專利名稱：紫外線輻射測量方法及紫外線測量設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種紫外線測量方法和一種紫外線測量設備，其可以容易地測量生活環(huán)境中的紫外射線，并可以獲得有關諸如對人體有直接影響的紫外射線量的特定紫外射線的信息。
背景技術：
有關全球環(huán)境的一個最大問題曾經是由臭氧層破壞而導致的地球表面上的紫外線輻射量的增加。這種紫外線導致諸如誘發(fā)皮膚癌、誘發(fā)由對DNA的破壞引起的光過敏性以及光老化的健康問題。而且，紫外射線導致諸如色斑(pigmented spots)和雀斑的美觀問題。
因此，從美麗和健康的角度而言，測量我們生活環(huán)境中的紫外射線已變得更重要了。
但是，紫外射線量的測量需要專用的紫外線計量設備。由于攜帶專用UV(紫外線)測量設備比較麻煩，所以尚不容易測量紫外射線。
紫外射線對生物體有各種影響。因此，根據(jù)測量紫外射線的目的，存在各種表示紫外射線量的方式。例如，可以利用紫外射線(290nm到400nm)的總量、只對UVA范圍(320nm到400nm)敏感的紫外線傳感器所測量到的紫外射線量、或者只對UVB范圍(290nm到320nm)敏感的紫外線傳感器所測量到的紫外射線量，來表示紫外射線量。

發(fā)明內容
然而，所述紫外線傳感器并不具有與例如由誘發(fā)皮膚曬斑的量確定的紅斑曲線相對應的特性曲線。該傳感器是在其光譜靈敏度曲線內的代表性波長處標定的；因此，該傳感器并不具有與限定波長范圍內的δ函數(shù)(delta function)類似的靈敏度分布。
由所述紅斑曲線確定的指數(shù)稱作“UV指數(shù)”。UV指數(shù)表示根據(jù)所述紅斑曲線進行加權的中午附近的一小時的紫外射線的能量。通常，UV指數(shù)被定量地分為十個以上的等級，但是其也被分為由與人類感覺對應的表述所表示的5個級別。
所述UV指數(shù)是通過利用所述紅斑曲線上的對應值來對UVA和UVB范圍內的每個波長進行加權而獲得的。因此，僅僅根據(jù)光譜輻照度就獲得了準確值。為了測量光譜輻照度，有必要利用大尺寸的測量設備，因此測量就不方便。而且，UVA量不能由適于測量能夠引起紅斑的紫外射線的光譜靈敏度測量設備來測量。因此，就不能考慮到透過窗戶的紫外射線，其對諸如色斑和雀斑的美觀問題有很大影響。
如上所述，尚未有容易地得到特定紫外線信息的方法，并且需要一種改進的方法。
鑒于常規(guī)方法的上述問題，提出了本發(fā)明。
本發(fā)明的紫外線測量發(fā)明利用了這樣的事實，即，地球表面上的紫外光強度的波長分布受到平流層中的吸收和散射的強烈影響，但是不受天氣或觀測點海拔的顯著影響。因此，地球表面上的紫外光強度的波長分布主要受太陽高度角的影響。盡管地球表面上的紫外光強度受到天氣等的影響，但是若獲得了太陽高度角信息，就可估算出所述波長分布。如下所述，該原理可用于計算特定波長范圍內的紫外光的總強度(In2)。
每個紫外光敏元件具有以靈敏度表示的特定特性。這里，所述紫外光敏元件實際測量到的紫外線強度由“Ma”表示。如果太陽高度角相同，則“In2”與“Ma”之比(Ra1)幾乎相同，這是因為所述波長分布幾乎相同。一旦制作了其中寫有針對各太陽高度角的“Ra1”值的轉換表，就可以利用所述紫外光敏元件來獲得“Ma”值，并通過將“Ma”乘以所述轉換表上的針對所述太陽高度角的轉換系數(shù)來根據(jù)“Ma”計算出“In2”。所述太陽高度角是可以計算、測量或輸入的。所述轉換表可存儲在存儲器中。但是，所述轉換表并不是必不可少的，因為所述轉換系數(shù)可在觀測點處被計算出來。
相同的技術可應用于計算與對人體等的特定影響有關的指數(shù)(響應指數(shù))。UV指數(shù)是這種指數(shù)的示例。所述響應指數(shù)(Ri)是通過將在一波長上的強度乘以一響應曲線上的對應值并沿著波長軸對該乘積進行積分來獲得的。若太陽高度角相同，則“Ri”與“Ma”之比(Ra2)幾乎相同，這是因為所述波長分布幾乎相同。一旦制作了其中寫有針對各太陽高度角的“Ra2”值的轉換表，就可以利用所述紫外光敏元件來獲得“Ma”值，以測量所述太陽高度角，并通過將“Ma”乘以針對所述轉換表上的所述太陽高度角的轉換系數(shù)來根據(jù)“Ma”計算出“Ri”。所述太陽高度角是可以計算、測量或輸入的。所述轉換表可存儲在存儲器中。但是，所述轉換表并不是必不可少的，因為所述轉換系數(shù)可在觀測點處被計算出來。
這些技術中，所述轉換表并不需要包括針對每個太陽高度角的轉換系數(shù)。這些技術可以在所述轉換表包括針對一些實用太陽高度角的轉換系數(shù)的情況下應用。所述轉換系數(shù)可以通過實驗或理論的方式、或通過實驗與理論相結合的方式來確定。
所述紫外光敏元件并不必須被標定為特定波長范圍內的積分紫外線強度。但是，在紫外線強度改變而波長分布固定的情況下，所述紫外光敏元件必須準確地指示強度變化的比率。例如，在紫外線強度加倍而波長分布固定的情況下，由所述紫外光敏元件所指示的強度必須加倍。由于UVA占據(jù)了太陽紫外射線的大部分，所以實際上將測量到的強度標定得與UVA強度相對應就足夠了。所述標定可在所述測量設備中進行，或者可以提供一標定表等，使得所述標定可在所述測量設備之外進行。
本發(fā)明的第一方面是提供一種使用紫外光敏元件的紫外線測量方法，其包括以下步驟利用所述紫外光敏元件在一太陽高度角下測量紫外線強度；以及通過使用與所述太陽高度角相對應的轉換系數(shù)來將所測量到的強度轉換為特定紫外線波長范圍內的積分紫外線強度，由此來確定所述特定紫外線范圍內的積分紫外線強度，其中所述轉換系數(shù)是至少太陽高度角的函數(shù)。
函數(shù)“F(θ)＝C”被排除在所述函數(shù)的范圍之外，其中θ表示所述太陽高度角，而C表示一常數(shù)。
所述轉換系數(shù)可以對應于在所述太陽高度角下所述特定紫外線范圍內的積分紫外線強度與由所述紫外光敏元件在所述太陽高度角下所測量到的強度之間的比值。
本發(fā)明的第二方面是提供一種使用紫外光敏元件的紫外線測量方法，其包括以下步驟利用所述紫外光敏元件在一太陽高度角下測量紫外線強度；以及通過使用與所述太陽高度角相對應的轉換系數(shù)來將所測量到的強度轉換為響應指數(shù)，由此來確定響應指數(shù)，其中所述轉換系數(shù)是至少太陽高度角的函數(shù)。
