一种可人眼透射率修正的多功能照度传感器及设计方法技术

本发明专利技术公开了一种可人眼透射率修正的多功能照度传感器及设计方法，方法包括拟合四种人眼响应函数表达式；根据目标函数及光电探测器响应值选择合适滤光片或其组合，并拟合滤光片透射率表达式；计算光电探测器响应值与滤光片透射率乘积，并归一化；计算归一化乘积及目标函数的中心波长、半峰宽、380‑780nm积分面积，比较判断误差大小；选择与人眼透射率一致或相近滤光片；将滤光片组与光电探测器组装成传感器。装置包括：Si光电二极管、同轴设置的可旋转年龄修正滤光片和多功能照度滤光片。本发明专利技术能测量16种年龄修正的照度，可丰富完善光生物安全领域的探测传感器。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种可人眼透射率修正的多功能照度传感器及设计方法
本专利技术涉及照明与光生物安全领域，尤其涉及可根据不同年龄段人眼透射率进行照度修正的，能够同时测量蓝光危害、节律效应、暗视觉及明视觉照度的传感器设计方法及装置。
技术介绍
随着人工照明技术的快速发展以及生活水平的提高，人们对光源的要求不再仅仅关注于发光效率与显色质量，光生物安全已成为当前光源技术的研究焦点。光生物安全主要包括蓝光危害与节律效应。蓝光危害是指人眼在400-500nm波段蓝光的照射下，因光化学作用对视网膜的损伤；节律效应也称为非视觉效应，是指可见光中的蓝光成分通过抑制松果体分泌褪黑色素、刺激肾上腺分泌皮质醇，进而改变人体生理节律，调节警觉度和生物钟。目前研究已公认人眼视网膜有三种感光细胞，即：特化感光神经节细胞(ipRGC)、杆状细胞、锥状细胞，分别对应节律效应、暗视觉、明视觉。世界卫生组织爱眼协会报告：全球每年超过3万人因蓝光辐射导致失明。中华医学会眼科学分会数据显示：4.2亿中国网民，63.5％因蓝光辐射有视力下降、白内障、失明等不同程度的眼疾。CIES009/E:200,IDT和IEC/TR62778分别给出了蓝光危害加权因子数据及蓝光危害因子计算公式(CIE：国际照明委员会、IEC：国际电工技术委员会)。2001年BrainardGC等人测定出了第一条非视觉生物光谱响应曲线。2002年，Berson等发现视网膜上与视觉无关的特化感光神经节细胞(ipRGC)。CIETN003:2015、ISO/TC274N201、2016年美国医学会等均呼吁关注人造光源的节律效应(ISO/TC274：国际标准化组织/光与照明技术委员会)。2017年生物钟的相关研究荣获诺贝尔奖，掀起了节律效应的研究高潮。目前，尚未见到直接探测评估光源蓝光危害、节律效应的照度计，有必要开发相关传感器。CIE分别在1924年与1951年给出了明视觉和暗视觉光谱光效率函数。暗视觉光谱光效率函数V’(λ)由视网膜上能够感知光强弱的杆状细胞决定，峰值在507nm处，对应于0.001cd/m2以下亮度。明视觉光谱光效率函数V(λ)由视网膜上能够分辨颜色的锥状细胞决定，峰值位于555nm，对应于1cd/m2以上亮度。利用光电探测器及滤光片拟合明视觉和暗视觉光谱光效率函数，制备对应传感器，已有成熟产品，例如美国的PMA2131暗视觉传感器、日本S7686硅光电二极管明视觉传感器。CIE203-2012A给出了不同年龄人眼透射率曲线图，以及人眼透射率随年龄变化的计算公式。随着年龄的增长，人眼透射率下降明显，同一光源透过不同年龄人眼，在视网膜上的光谱分布及强度区别较大。光源的相应波段光线必须透过人眼角膜、晶状体、玻璃体照射至视网膜，才能引起相应细胞感光及光化学损伤。可见，在探测相关照度时有必要根据不同年龄人眼透射率进行修正。然而，当前所有照度计均未进行人眼透射率修正。因此，有必要提出一种可进行人眼透射率修正的、能够同时测量蓝光危害照度、节律效应照度、暗视觉照度、明视觉照度的多功能照度传感器设计方法，同时给出相关传感器装置的设计。以便精确测量、全面评估各种照明显示设备光线品质，促进相关行业健康发展。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决目前市面上的普通照度计仅可测量明视觉照度，没有考虑不同年龄人眼透射率区别引起误差的问题。另外，未见蓝光危害照度传感器、节律效应照度传感器及暗视觉照度传感器的相关产品及文献资料报道。提供一种能够同时测量蓝光危害照度、节律效应照度、暗视觉照度及明视觉照度，并可进行不同年龄段的人眼透射率修正的多功能照度传感器的设计方法，并利用该方法设计一种可人眼透射率修正的多功能照度计装置。