太阳光模拟器丨单色LED光谱合成技术的突破

太阳光作为人体长期适应的自然光，具有光照连续性强、光谱失配度好、辐照均匀性好、准直性强等优点。因此，随着LED技术的发展，模拟太阳光的类日光光源备受关注。由于单色LED具备光效高、寿命长、波长覆盖范围广等诸多优势，成为模拟太阳光谱的理想选择。Luminbox太阳光模拟器以先进光束准直与高均匀光斑技术，精准复现AM1.5G光谱并保持稳定辐照，为实验室提供高效可靠的全场景光照测试方案，适用于高精度测试需求。

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光谱拟合原理及方法

1.构建LED光谱辐射模型

单色LED的光谱分布很独特，是窄带单峰的，半峰全宽一般在20-50nm。研究人员根据它的辐射特性，结合修正高斯函数，构建了描述其辐射强度随波长变化的模型。用这个模型去拟合460nm蓝光LED的光谱，结果发现它能精准地展现出光谱曲线，就像给LED的光谱做了一张“高清画像”，这为后续的研究打下了坚实的基础。

光谱辐射模型拟合的460nmLED光谱

2.曲线拟合算法：找到光谱拟合的“最优解”

曲线拟合的核心就是找到一个函数，让它和实际数据的误差最小。这种求近似函数的方法称为数据拟合的最小二乘法，函数ψ（x）称为这组数据的最小二乘函数或最小二乘解。最小二乘算法在工程和科研里广泛使用。

在LED光谱合成中，把太阳光谱看成是多个单色LED光谱叠加起来的，建立数学模型。通过求解最小二乘解，就能知道拟合太阳光谱需要哪些单色LED，以及它们的峰值波长和驱动电流。为了评估拟合效果，还引入了相关指数R2，它越接近1，说明拟合得越好。

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实验验证

1.驱动电流对LED光谱的影响

LED是电流控制型器件，它的发光强度和正向电流近似成正比。研究人员采用OSRAM公司的3528系列460nm单色LED实验，在稳定的环境下调节驱动电流，从20mA逐步调节至50mA。结果发现，电流越大，光谱辐照强度越强，半峰全宽也变宽了。这意味着，我们可以通过调节电流来调整单色LED的光谱辐照强度，为拟合太阳光谱找到了一个“调节旋钮”。

光谱辐照强度随驱动电流变化的实验结果

2.实际LED合成太阳光谱仿真

为了验证方法的可行性，研究人员挑选了11种不同的单色LED，来合成450-660nm可见光波段的光谱。仿真结果令人惊喜，在380-800nm可见光范围内，合成的光谱成功弥补了单一白光LED缺失的波段，光谱连续性大大增强，和太阳光谱曲线相似度很高，这让我们看到了用多种单色LED拟合太阳光谱照明的希望。

实验选取的11种单色LED光谱图

实验选取的11种单色LED光谱合成结果

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最佳拟合结果及分析：追求完美拟合

1.等间隔单色LED拟合

研究人员用前面构建的模型，借助MATLAB软件，在380-800nm光谱范围内，分别用不同数量和间隔的单色LED对AM1.5光谱曲线进行拟合。结果显示，选用的单色LED种类越多、峰值波长间隔越小，拟合效果越好。但这同时也面临着LED种类太多会增加工程复杂性的问题。

2.非等间隔单色LED拟合

考虑到实际的LED产品峰值波长不是等间隔的，研究人员通过MATLAB求解，得到了27种单色LED的最优组合。它们合成的混合光谱和目标光谱整体拟合效果不错，相关指数达到0.9576。仔细分析发现，光谱变化平缓的波段，用半峰全宽值大的单色LED拟合效果更好；光谱变化明显的波段，则适合用半峰全宽值小的单色LED。

最佳组合的

27种单色LED光谱合成结果

3.仿真拟合评价

按照IEC60904-9标准，光谱匹配度在0.75-1.25之间是A级。研究的27种单色LED混合光谱在378-800nm可见光范围内全部达到A级标准，说明使用这种方法合成太阳光谱是符合设计要求的。

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优化拟合仿真分析

由于27种单色LED的组合在工程实践中因种类太多会有一定难度，为了验证最佳组合的可靠性和方案的可优化性，获取更切合实际的数据，研究人员根据最佳组合中不同单色LED对光谱拟合的整体贡献度，逐一减少贡献较小的单色LED并调整其他种类单色LED的中心波长以及半峰全宽值,最终求得两组17种单色LED的组合，其混合光谱均满足AM1.5 的 A 级标准，且半峰全宽值较大的单色 LED 拟合光谱连续性更高。

两组优化的17种单色LED光谱合成结果

通过单色LED光谱合成技术的突破性进展，成功实现了太阳光谱的高精度模拟。Luminbox太阳光模拟器凭借其卓越的光谱匹配性能（AM1.5G标准AAA级）为科研与工业领域提供了可靠的太阳光模拟解决方案。未来，随着单色LED技术的持续优化，Luminbox太阳光模拟器将在光伏测试、材料老化研究等领域展现更大的应用潜力。

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Luminbox太阳光模拟器

Luminbox太阳光模拟器采用先进光束准直技术与高均匀光斑设计，精准复现AM1.5G太阳光谱，辐照输出稳定，为实验室提供高效可靠的光照测试解决方案。

AAA级性能：光谱匹配度符合IEC60904-9标准AAA级，可达实验室校准精度；

长效稳定：优化光源设计大幅降低维护频率，减少校准与停机时间，提升实验效率；

应用场景：可选配光学滤镜，灵活模拟室内外日光环境，满足多元测试需求。

原文出处:《基于单色LED的太阳光谱合成方法》

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