函數(shù)“F(θ)＝C”被排除在所述函數(shù)的范圍之外，其中θ表示所述太陽高度角，而C表示一常數(shù)。
所述轉換系數(shù)可以對應于在所述太陽高度角下的響應指數(shù)與由所述紫外光敏元件在所述太陽高度角下所測量到的強度之間的比值。
每個所述轉換系數(shù)都可被視為兩個系數(shù)的乘積。其中一個系數(shù)可以是用于將所測量到的強度轉換為預定太陽高度角下的希望積分強度或希望響應指數(shù)的系數(shù)。另一系數(shù)可以是反映在一太陽高度角與所述預定太陽高度角之間的波長分布差別的系數(shù)。由所述紫外光敏元件所指示的強度可被標定得使所指示的強度與特定波長范圍內的積分紫外線強度相對應。在以下方面中，標準強度比對應于第一系數(shù)，而太陽高度角修正系數(shù)對應于第二系數(shù)。
本發(fā)明的第三方面是提供一種使用在第一紫外線波長范圍內具有光譜靈敏度的紫外光敏元件的紫外線測量方法，其包括以下步驟利用所述紫外光敏元件在一太陽高度角下測量第一紫外線波長范圍內的積分紫外線強度；以及通過基于標準強度比和太陽高度角修正系數(shù)修正所測量到的強度，來確定第二紫外線波長范圍內的積分紫外線強度，其中所述標準強度比是針對標準太陽輻射光譜的第二紫外線波長范圍內的積分紫外線強度與第一紫外線波長范圍內的積分紫外線強度之間的比值。
所述標準強度比和所述太陽高度角修正系數(shù)中的每一個都可以在觀測之前獲得，或可以在觀測點計算出來。
本發(fā)明的第四方面是提供一種使用在第一紫外線波長范圍內具有光譜靈敏度的紫外光敏元件的紫外線測量方法，其包括以下步驟利用所述紫外光敏元件在一太陽高度角下測量第一紫外線波長范圍內的積分紫外線強度；以及基于所測量到的強度、標準強度比以及太陽高度角修正系數(shù)來確定響應指數(shù)，其中所述標準強度比是針對標準太陽輻射光譜的響應指數(shù)與第一紫外線波長范圍內的積分紫外線強度之間的比值。
所述標準強度比和所述太陽高度角修正系數(shù)中的每一個都可以在觀測之前獲得，或可以在觀測點計算出來。
針對標準太陽輻射光譜的響應指數(shù)可以根據(jù)所述標準太陽輻射光譜和一響應指數(shù)來確定。具體來說，針對標準太陽輻射光譜的響應指數(shù)可以通過沿著波長軸進行積分(在一波長上的強度×響應曲線上的對應值)來確定。
在第三和第四方面中，將由紫外光敏元件測量到的值乘以所述標準強度比和所述太陽高度角修正系數(shù)，由此進行修正。所述標準強度比是通過將特定波長范圍內的標準太陽輻射光譜的積分紫外線強度除以第一紫外線波長范圍內的標準太陽輻射光譜的積分紫外線強度來獲得的，其中所述標準太陽輻射光譜是單獨測得的。在本發(fā)明中，特定波長范圍內的標準太陽輻射光譜的積分紫外線強度指的是第二紫外線波長范圍內的標準太陽輻射光譜的積分紫外線強度或由標準太陽輻射光譜和一特定響應曲線確定的標準太陽輻射光譜的響應指數(shù)。
第三和第四方面可作以下修改一種利用具有針對特定范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件的紫外線測量方法，其包括以下步驟基于標準強度比和針對所述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)，對利用所述紫外光敏元件測量到的太陽紫外線強度的實際測量值進行修正，以獲得第二紫外線波長范圍內的紫外線強度或與特定響應曲線相關的紫外線強度，其中所述標準強度比是第一紫外線波長范圍內的標準分光太陽輻射光譜的第一積分紫外線強度與第二紫外線波長范圍內的標準分光太陽輻射光譜的第二積分紫外線強度之間的比值，或者該第一積分紫外線強度與根據(jù)所述標準分光太陽輻射和一特定響應曲線獲得的標準分光太陽輻射光譜的第三積分紫外線強度之間的比值。
與特定響應曲線相關的紫外線強度和第三積分紫外線強度可被視為響應指數(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的第三和第四方面，利用簡單的結構，無論在何種天氣條件下，都可以容易地根據(jù)實際測量值來獲得特定紫外線信息(第二紫外線波長范圍內的紫外線強度，或與特定響應曲線相關的紫外線強度)。也可以確定紫外射線的總量。此外，例如，UVA和UVB的紫外線強度和紫外射線量，可以被彼此獨立地來確定。
然而，為了獲得紫外線強度和紫外射線量的絕對值，必須對由紫外光敏元件所獲得的實際測量值進行標定，使得所述測量值指示所述元件的限定波長范圍內的紫外線輻照度?？梢酝ㄟ^利用標準光源等來進行所述標定過程。
第一紫外線波長范圍的示例包括全部紫外射線范圍(例如，UVA+UVB的波長范圍，即，290nm到400nm)、UVB的波長范圍(290nm到320nm)或UVA的波長范圍(320nm到400nm)。
第二紫外線波長范圍可以在第一紫外線波長范圍之內。例如，當?shù)谝蛔贤饩€波長范圍是全部紫外射線范圍290nm到400nm時，第二紫外線波長范圍可以是UVB波長范圍290nm到320nm。
所述響應曲線的示例是紅斑曲線。當采用所述紅斑曲線并且第一紫外線波長范圍是例如全部紫外線范圍290nm到400nm時，根據(jù)太陽光譜和所述特定響應曲線計算出的所述響應指數(shù)可以是290nm到400nm范圍內的紅斑紫外線強度。而且，例如，當?shù)谝蛔贤饩€波長范圍是290nm到320nm的UVB時，所述響應指數(shù)可以是290nm到320nm內的紅斑紫外線強度。
由此，可以獲得直接影響人體的紫外線強度(或對應于該強度的UV指數(shù))?？梢允褂帽硎咀贤饩€的影響的任意響應曲線作為所述響應曲線。例如，所述響應曲線可以是對DNA的影響的響應曲線。
紫外光敏元件的光譜靈敏度的波長范圍可以包括全部第一紫外線波長范圍和全部第二紫外線波長范圍，也可以不包括它們。例如，當紫外光敏元件的光譜靈敏度范圍是290nm到400nm時，可以獲得290nm到320nm的UVB的紫外線強度作為第二紫外線波長范圍。當紫外光敏元件的光譜靈敏度范圍是320nm到400nm時，可將超出所述光譜靈敏度范圍的290nm到320nm的UVB的波長范圍內的紫外線強度確定為第二紫外線波長范圍。但是，在此情況下，由所述紫外光敏元件實際測量到的值必須已被修正為占據(jù)大部分所述太陽紫外線輻射的UVA的紫外線強度。
