太陽光作為人體長(zhǎng)期適應(yīng)的自然光，具有光照連續(xù)性強(qiáng)、光譜失配度好、輻照均勻性好、準(zhǔn)直性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。因此，隨著LED技術(shù)的發(fā)展，模擬太陽光的類日光光源備受關(guān)注。由于單色LED具備光效高、壽命長(zhǎng)、波長(zhǎng)覆蓋范圍廣等諸多優(yōu)勢(shì)，成為模擬太陽光譜的理想選擇。Luminbox太陽光模擬器以先進(jìn)光束準(zhǔn)直與高均勻光斑技術(shù)，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)AM1.5G光譜并保持穩(wěn)定輻照，為實(shí)驗(yàn)室提供高效可靠的全場(chǎng)景光照測(cè)試方案，適用于高精度測(cè)試需求。

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光譜擬合原理及方法

1.構(gòu)建LED光譜輻射模型

單色LED的光譜分布很獨(dú)特，是窄帶單峰的，半峰全寬一般在20-50nm。研究人員根據(jù)它的輻射特性，結(jié)合修正高斯函數(shù)，構(gòu)建了描述其輻射強(qiáng)度隨波長(zhǎng)變化的模型。用這個(gè)模型去擬合460nm藍(lán)光LED的光譜，結(jié)果發(fā)現(xiàn)它能精準(zhǔn)地展現(xiàn)出光譜曲線，就像給LED的光譜做了一張“高清畫像”，這為后續(xù)的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

光譜輻射模型擬合的460nmLED光譜

2.曲線擬合算法：找到光譜擬合的“最優(yōu)解”

曲線擬合的核心就是找到一個(gè)函數(shù)，讓它和實(shí)際數(shù)據(jù)的誤差最小。這種求近似函數(shù)的方法稱為數(shù)據(jù)擬合的最小二乘法，函數(shù)ψ（x）稱為這組數(shù)據(jù)的最小二乘函數(shù)或最小二乘解。最小二乘算法在工程和科研里廣泛使用。

在LED光譜合成中，把太陽光譜看成是多個(gè)單色LED光譜疊加起來的，建立數(shù)學(xué)模型。通過求解最小二乘解，就能知道擬合太陽光譜需要哪些單色LED，以及它們的峰值波長(zhǎng)和驅(qū)動(dòng)電流。為了評(píng)估擬合效果，還引入了相關(guān)指數(shù)R2，它越接近1，說明擬合得越好。

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實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

1.驅(qū)動(dòng)電流對(duì)LED光譜的影響

LED是電流控制型器件，它的發(fā)光強(qiáng)度和正向電流近似成正比。研究人員采用OSRAM公司的3528系列460nm單色LED實(shí)驗(yàn)，在穩(wěn)定的環(huán)境下調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流，從20mA逐步調(diào)節(jié)至50mA。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，電流越大，光譜輻照強(qiáng)度越強(qiáng)，半峰全寬也變寬了。這意味著，我們可以通過調(diào)節(jié)電流來調(diào)整單色LED的光譜輻照強(qiáng)度，為擬合太陽光譜找到了一個(gè)“調(diào)節(jié)旋鈕”。

光譜輻照強(qiáng)度隨驅(qū)動(dòng)電流變化的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.實(shí)際LED合成太陽光譜仿真

為了驗(yàn)證方法的可行性，研究人員挑選了11種不同的單色LED，來合成450-660nm可見光波段的光譜。仿真結(jié)果令人驚喜，在380-800nm可見光范圍內(nèi)，合成的光譜成功彌補(bǔ)了單一白光LED缺失的波段，光譜連續(xù)性大大增強(qiáng)，和太陽光譜曲線相似度很高，這讓我們看到了用多種單色LED擬合太陽光譜照明的希望。