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。本专利技术提供了可人眼透射率修正的多功能照度传感器设计方法，包括下述步骤：步骤1，拟合四种人眼响应函数表达式：1a)根据可见光波段蓝光危害因子数据，拟合蓝光危害加权函数B(λ)表达式；1b)根据修正后的节律作用函数数据，利用OriginPro软件拟合节律作用函数C(λ)表达式；1c)根据暗视觉光谱光效函数数据，利用OriginPro软件拟合暗视觉光谱光效函数V′(λ)表达式；1d)根据明视觉光谱光效函数数据，利用OriginPro软件拟合明视觉光谱光效函数V(λ)表达式；步骤2，根据光电探测器件选择滤光片或其组合，拟合透射率表达式：2a)选择光谱响应范围、感光灵敏度合适的光电探测器件；2b)在滤光片产品手册中对照透射率曲线图，寻找峰值型滤光片、长波通或短波通滤光片作为四种照度计的修正滤光片；2c)分别拟合峰值型滤光片透射率，得到拟合公式；步骤3，计算光电探测器响应值与滤光片透射率乘积，并归一化：3a)根据拟合表达式，利用Excel计算光电探测器在380-780nm波段响应值与滤光片组透射率乘积；3b)利用Excel，将乘积峰值按照一定比例换算为1，其他数据按相同比例换算；步骤4，计算分析，判断误差大小：4a)计算蓝光危害加权函数B(λ)、节律作用函数C(λ)、暗视觉光谱光效函数V′(λ)、明视觉光谱光效函数V(λ)四种人眼响应函数中心波长、半峰宽、380-780nm积分面积；4b)根据探测器响应值与滤光片透射率归一化乘积，计算中心波长、半峰宽和380-780nm积分面积；4c)比较归一化乘积与目标函数计算结果之间的误差，判断是否重新选择更为合适的滤光片；步骤5，选择与人眼透射率一致或相近滤光片：5a)根据给出的人眼透射率随年龄变化的计算公式，计算婴幼儿童(1-15岁，以1岁近似该年龄段人眼透射率)、青年(16-44岁，以30岁透射率近似)、中年(45-59岁，以50岁透射率近似)及老年(60岁以上，以70岁透射率近似)人眼透射率。5b)比较各种滤光片及其组合透射率与不同年龄段人眼透射率曲线的相似程度选择合适的年龄修正滤光片；步骤6，滤光片组与光电探测器组装成传感器。本专利技术还提供了使用上述可人眼透射率修正的多功能照度传感器设计方法，设计的一种能够同时测量蓝光危害照度、节律效应照度、暗视觉照度及明视觉照度，并可进行四个年龄段的人眼透射率修正的多功能照度传感器装置。该装置包括同轴设置的可旋转年龄修正滤光片和多功能照度滤光片；和一个设置于多功能照度滤光片下方的光电探测器。所述可旋转年龄修正滤光片，是将婴幼儿童眼睛透射率修正滤光片、青年人眼睛透射率修正滤光片、中年人眼睛透射率修正滤光片和老年人眼睛透射率修正滤光片均制作成等半径的1/4圆，组合成可旋转年龄修正滤光片。所述多功能照度滤光片，是将蓝光危害照度修正滤光片、节律效应照度修正滤光片、暗视觉照度修正滤光片、明视觉照度修正滤光片均制作成尺寸为S5980/S5981四封装Si光电二极管的1/4，组合成多功能照度滤光片。所述多功能照度滤光片为固定型多功能照度滤光片或可旋转型多功能照度滤光片；所述光电探测器为S5980/S5981四封装Si光电二极管或单封装Si光电二极管。所述S5980/S5981四封装Si光电二极管、固定型多功能照度滤光片以及可旋转年龄修正滤光片同轴设置，且固定型多功能照度滤光片与可旋转年龄修正滤光片面积大小不等。所述单封装Si光电二极管偏心于可旋转型多功能照度滤光片的一个象限，且可旋转型多功能照度滤光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可人眼透射率修正的多功能照度传感器设计方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1，拟合四种人眼响应函数表达式：1a)根据可见光波段蓝光危害因子数据，利用OriginPro软件拟合蓝光危害加权函数B(λ)表达式；1b)根据修正后的节律作用函数数据，利用OriginPro软件拟合节律作用函数C(λ)表达式；1c)根据暗视觉光谱光效函数数据，利用OriginPro软件拟合暗视觉光谱光效函数V′(λ)表达式；1d)根据明视觉光谱光效函数数据，利用OriginPro软件拟合明视觉光谱光效函数V(λ)表达式；步骤2，根据光电探测器件选择滤光片或其组合，拟合透射率表达式；2a)选择光谱响应范围、感光灵敏度合适的光电探测器件；2b)在滤光片产品手册中对照透射率曲线图，寻找峰值型滤光片、长波通或短波