一種可人眼透射率修正的多功能照度傳感器及設(shè)計方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種可人眼透射率修正的多功能照度傳感器及設(shè)計方法，方法包括擬合四種人眼響應(yīng)函數(shù)表達式；根據(jù)目標函數(shù)及光電探測器響應(yīng)值選擇合適濾光片或其組合，并擬合濾光片透射率表達式；計算光電探測器響應(yīng)值與濾光片透射率乘積，并歸一化；計算歸一化乘積及目標函數(shù)的中心波長、半峰寬、380?780nm積分面積，比較判斷誤差大小；選擇與人眼透射率一致或相近濾光片；將濾光片組與光電探測器組裝成傳感器。裝置包括：Si光電二極管、同軸設(shè)置的可旋轉(zhuǎn)年齡修正濾光片和多功能照度濾光片。本發(fā)明專利技術(shù)能測量16種年齡修正的照度，可豐富完善光生物安全領(lǐng)域的探測傳感器。

A multifunctional illuminance sensor with human eye transmittance correction and its design method

The invention discloses a multifunctional illuminance sensor and a design method which can be modified by human eye transmittance. The method includes fitting four kinds of expression of human eye response function, selecting suitable filter or its combination according to the target function and the response value of photoelectric detector, fitting the transmission expression of filter, calculating the response value of photoelectric detector. The normalized product and the central wavelength, half-peak width and 380_780 nm integral area of the objective function are calculated to compare and judge the error. The filters which are consistent with or similar to the human eye transmittance are selected. The filters and photoelectric detectors are assembled into sensors. The device comprises a silicon photodiode, a coaxial rotatable age correction filter and a multifunctional illumination filter. The invention can measure 16 age-corrected illuminance, and can enrich and perfect detection sensors in the field of optical biosafety.

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種可人眼透射率修正的多功能照度傳感器及設(shè)計方法
本專利技術(shù)涉及照明與光生物安全領(lǐng)域，尤其涉及可根據(jù)不同年齡段人眼透射率進行照度修正的，能夠同時測量藍光危害、節(jié)律效應(yīng)、暗視覺及明視覺照度的傳感器設(shè)計方法及裝置。
技術(shù)介紹
隨著人工照明技術(shù)的快速發(fā)展以及生活水平的提高，人們對光源的要求不再僅僅關(guān)注于發(fā)光效率與顯色質(zhì)量，光生物安全已成為當前光源技術(shù)的研究焦點。光生物安全主要包括藍光危害與節(jié)律效應(yīng)。藍光危害是指人眼在400-500nm波段藍光的照射下，因光化學作用對視網(wǎng)膜的損傷；節(jié)律效應(yīng)也稱為非視覺效應(yīng)，是指可見光中的藍光成分通過抑制松果體分泌褪黑色素、刺激腎上腺分泌皮質(zhì)醇，進而改變?nèi)梭w生理節(jié)律，調(diào)節(jié)警覺度和生物鐘。目前研究已公認人眼視網(wǎng)膜有三種感光細胞，即：特化感光神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGC)、桿狀細胞、錐狀細胞，分別對應(yīng)節(jié)律效應(yīng)、暗視覺、明視覺。世界衛(wèi)生組織愛眼協(xié)會報告：全球每年超過3萬人因藍光輻射導致失明。中華醫(yī)學會眼科學分會數(shù)據(jù)顯示：4.2億中國網(wǎng)民，63.5％因藍光輻射有視力下降、白內(nèi)障、失明等不同程度的眼疾。CIES009/E:200,IDT和IEC/TR62778分別給出了藍光危害加權(quán)因子數(shù)據(jù)及藍光危害因子計算公式(CIE：國際照明委員會、IEC：國際電工技術(shù)委員會)。