同,讨论了采用光学薄膜改善白光LED光谱的可行性,同时提出了一种利用光学薄膜消除白光LED发光光谱中蓝光成份的方法,设计了光学薄膜的透过率曲线,并分析了其可行性.针对单色LED光谱随温度不同发生变化的特点,根据分析样品在4.9°、24°和49°三种环境温度下的光谱分布,设计了一种光学薄膜的透过率曲线,分析利用该设计薄膜改善单色LED光谱温度稳定性的可行性及结果.研究结果表明,在保证白光LED出光效率的前提下,仅靠在发光芯片上镀制光学薄膜的方式并不能改善光谱的结构,而使之与自然光中的可见光谱相似.采用设计的光学薄膜,可以消除白光LED发光光谱中的蓝光波段,提高光谱的舒适性.在4.9°、24°和49°三种环境温度下,利用设计的薄膜可将分析LED的发光光谱的中心波长稳定在700 nm附近,相对发光强度稳定在0.2附近,不同温度时光谱分布的相似性也有了较大的改善,研究结果有助于LED照明光源的进一步应用.     

退火对a-SixC1-x:H薄膜带尾态的影响

本文研究了退火后的a-Si_xC_1-x:H薄膜的光致发光光谱,采用发光光谱的峰值能量与测量温度之间的关系判别带尾宽度的大小。实验表明,发光峰值能量随退火温度的升高而移向低能。用指数带尾模型计算了带尾宽度。结果表明,随着退火温度的上升带尾变小。文中对这些结果进行了讨论。 关键词：     

用归一化光谱分布差异表征AlGaInP基LED阵列的平均结温

提出了一种采用归一化光谱分布的总体差异表征AlGaInP基发光二极管(LED)阵列平均结温的新方法。采用光谱仪测量了不同衬底温度、不同注入功率时,3种LED阵列的归一化光谱分布,研究了归一化光谱分布差异与LED阵列平均结温的关系,并将归一化光谱分布差异表征平均结温的准确度与文献报道的中心波长法相比较。研究结果表明:无论是改变衬底温度还是注入功率,采用常用的1nm采样间隔的光谱仪,归一化光谱分布差异与LED阵列平均结温的变化成良好的线性关系,线性度优于中心波长法,因此归一化光谱分布差异可以用于平均结温的测算,且准确度高于中心波长法。     

基于光学薄膜的LED光谱调制技术

针对白光LED光谱与自然光谱的不同,讨论了采用光学薄膜改善白光LED光谱的可行性,同时提出了一种利用光学薄膜消除白光LED发光光谱中蓝光成份的方法,设计了光学薄膜的透过率曲线,并分析了其可行性.针对单色LED光谱随温度不同发生变化的特点,根据分析样品在4.9°、24°和49°三种环境温度下的光谱分布,设计了一种光学薄膜的透过率曲线,分析利用该设计薄膜改善单色LED光谱温度稳定性的可行性及结果.研究结果表明,在保证白光LED出光效率的前提下,仅靠在发光芯片上镀制光学薄膜的方式并不能改善光谱的结构,而使之与自然光中的可见光谱相似.采用设计的光学薄膜,可以消除白光LED发光光谱中的蓝光波段,提高光谱的舒适性.在4.9°、24°和49°三种环境温度下,利用设计的薄膜可将分析LED的发光光谱的中心波长稳定在700 nm附近,相对发光强度稳定在0.2附近,不同温度时光谱分布的相似性也有了较大的改善,研究结果有助于LED照明光源的进一步应用.     

红外光谱发射率测量系统的温漂修正方法

针对探测器光谱响应度温漂现象对红外光谱发射率测量系统重复性的影响,分析探测器温度与输出电压之间的变化规律,提出了基于多项式拟合的光谱响应度温漂修正方法。研究探测器自身温度与其光谱响应度的函数关系,对探测器光谱响应度随温度变化的曲线进行数据拟合,得到探测器温度-光谱响应度的拟合方程,计算光谱响应度的温漂修正系数,修正探测器的输出电压,消除光谱响应度温漂现象对探测器输出电压造成的影响。研制光谱响应度温漂修正装置,测得探测器光谱响度的温漂曲线,对比指数拟合曲线和多项式拟合曲线与测量曲线的吻合度,结果表明6阶多项式拟合曲线的一致性较好,提高了基于积分球反射计的光谱发射率测量系统的重复性。     

基于NLMS自适应滤波的近红外光谱去噪处理方法研究

为了去除直接采集的近红外(NIR)光谱中含有的噪声,将归一化最小均方(NLMS)自适应滤波方法引入到NIR光谱去噪领域中。以51份土壤样品的NIR光谱为研究对象,探讨NLMS自适应滤波方法在NIR光谱预处理中的应用,并将处理后的结果与土壤中有机质的含量相关联,建立模型。结果表明,通过NLMS自适应滤波去噪后的光谱,预测集的相关系数r由处理前的0.8284提高至0.9654,预测均方根误差(RMSEP)由处理前的0.3385降至0.1606。由此可见,NLMS自适应滤波对NIR光谱的去噪有显著效果,可以有效地提高光谱的分析精度和模型的稳健性,为NIR光谱的预处理提供了一种新方法。     

温度对Al0.5Ga0.5As/AlAs分布布喇格反射器的反射谱影响

采用光学传输矩阵理论对Al0.5Ga0.5As/AlAs材料分布布喇格反射器(DBR)进行理论研究,分析了－10℃到100℃的范围内,温度变化对不同DBR结构的反射光谱影响.结果表明：随着温度的升高,传统20周期DBR的反射光谱向长波长方向移动,速率约0.05 nm/℃,其中由线热膨胀系数带来的影响小于0.001 nm/℃.当传统DBR的周期数增大时,温度对DBR光谱反射率的影响在减小,同时DBR的反射谱峰值波长发生红移.为了降低温度对DBR反射光谱的影响,提出一种新型的复式DBR结构.分析指出：该复式DBR比传统DBR有更大的反射光谱半峰宽,基本能覆盖同温度的AlGaInP LED电致发光光谱,这对提高LED的出光效率有现实意义.     

温度对Al_(0.5)Ga_(0.5)As/AlAs分布布喇格反射器的反射谱影响

采用光学传输矩阵理论对Al0.5Ga0.5As/AlAs材料分布布喇格反射器(DBR)进行理论研究,分析了-10℃到100℃的范围内,温度变化对不同DBR结构的反射光谱影响.结果表明:随着温度的升高,传统20周期DBR的反射光谱向长波长方向移动,速率约0.05 nm/℃,其中由线热膨胀系数带来的影响小于0.001 nm/℃.当传统DBR的周期数增大时,温度对DBR光谱反射率的影响在减小,同时DBR的反射谱峰值波长发生红移.为了降低温度对DBR反射光谱的影响,提出一种新型的复式DBR结构.分析指出:该复式DBR比传统DBR有更大的反射光谱半峰宽,基本能覆盖同温度的AlGaInP LED电致发光光谱,这对提高LED的出光效率有现实意义.