優(yōu)選地，可以基于太陽光在地球大氣內的光程長度來確定針對上述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)。另外，在確定所述太陽高度角修正系數(shù)時，優(yōu)選地要考慮臭氧濃度信息。
太陽高度角隨緯度和/或經度以及日期和時間而變化。太陽光透過平流層和對流層傳播的衰減量隨在平流層和對流層內的光程長度而變化。另外，透射系數(shù)依賴于所述波長而變化。而且，對于UVB波長范圍或與所述紅斑曲線相關的紫外線波長范圍，透過臭氧層傳播的衰減量隨臭氧層內的光程長度和臭氧層的臭氧濃度而變化。因此，可以基于地球大氣內的太陽光的光程長度和臭氧濃度信息來獲得準確的太陽高度角修正系數(shù)。
本發(fā)明的第五方面是提供一種包括紫外光敏元件和轉換裝置的紫外線測量設備，其中，所述轉換裝置通過利用太陽高度角的信息將在該太陽高度角下由所述紫外光敏元件測量到的值轉換為特定波長范圍內的積分紫外線強度。
本發(fā)明的第六方面是提供一種包括紫外光敏元件和轉換裝置的紫外線測量設備，其中，所述轉換裝置通過利用太陽高度角的信息將在該太陽高度角下由所述紫外光敏元件測量到的值轉換為響應指數(shù)。
所述轉換的詳情可以與所述紫外線測量方法的描述中的相同。
本發(fā)明的第七方面是提供一種紫外線測量設備，其包括具有針對第一波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件；存儲標準強度比的存儲單元；以及修正單元，基于所述標準強度比和針對該標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)對由所述紫外光敏元件測量到的強度進行修正，以獲得第二紫外線波長范圍內的紫外線強度，其中，所述標準強度比是針對標準太陽輻射光譜的第二紫外線波長范圍內的積分紫外線強度與第一紫外線波長范圍內的積分紫外線強度之間的比值。
本發(fā)明的第八方面是提供一種紫外線測量設備，其包括具有針對第一波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件；存儲標準強度比的存儲單元；以及修正單元，基于所述標準強度比和針對該標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)對由所述紫外光敏元件測量到的強度進行修正，以獲得響應指數(shù)，其中，所述標準強度比是針對標準太陽輻射光譜的響應指數(shù)與第二紫外線波長范圍內的積分紫外線強度之間的比值。
所述標準強度比、所述響應指數(shù)以及所述太陽高度角修正系數(shù)的詳情可以與第三和第四方面中的相同。
本發(fā)明的第七和第八方面可作以下修改一種紫外線測量設備，其包括具有針對特定波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件；存儲標準強度比的存儲單元，所述標準強度比是第一紫外線波長范圍內的標準分光太陽輻射光譜的第一積分紫外線強度與第二紫外線波長范圍內的標準分光太陽輻射光譜的第二積分紫外線強度之間的比值，或者該第一積分紫外線強度與根據(jù)所述標準分光太陽輻射光譜和一特定響應曲線獲得的第三積分紫外線強度之間的比值；以及修正單元，基于所述標準強度比和針對該標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)對利用所述紫外光敏元件測量到的太陽紫外線強度的實際測量值進行修正，以獲得第二紫外線波長范圍內的紫外線強度或與所述響應曲線相關的紫外線強度。
與特定響應曲線相關的紫外線強度和第三積分紫外線強度可被視為響應指數(shù)。
根據(jù)按照本發(fā)明多個方面的紫外線測量設備，可以容易地根據(jù)由具有特定光譜特性的紫外光敏元件測量到的值來獲得有關特定范圍內的紫外射線(第二紫外波長范圍)和有關響應曲線的特定紫外線信息。從而，可以便利地和不斷地對這種特定紫外線信息進行監(jiān)視。而且，還可獲得紫外線的總量。
所述紫外線測量設備還可以包括太陽高度角信息獲取單元，其獲取用以獲得所述轉換系數(shù)或針對所述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)的太陽高度角信息。所述紫外線測量設備可配有緯度信息和/或經度信息，以及日期和時間信息，作為所述太陽高度角信息。而且，例如，可以采用所述紅斑曲線作為如上所述的響應曲線。
如上所述可以基于太陽光在地球大氣內光程長度和臭氧濃度信息來確定所述轉換系數(shù)和針對所述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)。所述光程長度和臭氧濃度信息隨緯度和/或經度以及所述日期和時間而變化。可以利用所述太陽高度角信息獲取單元來獲取諸如太陽高度角信息的信息項，由此確定準確的紫外線強度。
本發(fā)明的第九方面是提供一種使用具有針對特定波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件的紫外線測量方法，其包括以下步驟利用所述紫外光敏元件測量紫外線強度；以及根據(jù)任意時間點的太陽高度角信息修正所測量到的紫外線強度，以預測所述時間點處的紫外線強度。
所述太陽高度角隨緯度和/或經度以及日期和時間而變化。太陽光透過平流層和對流層傳播的衰減量隨光程長度而變化。另外，透射系數(shù)隨波長而變化。而且，對于UVB波長范圍或與所述紅斑曲線相關的紫外線波長范圍，透過臭氧層傳播時的衰減量隨臭氧層內的光程長度和臭氧層的臭氧濃度而變化。
本發(fā)明的第九方面的紫外線測量方法利用了在一時間點(指“在一太陽高度角下”)的紫外線強度受太陽高度角的影響這一事實。因此，在該方法中，在任意時間點的紫外線強度是通過根據(jù)在該時間點的太陽高度角信息對所測量到的紫外線強度進行修正而預測的。結果，不管在何種天氣條件下，都可以根據(jù)位置以及日期和時間來獲得或預測特定的紫外線信息。
此外，可根據(jù)本發(fā)明第九方面的紫外線測量方法可以計算一時間段上的積分紫外線強度。并且，基于所預測的紫外射線的積分量，可確定恰當?shù)淖贤馍渚€防護劑。
如上所述，根據(jù)所述方法，可以預測任意時間點的紫外線強度。通過在預定時間段上對所預測的紫外線強度進行積分，可以預測在安排了外出活動的該時間段上的積分紫外線強度?；谒A測的積分紫外線強度，可以選定適合于所述外出活動的紫外射線防護劑并有效地阻擋紫外射線。