2001年BrainardGC等人測定出了第一條非視覺生物光譜響應(yīng)曲線。2002年，Berson等發(fā)現(xiàn)視網(wǎng)膜上與視覺無關(guān)的特化感光神經(jīng)節(jié)細胞(ipRGC)。CIETN003:2015、ISO/TC274N201、2016年美國醫(yī)學會等均呼吁關(guān)注人造光源的節(jié)律效應(yīng)(ISO/TC274：國際標準化組織/光與照明技術(shù)委員會)。2017年生物鐘的相關(guān)研究榮獲諾貝爾獎，掀起了節(jié)律效應(yīng)的研究高潮。目前，尚未見到直接探測評估光源藍光危害、節(jié)律效應(yīng)的照度計，有必要開發(fā)相關(guān)傳感器。CIE分別在1924年與1951年給出了明視覺和暗視覺光譜光效率函數(shù)。暗視覺光譜光效率函數(shù)V’(λ)由視網(wǎng)膜上能夠感知光強弱的桿狀細胞決定，峰值在507nm處，對應(yīng)于0.001cd/m2以下亮度。明視覺光譜光效率函數(shù)V(λ)由視網(wǎng)膜上能夠分辨顏色的錐狀細胞決定，峰值位于555nm，對應(yīng)于1cd/m2以上亮度。利用光電探測器及濾光片擬合明視覺和暗視覺光譜光效率函數(shù)，制備對應(yīng)傳感器，已有成熟產(chǎn)品，例如美國的PMA2131暗視覺傳感器、日本S7686硅光電二極管明視覺傳感器。CIE203-2012A給出了不同年齡人眼透射率曲線圖，以及人眼透射率隨年齡變化的計算公式。隨著年齡的增長，人眼透射率下降明顯，同一光源透過不同年齡人眼，在視網(wǎng)膜上的光譜分布及強度區(qū)別較大。光源的相應(yīng)波段光線必須透過人眼角膜、晶狀體、玻璃體照射至視網(wǎng)膜，才能引起相應(yīng)細胞感光及光化學損傷。可見，在探測相關(guān)照度時有必要根據(jù)不同年齡人眼透射率進行修正。然而，當前所有照度計均未進行人眼透射率修正。因此，有必要提出一種可進行人眼透射率修正的、能夠同時測量藍光危害照度、節(jié)律效應(yīng)照度、暗視覺照度、明視覺照度的多功能照度傳感器設(shè)計方法，同時給出相關(guān)傳感器裝置的設(shè)計。以便精確測量、全面評估各種照明顯示設(shè)備光線品質(zhì)，促進相關(guān)行業(yè)健康發(fā)展。
技術(shù)實現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的目的是為了解決目前市面上的普通照度計僅可測量明視覺照度，沒有考慮不同年齡人眼透射率區(qū)別引起誤差的問題。另外，未見藍光危害照度傳感器、節(jié)律效應(yīng)照度傳感器及暗視覺照度傳感器的相關(guān)產(chǎn)品及文獻資料報道。提供一種能夠同時測量藍光危害照度、節(jié)律效應(yīng)照度、暗視覺照度及明視覺照度，并可進行不同年齡段的人眼透射率修正的多功能照度傳感器的設(shè)計方法，并利用該方法設(shè)計一種可人眼透射率修正的多功能照度計裝置。本專利技術(shù)是通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本專利技術(shù)提供了可人眼透射率修正的多功能照度傳感器設(shè)計方法，包括下述步驟：步驟1，擬合四種人眼響應(yīng)函數(shù)表達式：1a)根據(jù)可見光波段藍光危害因子數(shù)據(jù)，擬合藍光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)表達式；1b)根據(jù)修正后的節(jié)律作用函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合節(jié)律作用函數(shù)C(λ)表達式；1c)根據(jù)暗視覺光譜光效函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合暗視覺光譜光效函數(shù)V′(λ)表達式；1d)根據(jù)明視覺光譜光效函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合明視覺光譜光效函數(shù)V(λ)表達式；步驟2，根據(jù)光電探測器件選擇濾光片或其組合，擬合透射率表達式：2a)選擇光譜響應(yīng)范圍、感光靈敏度合適的光電探測器件；2b)在濾光片產(chǎn)品手冊中對照透射率曲線圖，尋找峰值型濾光片、長波通或短波通濾光片作為四種照度計的修正濾光片；2c)分別擬合峰值型濾光片透射率，得到擬合公式；步驟3，計算光電探測器響應(yīng)值與濾光片透射率乘積，并歸一化：3a)根據(jù)擬合表達式，利用Excel計算光電探測器在380-780nm波段響應(yīng)值與濾光片組透射率乘積；3b)利用Excel，將乘積峰值按照一定比例換算為1，其他數(shù)據(jù)按相同比例換算；步驟4，計算分析，判斷誤差大小：4a)計算藍光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)、節(jié)律作用函數(shù)C(λ)、暗視覺光譜光效函數(shù)V′(λ)、明視覺光譜光效函數(shù)V(λ)四種人眼響應(yīng)函數(shù)中心波長、半峰寬、380-780nm積分面積；4b)根據(jù)探測器響應(yīng)值與濾光片透射率歸一化乘積，計算中心波長、半峰寬和380-780nm積分面積；4c)比較歸一化乘積與目標函數(shù)計算結(jié)果之間的誤差，判斷是否重新選擇更為合適的濾光片；步驟5，選擇與人眼透射率一致或相近濾光片：5a)根據(jù)給出的人眼透射率隨年齡變化的計算公式，計算嬰幼兒童(1-15歲，以1歲近似該年齡段人眼透射率)、青年(16-44歲，以30歲透射率近似)、中年(45-59歲，以50歲透射率近似)及老年(60歲以上，以70歲透射率近似)人眼透射率。