通滤光片作为四种照度计的修正滤光片；2c)分别拟合峰值型滤光片透射率；步骤3，计算光电探测器响应值与滤光片透射率乘积，并归一化：3a)根据拟合表达式，利用Excel计算光电探测器在380‑780nm波段响应值与滤光片组透射率乘积；3b)利用Excel，将乘积峰值按照一定比例换算为1，其他数据按相同比例换算；步骤4，计算分析，判断误差大小：4a)计算蓝光危害加权函数B(λ)、节律作用函数C(λ)、暗视觉光谱光效函数V′(λ)和明视觉光谱光效函数V(λ)四种人眼响应函数中心波长、半峰宽和380‑780nm积分面积；4b)根据探测器响应值与滤光片透射率归一化乘积，计算中心波长、半峰宽和380‑780nm积分面积；4c)比较归一化乘积与目标函数计算结果之间的误差，判断是否重新选择更为合适的滤光片；步骤5，选择与人眼透射率一致或相近滤光片：5a)根据国际照明委员会CIE给出的人眼透射率随年龄变化的计算公式，计算婴幼儿童、青年、中年及老年人眼透射率；其中，婴幼儿童：1‑15岁，以1岁透射率近似该年龄段人眼透射率；青年：16‑44岁，以30岁透射率近似；中年：45‑59岁，以50岁透射率近似；老年：60岁以上，以70岁透射率近似；5b)比较各种滤光片及其组合透射率与不同年龄段人眼透射率曲线的相似程度选择合适的年龄修正滤光片；步骤6，滤光片组与光电探测器组装成传感器。...

【技术特征摘要】
1.一种可人眼透射率修正的多功能照度传感器设计方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1，拟合四种人眼响应函数表达式：1a)根据可见光波段蓝光危害因子数据，利用OriginPro软件拟合蓝光危害加权函数B(λ)表达式；1b)根据修正后的节律作用函数数据，利用OriginPro软件拟合节律作用函数C(λ)表达式；1c)根据暗视觉光谱光效函数数据，利用OriginPro软件拟合暗视觉光谱光效函数V′(λ)表达式；1d)根据明视觉光谱光效函数数据，利用OriginPro软件拟合明视觉光谱光效函数V(λ)表达式；步骤2，根据光电探测器件选择滤光片或其组合，拟合透射率表达式；2a)选择光谱响应范围、感光灵敏度合适的光电探测器件；2b)在滤光片产品手册中对照透射率曲线图，寻找峰值型滤光片、长波通或短波通滤光片作为四种照度计的修正滤光片；2c)分别拟合峰值型滤光片透射率；步骤3，计算光电探测器响应值与滤光片透射率乘积，并归一化：3a)根据拟合表达式，利用Excel计算光电探测器在380-780nm波段响应值与滤光片组透射率乘积；3b)利用Excel，将乘积峰值按照一定比例换算为1，其他数据按相同比例换算；步骤4，计算分析，判断误差大小：4a)计算蓝光危害加权函数B(λ)、节律作用函数C(λ)、暗视觉光谱光效函数V′(λ)和明视觉光谱光效函数V(λ)四种人眼响应函数中心波长、半峰宽和380-780nm积分面积；4b)根据探测器响应值与滤光片透射率归一化乘积，计算中心波长、半峰宽和380-780nm积分面积；4c)比较归一化乘积与目标函数计算结果之间的误差，判断是否重新选择更为合适的滤光片；步骤5，选择与人眼透射率一致或相近滤光片：5a)根据国际照明委员会CIE给出的人眼透射率随年龄变化的计算公式，计算婴幼儿童、青年、中年及老年人眼透射率；其中，婴幼儿童：1-15岁，以1岁透射率近似该年龄段人眼透射率；青年：16-44岁，以30岁透射率近似；中年：45-59岁，以50岁透射率近似；老年：60岁以上，以70岁透射率近似；5b)比较各种滤光片及其组合透射率与不同年龄段人眼透射率曲线的相似程度选择合适的年龄修正滤光片；步骤6，滤光片组与光电探测器组装成传感器。2.根据权利要求1所述的可人眼透射率修正的多功能照度传感器设计方法，其特征在于，所述步骤1a)中，蓝光危害加权函数B(λ)的拟合表达式如下：式中，λ代表可见光波段波长，单位为nm。3.根据权利要求1所述的可人眼透射率修正的多功能照度传感器设计方法，其特征在于，所述步骤1b)中，节律作用函数C(λ)拟合表达式如下：式中，λ代表可见光波段波长，单位为nm。4.根据权利要求1所述的可人眼透射率修正的多功能照度传感器设计方法，其特征在于，所述步骤1c)中，暗视觉光谱光效函数...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨超普，方文卿，李春，刘彦峰，张美丽，刘明宝，赵威，韩茜，代卫丽，南宁，崔永宝，陈心雨，
申请(专利权)人：商洛学院，
类型：发明
国别省市：陕西,61