本發(fā)明的第十方面是提供一種紫外線測量設備，其包括具有針對特定波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件；存儲任意時間點的太陽高度角信息的存儲單元；以及修正單元，根據(jù)任意時間點的太陽高度角信息修正實際測量到的紫外線強度，以預測所述時間點處的紫外線強度。
通過利用本發(fā)明第十方面的紫外線測量設備，無論在何種天氣條件下，都可以根據(jù)位置以及日期和時間來獲取或預測特定紫外線信息。
所述紫外線測量設備可包括計算在特定時間段上的積分紫外線強度的計算單元，以及基于所預測出的積分紫外線強度來選擇紫外射線防護劑的選擇單元。利用以上配置，可以實現(xiàn)有效的紫外射線防護。


圖1是示出紫外光敏元件的光譜靈敏度、太陽的光譜以及紅斑曲線的關系圖。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的紫外線測量設備的結構的示意結構圖。
圖3是示出本發(fā)明實施例的紫外線測量設備中的紫外線測量過程的流程的流程圖。
圖4是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的紫外線測量設備中的紫外線測量過程的另一流程的流程圖。
具體實施例方式
下面將對根據(jù)本發(fā)明的紫外線測量方法進行詳細描述。
太陽光中的波長不長于200nm的紫外射線被氧吸收，從而不能到達地球表面。而且，平流層中的臭氧層吸收波長從200nm到360nm的紫外射線。尤其是，臭氧尤其高效地吸收波長為290nm或更短的紫外射線。因此，由太陽發(fā)出并到達地球表面的紫外射線(太陽紫外線輻射)由波長長于290nm的射線組成。波長從290nm到320nm的紫外射線稱為UVB，而波長從320nm到400nm的紫外射線稱為UVA。
據(jù)報導，太陽紫外線輻射中的UVB與UVA的比率在同一天的同一時刻在任何天氣條件下幾乎都是恒定的。所述比率主要隨由天空中的平流層的臭氧層所吸收的UVB的量而變化。由于地面上的紫外射線的波長范圍更窄，所以認為不同波長的紫外射線之間的散射差或反射差可以忽略，并且波長分布并不強烈受到天氣的影響。而且，所述紫外線不受觀測點的高度的影響，因為即使高山也在對流層內。
在本發(fā)明的一實施例中，可基于由特定紫外光敏元件所測量到的強度和對應于太陽高度角的轉換系數(shù)來確定特定波長范圍內的積分紫外線強度。所述轉換系數(shù)是至少太陽高度角的函數(shù)。但是，由于臭氧層厚度隨著地球上的位置而變化，所以，所述轉換系數(shù)可以是緯度和/或經度以及太陽高度角的函數(shù)。此外，臭氧層的厚度是變化的，因此所述轉換系數(shù)可能取決于臭氧層信息。在另一實施例中，可以基于由特定紫外光敏元件所測量到的強度和對應于太陽高度角的轉換系數(shù)來確定一響應指數(shù)。其基本原理同上。這里所用的術語“響應指數(shù)”表示一指示由紫外射線產生的效應的程度。例如，所述效應例如可以是誘發(fā)皮膚癌、誘發(fā)色斑、誘發(fā)紅斑或誘發(fā)曬斑的可能性的增加。
可以通過實驗或理論方式或通過實驗與理論相結合的方式來確定所述轉換系數(shù)。例如，可以通過由分光光度計測量波長分布或通過由專門針對希望波長或希望響應指數(shù)的測量儀(如UVA測量儀和UVB測量儀)測量所述強度，來確定所述轉換系數(shù)。也可利用參考書等中公開的有關波長分布的數(shù)據(jù)。還可以基于諸如太陽高度角、緯度、經度、臭氧信息以及太陽活動信息的因數(shù)來計算所述轉換系數(shù)。該計算可針對觀測點自動進行。因此，并不總是需要在測量前確定對于相應太陽高度角的轉換系數(shù)。
若未特別指定，這里所用的術語“積分紫外線強度”表示沿著波長軸積分的紫外線強度。類似地，術語“一波長范圍內的積分紫外線強度”表示在該波長范圍內積分的紫外線強度。此外，若未特別指定，這里所用的術語“光程長度”表示光穿過臭氧層所經過的光程長度。因此，若未特別指定，所述光程長表示僅在臭氧層內的光程長度。
在根據(jù)本發(fā)明一實施例的紫外線測量方法中，根據(jù)標準強度比和太陽高度角修正系數(shù)(用于標準強度比的太陽高度角修正系數(shù))來修正由具有特定光譜靈敏度(例如，200nm到400nm)的紫外敏感元件(在對流層內)所實際測量到的太陽光強度的標定值，由此獲得特定波長范圍內的紫外線信息。所述標準強度比是根據(jù)太陽光譜獲得的積分紫外線強度與特定波長范圍內的另一積分紫外線強度(分光太陽輻射光譜的第二紫外線波長范圍內的第二積分紫外線強度，或根據(jù)太陽紫外線輻射光譜和特定響應曲線獲得的第三積分紫外線強度)之比。即，在例如特定范圍內的積分紫外線強度是根據(jù)太陽光譜和紅斑曲線獲得的紫外線強度(紅斑紫外線強度)時，可以基于根據(jù)實際測量值而獲得的紅斑紫外線強度來獲得紅斑紫外線量和UV指數(shù)。
可以通過以下步驟來確定UV指數(shù)(1)將紅斑紫外線強度轉換為紅斑紫外線量每小時(mJ/cm2)，然后(2)將所獲得的值除以10。
在根據(jù)本發(fā)明另一實施例的紫外線測量方法中，根據(jù)任意時間點的太陽高度角信息來修正所獲得的紫外線強度，從而預測該時間點處的紫外線強度。例如，當根據(jù)在某個時間點處(第一時間點處)所測量到的紫外線強度來預測任意時間點處(第二時間點處)的紫外線強度時，可以利用太陽高度角信息(太陽紫外線信息)來修正第二時間點處的紫外線強度。太陽高度角信息可以包括以下關于太陽高度角與第一時間點和第二時間點處的紫外線強度之間的關系、天氣因數(shù)以及太陽高度角修正系數(shù)的多條信息。
下面，詳細描述這樣一種修正方法，其中，利用該方法，基于在太陽高度角α1下的實際測量值UV0(α1)來獲得特定紫外射線的量UV(λ)(特定波長范圍內的紫外線強度)，所述太陽高度角α1已被標定得使UV0(α1)與太陽紫外線輻射總量相對應。
通過以下公式(1)來獲得在一標準太陽高度角θ下的目標特定范圍內的積分紫外線強度UVI(θ)(第二紫外線波長范圍內的分光太陽輻射光譜的第二積分紫外線強度，或根據(jù)太陽紫外線輻射光譜和特定響應曲線獲得的第三積分紫外線強度)UV1(θ)＝∑F(λ)R(λ，θ)Δλ 公式(1)在此公式中，F(xiàn)表示加權系數(shù)(例如，所述紅斑曲線)，而R(λ，θ)表示在一標準太陽高度角θ下的分光輻射強度。Δλ表示分光輻射光譜的單位波長間隔。