5b)比較各種濾光片及其組合透射率與不同年齡段人眼透射率曲線的相似程度選擇合適的年齡修正濾光片；步驟6，濾光片組與光電探測器組裝成傳感器。本專利技術(shù)還提供了使用上述可人眼透射率修正的多功能照度傳感器設(shè)計方法，設(shè)計的一種能夠同時測量藍光危害照度、節(jié)律效應(yīng)照度、暗視覺照度及明視覺照度，并可進行四個年齡段的人眼透射率修正的多功能照度傳感器裝置。該裝置包括同軸設(shè)置的可旋轉(zhuǎn)年齡修正濾光片和多功能照度濾光片；和一個設(shè)置于多功能照度濾光片下方的光電探測器。所述可旋轉(zhuǎn)年齡修正濾光片，是將嬰幼兒童眼睛透射率修正濾光片、青年人眼睛透射率修正濾光片、中年人眼睛透射率修正濾光片和老年人眼睛透射率修正濾光片均制作成等半徑的1/4圓，組合成可旋轉(zhuǎn)年齡修正濾光片。所述多功能照度濾光片，是將藍光危害照度修正濾光片、節(jié)律效應(yīng)照度修正濾光片、暗視覺照度修正濾光片、明視覺照度修正濾光片均制作成尺寸為S5980/S5981四封裝Si光電二極管的1/4，組合成多功能照度濾光片。所述多功能照度濾光片為固定型多功能照度濾光片或可旋轉(zhuǎn)型多功能照度濾光片；所述光電探測器為S5980/S5981四封裝Si光電二極管或單封裝Si光電二極管。所述S5980/S5981四封裝Si光電二極管、固定型多功能照度濾光片以及可旋轉(zhuǎn)年齡修正濾光片同軸設(shè)置，且固定型多功能照度濾光片與可旋轉(zhuǎn)年齡修正濾光片面積大小不等。所述單封裝Si光電二極管偏心于可旋轉(zhuǎn)型多功能照度濾光片的一個象限，且可旋轉(zhuǎn)型多功能照度濾光本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護點】
1.一種可人眼透射率修正的多功能照度傳感器設(shè)計方法，其特征在于，包括下述步驟：步驟1，擬合四種人眼響應(yīng)函數(shù)表達式：1a)根據(jù)可見光波段藍光危害因子數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合藍光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)表達式；1b)根據(jù)修正后的節(jié)律作用函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合節(jié)律作用函數(shù)C(λ)表達式；1c)根據(jù)暗視覺光譜光效函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合暗視覺光譜光效函數(shù)V′(λ)表達式；1d)根據(jù)明視覺光譜光效函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合明視覺光譜光效函數(shù)V(λ)表達式；步驟2，根據(jù)光電探測器件選擇濾光片或其組合，擬合透射率表達式；2a)選擇光譜響應(yīng)范圍、感光靈敏度合適的光電探測器件；2b)在濾光片產(chǎn)品手冊中對照透射率曲線圖，尋找峰值型濾光片、長波通或短波通濾光片作為四種照度計的修正濾光片；2c)分別擬合峰值型濾光片透射率；步驟3，計算光電探測器響應(yīng)值與濾光片透射率乘積，并歸一化：3a)根據(jù)擬合表達式，利用Excel計算光電探測器在380?780nm波段響應(yīng)值與濾光片組透射率乘積；3b)利用Excel，將乘積峰值按照一定比例換算為1，其他數(shù)據(jù)按相同比例換算；步驟4，計算分析，判斷誤差大小：4a)計算藍光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)、節(jié)律作用函數(shù)C(λ)、暗視覺光譜光效函數(shù)V′(λ)和明視覺光譜光效函數(shù)V(λ)四種人眼響應(yīng)函數(shù)中心波長、半峰寬和380?780nm積分面積；4b)根據(jù)探測器響應(yīng)值與濾光片透射率歸一化乘積，計算中心波長、半峰寬和380?780nm積分面積；4c)比較歸一化乘積與目標函數(shù)計算結(jié)果之間的誤差，判斷是否重新選擇更為合適的濾光片；步驟5，選擇與人眼透射率一致或相近濾光片：5a)根據(jù)國際照明委員會CIE給出的人眼透射率隨年齡變化的計算公式，計算嬰幼兒童、青年、中年及老年人眼透射率；其中，嬰幼兒童：1?15歲，以1歲透射率近似該年齡段人眼透射率；青年：16?44歲，以30歲透射率近似；中年：45?59歲，以50歲透射率近似；老年：60歲以上，以70歲透射率近似；5b)比較各種濾光片及其組合透射率與不同年齡段人眼透射率曲線的相似程度選擇合適的年齡修正濾光片；步驟6，濾光片組與光電探測器組裝成傳感器。...