實(shí)驗(yàn)選取的11種單色LED光譜圖

實(shí)驗(yàn)選取的11種單色LED光譜合成結(jié)果

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最佳擬合結(jié)果及分析：追求完美擬合

1.等間隔單色LED擬合

研究人員用前面構(gòu)建的模型，借助MATLAB軟件，在380-800nm光譜范圍內(nèi)，分別用不同數(shù)量和間隔的單色LED對(duì)AM1.5光譜曲線進(jìn)行擬合。結(jié)果顯示，選用的單色LED種類越多、峰值波長(zhǎng)間隔越小，擬合效果越好。但這同時(shí)也面臨著LED種類太多會(huì)增加工程復(fù)雜性的問題。

2.非等間隔單色LED擬合

考慮到實(shí)際的LED產(chǎn)品峰值波長(zhǎng)不是等間隔的，研究人員通過MATLAB求解，得到了27種單色LED的最優(yōu)組合。它們合成的混合光譜和目標(biāo)光譜整體擬合效果不錯(cuò)，相關(guān)指數(shù)達(dá)到0.9576。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，光譜變化平緩的波段，用半峰全寬值大的單色LED擬合效果更好；光譜變化明顯的波段，則適合用半峰全寬值小的單色LED。

最佳組合的

27種單色LED光譜合成結(jié)果

3.仿真擬合評(píng)價(jià)

按照IEC60904-9標(biāo)準(zhǔn)，光譜匹配度在0.75-1.25之間是A級(jí)。研究的27種單色LED混合光譜在378-800nm可見光范圍內(nèi)全部達(dá)到A級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，說明使用這種方法合成太陽光譜是符合設(shè)計(jì)要求的。

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優(yōu)化擬合仿真分析

由于27種單色LED的組合在工程實(shí)踐中因種類太多會(huì)有一定難度，為了驗(yàn)證最佳組合的可靠性和方案的可優(yōu)化性，獲取更切合實(shí)際的數(shù)據(jù)，研究人員根據(jù)最佳組合中不同單色LED對(duì)光譜擬合的整體貢獻(xiàn)度，逐一減少貢獻(xiàn)較小的單色LED并調(diào)整其他種類單色LED的中心波長(zhǎng)以及半峰全寬值,最終求得兩組17種單色LED的組合，其混合光譜均滿足AM1.5 的 A 級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且半峰全寬值較大的單色 LED 擬合光譜連續(xù)性更高。

兩組優(yōu)化的17種單色LED光譜合成結(jié)果

通過單色LED光譜合成技術(shù)的突破性進(jìn)展，成功實(shí)現(xiàn)了太陽光譜的高精度模擬。Luminbox太陽光模擬器憑借其卓越的光譜匹配性能（AM1.5G標(biāo)準(zhǔn)AAA級(jí)）為科研與工業(yè)領(lǐng)域提供了可靠的太陽光模擬解決方案。未來，隨著單色LED技術(shù)的持續(xù)優(yōu)化，Luminbox太陽光模擬器將在光伏測(cè)試、材料老化研究等領(lǐng)域展現(xiàn)更大的應(yīng)用潛力。

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Luminbox太陽光模擬器

Luminbox太陽光模擬器采用先進(jìn)光束準(zhǔn)直技術(shù)與高均勻光斑設(shè)計(jì)，精準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)AM1.5G太陽光譜，輻照輸出穩(wěn)定，為實(shí)驗(yàn)室提供高效可靠的光照測(cè)試解決方案。

AAA級(jí)性能：光譜匹配度符合IEC60904-9標(biāo)準(zhǔn)AAA級(jí)，可達(dá)實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)精度；

長(zhǎng)效穩(wěn)定：優(yōu)化光源設(shè)計(jì)大幅降低維護(hù)頻率，減少校準(zhǔn)與停機(jī)時(shí)間，提升實(shí)驗(yàn)效率；

應(yīng)用場(chǎng)景：可選配光學(xué)濾鏡，靈活模擬室內(nèi)外日光環(huán)境，滿足多元測(cè)試需求。

原文出處:《基于單色LED的太陽光譜合成方法》

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