然后，例如，由以下公式(2)來表示根據(jù)太陽光譜獲得的在標準太陽高度角θ下的預定紫外線波長范圍內的積分紫外線強度UV2(第一積分紫外線強度)。所述預定紫外線波長范圍可以是例如290nm到400nm的波長范圍。
UV2(θ)＝∑R(λ，θ)Δλ 公式(2)在此公式中，R(λ，θ)表示在標準太陽高度角θ下的分光輻射強度。
如上所述，UV0是在太陽高度角α1下測量的。如以下公式(3)所示，可以根據(jù)UV1(θ)與UV2(θ)之間的標準強度比和用于該標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)P(α1)來計算出在太陽高度角α1下的目標特定波長范圍內的積分紫外線值UV1(α1)。
UV1(α1)＝UV0(α1)×(UV1(θ)/UV2(θ))×P(α1) 公式(3)可由以下公式(4)來表示根據(jù)紅斑曲線E(λ)導出的紅斑紫外線強度G(α1)G(α1)＝UV0(α1)×(UV1(θ)/UV2(θ))×P(α1) 公式(4)在此情況下，利用公式UV1(θ)＝∑E(λ)R(λ，θ)Δλ來計算UV1(θ)。UV1(θ)是標準紅斑紫外線強度。
可以根據(jù)所述光程長度和太陽光穿過空氣傳播的透射系數(shù)來獲得對于標準強度比UV1(θ)/UV2(θ)的太陽高度角修正系數(shù)P(α1)。所述透射系數(shù)受臭氧吸收影響，因此取決于波長?？梢愿鶕?jù)太陽高度角來計算出太陽光穿過空氣所經過的光程長度。
即，可以根據(jù)所述光程長度和所述透射系數(shù)來計算出衰減率，從而可以根據(jù)該衰減率獲得太陽高度角修正系數(shù)P(α1)，其中，所述光程長度是太陽高度角的函數(shù)。以下，對確定太陽高度角修正系數(shù)P(α1)的具體細節(jié)進行闡述。
太陽高度角和臭氧層內的光程長度根據(jù)取決于日期和周日運動的太陽高度角來計算太陽光穿過平流層內的臭氧層所經過的光程長度。
計算太陽高度角根據(jù)以下公式獲得太陽高度角(天頂角Z)cosZ＝cosD′cosL′+sinD′sinL′cosH 公式(5)在此公式中，L′表示觀測點的余緯度(緯度L的余角)；D′表示極距角(polar distance angle)(天赤緯(celestial declination)D的余角)；而H表示時角(hour angle)。
根據(jù)以下公式(6)來計算極距角D′cos D′＝sin23.5°sinα2公式(6)α2表示在觀測日連接地球和太陽的線與在一年的春分點連接地球和太陽的線之間的夾角。α2可以表示為α2＝n360°/365.25(n是自春分起經過的天數(shù))。
根據(jù)以下公式(7)獲得時角HH＝±360°t/24小時公式(7)這里，t表示自中天(meridian passage)起經過的小時數(shù)，其中負號表示觀測是在中天之前進行的。可通過利用觀測點與標準經度之間的經度差修正所述地區(qū)的本地標準時間，從而計算出中天的時間。為使時角更準確，可根據(jù)時間方程(equation of time)來修正時角。
對于得到上述信息的方式，所述日期和時間可從時鐘獲得。如果觀測點限于本地，則可將緯度作為位置信息輸入。另選地，該位置信息可在任何時間通過利用來自人造衛(wèi)星的信息的位置測量設備來獲得。
根據(jù)光程長度的衰減量作為確定紫外射線穿過空氣的衰減率的主要因數(shù)的吸收系數(shù)，可以根據(jù)在不同太陽高度角下測量到的太陽輻射光譜來獲得。來自太陽的紫外線由于被平流層內的臭氧吸收而發(fā)生衰減，并隨大氣狀況而在對流層中被吸收、散射或反射。由云造成的散射(米氏散射(Mie scattering))幾乎不受波長影響，這與由空氣分子造成的散射(瑞利散射)形成對比。
如果確定了對于各波長區(qū)的衰減系數(shù)，那么基于實際測量值與太陽高度角之間的關系，不僅可以估算出紅斑紫外線量，而且可以估算出特定紫外線量(特定紫外線信息)。用于確定衰減率的多個系數(shù)中的一個系數(shù)是臭氧吸收紫外線的吸收系數(shù)。該吸收系數(shù)僅在320nm或更短的波長范圍內才顯著。另一系數(shù)是散射系數(shù)。該散射系數(shù)在整個紫外線波長范圍內都顯著。
計算太陽高度角修正系數(shù)P(α1)(太陽高度角對臭氧吸收的影響)計算光程長度以下，θ0(仰角)表示太陽高度角，r0(6400km)表示地球半徑，r2表示臭氧層的最高點的高度，而r1表示臭氧層的最低點的高度。臭氧層內的光程長度x(θ0)由以下公式表示x(θ0)＝-r0sin(θ0)+[(r0sin(θ0))2+(r22+2r2r0)]-{-r0sin(θ0)+[(r0sin(θ0))2+(r12+2r1r0)]}公式(8)
光程長度被認為是太陽高度角的函數(shù)。例如，在r1＝20km且r2＝40km的條件下，光程長度可計算如下x(80°)＝20.3km，x(30°)＝39.47km，x(15°)＝72.75km，以及x(0°)＝210.3km。
計算衰減量由吸收衰減的量“I”通?？梢岳霉獬涕L度表示如下I＝I0exp(-kx(θ0)) 公式(9)在此公式中，I0是入射UV的強度，而k是吸收系數(shù)，其可被視為是波長的函數(shù)。不過，對于窄波長區(qū)，例如除去臭氧層中的UVB(和UVC)的吸收以外的UV區(qū)，將k視為一常數(shù)。
在下面的公式中，Tr(θ0)表示穿過平流層和對流層的全部UV的透射率，kb(λb)表示臭氧層中的UVB范圍內的紫外線的吸收系數(shù)(假定紫外線在臭氧層之外的其他層內的UVB范圍內的透射率與與所述全部UV的透射率相等，為Tr(θ0))。I0(θ0)表示進入平流層的全部UV的入射強度，而Ib0(θ0)表示進入平流層的全部UVB的入射強度。
衰減后的Ib(θ0)由以下公式(10)表示Ib(θ0)＝Ib0exp(-kb(λb)x(θ0))×Tr(θ0) 公式(10)衰減后的I(θ0)由以下公式(11)表示I(θ0)＝I0Tr(θ0) 公式(11)當太陽高度角為θ0且傳播距離為x(θ0)時，吸收后的UVB與UV之比由以下公式(12)表示Ib(θ0)/I(θ0)＝(Ib0/I0)exp(-kb(λb)x(θ0)) 公式(12)比值UVB/UV隨季節(jié)而不同。例如，在東京，在夏季的中天(80°)附近的比值UVB/UV為5.5％，而在冬季的中天(30°)處的比值UVB/UV為3％，其中所述比值是根據(jù)從太陽無散射地直接入射的射線的分光輻照度而獲得的。但是，由于早晨太陽高度角低，減少了短波長紫外線的量，所以即使在夏季比值UVB/UV也只有約1％。由于可以計算出比值UVB/UV，所以通過將該比值作為觀測時間點的比值，可以基于全部紫外線的量來估算出UVB量。在夏季，由于臭氧層的濃度變化比春天的小，所以可將臭氧層的濃度視為是幾乎恒定的。