【技術(shù)特征摘要】
1.一種可人眼透射率修正的多功能照度傳感器設(shè)計方法，其特征在于，包括下述步驟：步驟1，擬合四種人眼響應(yīng)函數(shù)表達式：1a)根據(jù)可見光波段藍光危害因子數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合藍光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)表達式；1b)根據(jù)修正后的節(jié)律作用函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合節(jié)律作用函數(shù)C(λ)表達式；1c)根據(jù)暗視覺光譜光效函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合暗視覺光譜光效函數(shù)V′(λ)表達式；1d)根據(jù)明視覺光譜光效函數(shù)數(shù)據(jù)，利用OriginPro軟件擬合明視覺光譜光效函數(shù)V(λ)表達式；步驟2，根據(jù)光電探測器件選擇濾光片或其組合，擬合透射率表達式；2a)選擇光譜響應(yīng)范圍、感光靈敏度合適的光電探測器件；2b)在濾光片產(chǎn)品手冊中對照透射率曲線圖，尋找峰值型濾光片、長波通或短波通濾光片作為四種照度計的修正濾光片；2c)分別擬合峰值型濾光片透射率；步驟3，計算光電探測器響應(yīng)值與濾光片透射率乘積，并歸一化：3a)根據(jù)擬合表達式，利用Excel計算光電探測器在380-780nm波段響應(yīng)值與濾光片組透射率乘積；3b)利用Excel，將乘積峰值按照一定比例換算為1，其他數(shù)據(jù)按相同比例換算；步驟4，計算分析，判斷誤差大小：4a)計算藍光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)、節(jié)律作用函數(shù)C(λ)、暗視覺光譜光效函數(shù)V′(λ)和明視覺光譜光效函數(shù)V(λ)四種人眼響應(yīng)函數(shù)中心波長、半峰寬和380-780nm積分面積；4b)根據(jù)探測器響應(yīng)值與濾光片透射率歸一化乘積，計算中心波長、半峰寬和380-780nm積分面積；4c)比較歸一化乘積與目標函數(shù)計算結(jié)果之間的誤差，判斷是否重新選擇更為合適的濾光片；步驟5，選擇與人眼透射率一致或相近濾光片：5a)根據(jù)國際照明委員會CIE給出的人眼透射率隨年齡變化的計算公式，計算嬰幼兒童、青年、中年及老年人眼透射率；其中，嬰幼兒童：1-15歲，以1歲透射率近似該年齡段人眼透射率；青年：16-44歲，以30歲透射率近似；中年：45-59歲，以50歲透射率近似；老年：60歲以上，以70歲透射率近似；5b)比較各種濾光片及其組合透射率與不同年齡段人眼透射率曲線的相似程度選擇合適的年齡修正濾光片；步驟6，濾光片組與光電探測器組裝成傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可人眼透射率修正的多功能照度傳感器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟1a)中，藍光危害加權(quán)函數(shù)B(λ)的擬合表達式如下：式中，λ代表可見光波段波長，單位為nm。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可人眼透射率修正的多功能照度傳感器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟1b)中，節(jié)律作用函數(shù)C(λ)擬合表達式如下：式中，λ代表可見光波段波長，單位為nm。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可人眼透射率修正的多功能照度傳感器設(shè)計方法，其特征在于，所述步驟1c)中，暗視覺光譜光效函數(shù)...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：楊超普，方文卿，李春，劉彥峰，張美麗，劉明寶，趙威，韓茜，代衛(wèi)麗，南寧，崔永寶，陳心雨，
申請(專利權(quán))人：商洛學院，
類型：發(fā)明
國別省市：陜西,61