由于紅斑紫外線的波長比UVB的還要短，所以紅斑紫外線與全部UV的比值的變化要比UVB與全部UV的比值的變化顯著。
可以通過對在不同太陽高度角θ0下測量到的分光太陽輻射的輻照度進行比較來獲得(Ib0/I0)和kb(λb)。
在一實施例中，在夏至左右在最高太陽高度角(θ1)下測量了分光紫外線輻射強度Ib(θ1)和I(θ1)。類似地，在冬至左右在最低太陽高度角(θ2)下測量了分光紫外線輻射強度Ib(θ2)和I(θ2)。根據(jù)這些值，獲得了比值Ib(θ1)/I(θ1)和Ib(θ2)/I(θ2)。通過比較這些比值，可以獲得針對紅斑紫外線或UVB的α＝(Ib0/I0)和β＝kb(λb)。這樣，如果利用有關太陽高度角α1(作為θ0)的信息獲得了測量值I(α1)，就可以如下計算出UVB或紅斑紫外線強度Ib(α1)＝I(α1)αexp(-βx(α1)) 公式(13)可以利用標準太陽高度角γ(作為θ)來對上面的公式進行標準化，由此得到以下公式(14)Ib(α1)＝I(α1)(Ib(γ)/I(γ))exp(-β(x(α1)-(x(γ)) 公式(14)這樣，太陽高度角修正系數(shù)P(α1)就由以下公式(15)表示P(α1)＝exp(-β(x(α1)-(x(γ)) 公式(15)然后，組合以上公式，以形成以下公式(16)Ib(α1)＝I(α1)(Ib(γ)/I(γ))P(α1) 公式(16)基于這些公式，可以利用以下公式(17)來獲得在太陽高度角α1下的UVB范圍內的紫外線強度或紅斑紫外線強度(在太陽高度角α1下的)UVB強度＝(在太陽高度角α1下的)測量值×標準強度比×太陽高度角修正系數(shù) 公式(17)(在太陽高度角α1下的)紅斑紫外線強度＝(在太陽高度角α1下的)測量值×標準強度比×太陽高度角修正系數(shù) 公式(18)如上所述，將太陽高度角α1下的實際測量值UV0(α1)乘以標準太陽高度角γ(作為θ)下的標準強度比(UV1(γ)/UV2(γ))，再乘以太陽高度角α1下的太陽高度角修正系數(shù)P(α1)，獲得了太陽高度角α1下的UVB強度或太陽高度角α1下的紅斑紫外線強度。
待計算的強度可以是特定紫外線波長范圍(例如UVB)內的強度或根據(jù)特定響應曲線(例如，紅斑曲線)獲得的紅斑紫外線強度。這種強度可通過利用標準太陽高度角γ(作為θ)的各標準比值和各太陽高度角γ(作為θ)來計算出。
UV指數(shù)由紅斑紫外線量的十分之一表示。紅斑紫外線量是根據(jù)圖1中所示的紅斑曲線轉換的每小時的紫外線量，并且通常由以下公式(19)來表示紅斑紫外線量＝紅斑曲線×分光太陽紫外線輻照度×3600秒公式(19)換句話說，滿足以下公式(紅斑紫外線量)/10＝UV指數(shù) 公式(20)標準強度比Ib(γ)/I(γ)可由以下公式表示Ib(γ)/I(γ)＝UV指數(shù)×10/紫外線總量/3600秒公式(21)因此，UV指數(shù)可由以下公式表示UV指數(shù)＝實際測量強度UV0(μW/cm2)×(UV指數(shù)/標準太陽高度角下的紫外線總量)×太陽高度角修正系數(shù) 公式(22)從而，可以基于根據(jù)有關觀測點的位置信息(緯度信息和經度信息)及日期和時間信息獲得的標準強度比和太陽高度角修正系數(shù)，根據(jù)太陽紫外線輻射的實際測量值(紫外線總量)來計算出紅斑紫外線量?？砂赐瑯拥姆绞将@得UV指數(shù)。
當確定太陽高度角修正系數(shù)P(α1)時，可以考慮臭氧濃度信息。換句話說，可以根據(jù)臭氧濃度的變化來修正太陽高度角修正系數(shù)P(α1)。該修正可以通過修正吸收系數(shù)來進行。
如果標準強度比是在臭氧濃度Oz1下測量的，并且觀測是在臭氧濃度Oz2下進行的，那么可以根據(jù)以下修正系數(shù)來修正透射率-exp(-標準吸收系數(shù)×Oz2/Oz1×臭氧層內的光程長度)。這是因為可將吸收表示為“吸收系數(shù)×濃度”。國家航空航天局(NASA)提供每日臭氧濃度數(shù)據(jù)，其是由人造衛(wèi)星(TOMS全臭氧測繪系統(tǒng))測量到的。NASA提供的數(shù)據(jù)可用于本發(fā)明?？蓪⒚咳諟y量值，或者幾個月或六個月內的平均值(考慮了季節(jié)變化)用作臭氧濃度數(shù)據(jù)。
下面，對有關基于所獲得的紫外線強度預測任意時間點的紫外線信息的具體細節(jié)進行闡述。所述預測方法包括根據(jù)時間點的太陽高度角信息來對測量到的紫外線強度進行轉換。所獲得的紫外線強度可以是由上述轉換、修正或修改獲得的特定紫外線強度。另選地，所獲得的紫外線強度也可以是按其他方法獲得的。
首先，建立太陽高度角(仰角)與天氣晴朗和大氣清潔的條件下的紫外線強度之間的幾乎線性的關系(例如，S.Yagi，PhotoMed.Photobiol.Vol 25 p55(2003))?；谠撽P系，無論在什么季節(jié)，都可以根據(jù)由緯度、經度、以及日期和時間確定的太陽高度角來預測晴天的紫外線強度。上述預測是在晴天的條件下進行的。對于在除晴天以外的某種天氣下的預測，可以按下述方式來進行所述預測。由實際測量確定天氣系數(shù)。具體來說，通過將在一太陽高度角下在某種天氣下測量到的強度除以基于以上關系針對所述太陽高度角預測的強度，來獲得所述天氣系數(shù)?？梢酝ㄟ^基于以上關系預測任意時間點處的紫外線強度并將所預測的紫外線強度乘以所述天氣系數(shù)，來預測在所述任意時間點處的所述天氣條件下的紫外線強度。
利用以上方法，也可以根據(jù)在一時間點獲得的紫外線強度(紅斑紫外線強度)來預測任意時間段內的紅斑紫外線量和UV指數(shù)。
下面，具體闡述一個示例。在該示例中，根據(jù)實際測量值獲得了紅斑紫外線強度，然后基于所獲得的紅斑紫外線強度獲得紅斑紫外線量E，以獲得UV指數(shù)。
這里，利用一紫外線測量設備來測量太陽紫外線輻射，從而根據(jù)實際測量獲得UV0，其中所述紫外線測量設備利用了一包括有多晶氮化鎵半導體的紫外線傳感器(安裝在富士施樂有限公司制造的UVCAREMATE上的紫外線傳感器)。該紫外線測量設備被調節(jié)成使得實際測量值等于從一標準光源發(fā)出的290nm到400nm的紫外線的總量。在此情況下，所述設備的靈敏度范圍為280nm到410nm。但是，也可以使用靈敏度范圍為例如330nm到400nm的設備來測量290nm到400nm的波長范圍內的紫外線強度。
為了根據(jù)實際測量值獲得UVB，首先獲得UVB的量。
下面，利用了由電子技術綜合研究所(Electrotechnical Laboratory)(現(xiàn)在的獨立行政法人產業(yè)技術綜合研究所(National Institute ofAdvanced Industrial Science and Technology))在日本東京田無市測量的地平線數(shù)據(jù)，并采用77°太陽高度角(仰角)下的光譜測量值作為標準太陽光紫外射線。
近似地，在夏至(77°，1979年6月23日)290nm到320nm范圍內的UVB由以下公式(23)表示Ib(77)/I(77)＝0.0132＝(Ib0/I0)exp(-kb(λb)x(77)) 公式(23)這樣，在77°太陽高度角的UVB與紫外線總量的標準比(標準強度比)為0.0132。
為了根據(jù)實際測量值獲得UV指數(shù)，根據(jù)太陽高度角信息對紅斑紫外線量E進行修正。這里，用于標準強度比(紅斑紫外線強度/全部UV)的太陽高度角修正系數(shù)是根據(jù)所述太陽高度角下的大氣透射系數(shù)和光程長度獲得的。
下面，利用了由電工實驗室在日本東京田無市測量的地平線數(shù)據(jù)。將290nm到400nm的全部范圍內的輻照度用作所述UV強度。
在夏至(77°，1979年6月23日)左右，滿足以下公式Ib(77)/I(77)＝0.0050＝(Ib0/I0)exp(-kb(λb)x(77)) 公式(24)由此，在77°太陽高度角下與紫外線總量相比的標準紅斑紫外線比(標準強度比)是0.005。
在冬至(31°，1979年12月22日)左右，滿足以下公式(22′)Ib(31)/I(31)＝0.0023＝(Ib0/I0)exp(-kb(λb)x(31)) 公式(22′)因此，臭氧層內的紅斑紫外線范圍的平均吸收系數(shù)kb(λb)由以下公式(25)給出-kb(λb)＝ln(0.0050/0.0023)/(x(77)-x(31))＝-0.0434/km 公式(25)此外，Ib0/I0由以下公式(26)給出
Ib0/I0＝0.0050/exp(-kb(λb)x(77))＝0.0122 公式(26)結果，任意太陽高度角θ0下的紅斑紫外線與UV之間的比值C可由以下公式(27)表示為傳播距離x(θ0)的函數(shù)C＝Ib(θ0)/I(θ0)＝(0.0122)exp(-0.0434×x(θ0))公式(27)UVB與全部UV之間的比值可由類似方法獲得。
然后，計算出根據(jù)太陽高度角的臭氧層中的光程長度，以獲得紅斑紫外線與UV之間的比值的太陽高度角依賴性。計算中采用了下列值地球半徑r0為6400km，臭氧層的上限高度r2為40km，臭氧層的下限高度r1為20km。θ0表示太陽高度角(仰角)。作為所述標準比，使用的是紅斑紫外線量與根據(jù)上述標準太陽輻射光譜的積分紫外線強度獲得的紫外線總量之間的比值(根據(jù)在日本東京田無市的地平線數(shù)據(jù)的77°中天高度角)。例如在30°太陽高度角下的光程長度是40km。由此，太陽高度角修正系數(shù)C是0.44。此外，在50°太陽高度角下，與臭氧層內的光程長度為26km相對應，太陽高度角修正系數(shù)C是0.78。
由此，例如，在同一觀測日在30°太陽高度角下的紅斑紫外線強度由以下公式(18′)獲得紅斑紫外線強度(30°)＝實際測量值UV0(30°)×0.005×0.44公式(18′)因此，紅斑紫外線強度可由以下公式表示紅斑紫外線量(mJ/cm2)＝實際測量值UV0(30°)(μW/cm2)×1/1000×0.005×3600s×0.44 公式(28)由于UV指數(shù)是紅斑紫外線量的十分之一，所以如果實際測量值UV0(α1)為例如5000μW/cm2，那么在太陽高度角為78°(＝α1)的情況下UV指數(shù)是9，而在太陽高度角為30°的情況下UV指數(shù)是4。因此，如果給定了位置以及日期和時間，則可以根據(jù)測量到的UV值獲得紅斑紫外線量和UV指數(shù)。
公式(18′)和公式(28)可被視為表示了一轉換系數(shù)。因此，本實施例也可被視為利用轉換系數(shù)的紫外線測量方法的實施例。
不考慮天氣的話，由所述公式表示的這些關系的誤差范圍在±20％之內。此外，按照上述方法，可以根據(jù)紫外線總量的實際測量值來獨立獲得UVB和UVA?？砂磁c在紅斑紫外線的情況下相同的方法來獲得UVB。具體來說，基于對標準太陽高度角下的UVB與UV總量之比與另一太陽高度角下的UVB與UV總量之比進行比較，獲得了大氣傳播系數(shù)。可以通過以下關系來計算UVAUVA＝實際測量到的UV量-UVB接下來，描述這樣一個示例，其中根據(jù)通過利用任意時間點的太陽高度角信息進行修正獲得的紅斑紫外線強度，獲得了所述任意時間點處的紅斑紫外線強度。
作為示例，假定在夏季的晴天，在30°的太陽高度角下的紫外線強度的測量值為2500μW/cm2，并且在該時間處的估算紫外線強度為3000μW/cm2，則天氣系數(shù)可以是2500/3000。還假定在所述太陽高度角下，經太陽高度角修正后的紅斑紫外線強度為5μW/cm2。如果在60°的太陽高度角下幾小時后的估算強度為6000μW/cm2，并且基于該估算強度所預測的該時間處的紅斑紫外線強度為24μW/cm2，則將所估算的紅斑紫外線強度24μW/cm2乘以天氣系數(shù)(2500/3000)，以獲得在同一天在60°的太陽高度角下的預測紅斑紫外線強度(20μW/cm2)。此外，可以根據(jù)天氣預報來獲得近似的天氣系數(shù)。
而且，可以通過在任意時間段上對所獲得的紅斑紫外線強度進行積分，來獲得該時間段內的積分紅斑紫外線強度。
此外，基于如上所述獲得的紅斑紫外線量和積分紅斑紫外線強度，可以對提供針對UV的合適防護的紫外線防護劑(防曬化妝品)的種類提出建議。例如，基于最小紅斑紫外線量(Minimum Erythema Dose(MED))可計算出皮膚因UV而變紅所需的時間，從而可以確定適于所需UV防護級別的紫外線防護劑的陽光防護系數(shù)(Sun Protection Factor)(SPF值)或UVA防護等級(PA)。由此，例如，基于根據(jù)當天的日程安排所獲得到的紫外線信息，在離家前，可以選用合適的紫外線防護劑。這樣，就實現(xiàn)了高效的UV防護。
這里，SPF值和PA值是例如按以下方式根據(jù)紅斑紫外線強度和積分紅斑紫外線強度獲得的。
SPF值表示紅斑紫外線防護的級別。首先，按照上述方式獲得在日程安排時段內積分的紅斑紫外線強度。然后可以確定將紅斑紫外線紫外線量減少到不高于本人的最小紅斑紫外線量(MED剛好足以使皮膚變紅的紫外線量)的防曬劑。例如，若日程安排戶外時段是4小時，并且在該日程安排時段內的紅斑紫外線量為400mJ/cm2(假定UV指數(shù)10保持了4個小時)，而且本人(其皮膚容易被曬紅)的MED為10mJ/cm2，則可選用SPF40。這是因為所述防護必須按1/40的比率來使紅斑紫外線發(fā)生衰減。
類似地，對于PA，按三個級別來表示對指定時段內的UVA強度的所需防護。若認為7500μW/cm2的UVA強度是最高級10，則PA+級對應于表示UVA強度為1000μW/cm2到2500μW/cm2的2到3級，PA++級對應于表示UVA強度為2500W/cm2到5500μW/cm2的4到7級，而PA+++級對應于表示UVA強度為5500μW/cm2或更大的8級或更高級。通過從全部紫外線強度減去UVB強度獲得UVA的預測值，其中，按照與紅斑紫外線量的情況下相同的方式，根據(jù)UVB與全部紫外線之間的標準強度比以及太陽高度角修正系數(shù)，獲得UVB強度。作為更簡單的方法，可將紫外線總量用作UVA量。例如，當預測UVA強度為4000μW/cm2時，建議使用PA++級的防曬劑。
下面，參照附圖對根據(jù)本發(fā)明實施例的紫外線測量設備進行更詳細的說明。圖中，使用相同的標號來表示在多于一個圖中所示的具有基本上相似的功能的部件。有時，略去對與已說明部件具有相同標號的相同部件的說明。
圖2是示出根據(jù)本發(fā)明實施例的紫外線測量設備的結構的示意結構圖。
根據(jù)本實施例的紫外線測量設備10包括液晶顯示器16(顯示裝置)，其顯示各種信息；紫外光敏元件18，其按紫外線物理量的形式來檢測紫外線信息；操作面板20(操作裝置例如，電源開關、模式改變切換器以及置位開關)，由紫外線測量設備10的用戶將各種信息輸入其中；以及輸入-輸出終端22，通過它輸出表示由紫外線測量設備10所測量到的紫外線強度的紫外線信息，并通過其從信息終端(未示出)輸入各種信息。
紫外光敏元件18可以是通過將一去可見光(visible-ray-cut)濾光器接合到一具有可見光范圍內的靈敏度的光電二極管(如包含具有可見光范圍內的靈敏度的GaP或Si的光電二極管)來制成的紫外光敏元件。另選地，紫外光敏元件18可以是包含諸如二氧化鈦或氧化鋅的氧化物半導體的紫外光敏元件。特別地，紫外光敏元件18尤其優(yōu)選地可以是包含基于氮化物的化合物半導體的紫外光敏元件，其具有快速光學響應、通過改變其成分而獲得的吸收范圍可調性，以及從尺寸、顏色等方面而言的優(yōu)異設計特性。這樣一種紫外光敏元件不需要占用顯示部分中的很大空間，并且該元件可以是緊湊且很薄的。
在本實施例中，待檢測的紫外線輻射中的散射太陽紫外線的一部分是顯著的。然而，紫外光敏元件18的入射角特性優(yōu)選地滿足蘭伯特余弦定律(Lamber’s cosine law)。散射系數(shù)按照瑞利定律(law of Rayleigh)來表示。換句話說，散射系數(shù)由以下公式來表示散射系數(shù)＝常數(shù)/(波長)4。在晴天，針對300nm的波長的散射系數(shù)是針對340nm的波長的散射系數(shù)的1.7倍。針對這些波長的散射系數(shù)是針對500nm的波長的散射系數(shù)的5到8倍。因此，在短波長紫外線的情況下，散射效應顯著。此外，所示的圖是被修正以表示分光太陽輻射光譜的積分紫外線量的圖。
在本實施例中，使用由精工-愛普生公司制造的商標名為SEK1054B的顯示模塊作為液晶顯示器16。該顯示模塊是點陣型液晶顯示模塊，并具有96×32個點的顯示面，其上可以顯示諸如字符和曲線圖的任意信息。例如，在測量后，可以在該顯示器上顯示一簡單的曲線圖，并且，可以在不將所述數(shù)據(jù)輸出到外部輸入-輸出設備(未示出)的情況下對輻照度分布等進行顯示，使得可以直觀地了解該分布等。作為顯示器16，不僅可以使用上述顯示器，而且也可以使用所有其他顯示器，如其他類型的液晶顯示器、有機電致發(fā)光(EL)顯示器、等離子顯示器以及CRT顯示器。
紫外線測量設備10包括一內部電路32。該內部電路32包括中央處理單元(CPU)34(CPU修正裝置)，其對紫外線測量設備10的所有操作進行控制；存儲器38(存儲裝置)，其存儲各種信息；模/數(shù)轉換器40(以下稱作“A/D轉換器”)，其將輸入的模擬信號轉換為用于輸出的數(shù)字信號；放大器電路42，其對輸入的模擬信號進行放大；可充電電池44，其將驅動電力提供給內部電路32中的各部分；以及電源控制電路46，當對電池44進行充電時，對提供給可充電電池44的電流的電壓等進行控制。在圖2中，為簡化圖起見，未示出表示從可充電電池44到電路32中的各部分的電源線的連接線。
內部電路32包括用于獲取位置信息的全球定位系統(tǒng)(GPS)接收器24和用于提供有關日期和時間的信息的日歷/時鐘36，作為太陽高度角信息獲取單元。
GPS接收器24連接到CPU 34。GPS接收器24包括天線(未示出)，其接收來自繞地球軌道飛行的多個衛(wèi)星(通常為4個衛(wèi)星)的電波。電波穿過衛(wèi)星與天線之間的距離所需的時間被用于計算該衛(wèi)星與天線之間的距離。這樣，確定了天線與每個衛(wèi)星之間的距離，以獲得位置信息(在本實施例中，其是緯度和經度的一維信息)。由此，CPU 34可以獲得任何時間的位置信息。
提供日期和時間信息的日歷/時鐘36連接到CPU 34。無論何時，CPU34都可以從日歷/時鐘36獲取日期和時間信息(月、日以及時間)。日歷/時鐘36可包括在CPU 34中，并且所述時間信息可通過使用軟件來獲取。
此外，存儲器38連接到CPU 34，CPU 34可在存儲器38中存儲和讀取各種信息。而且，液晶顯示器16連接到CPU 34，CPU 34可以指示顯示器16顯示各種信息。操作面板20中的各開關也連接到CPU 34，CPU34可以在任何時間檢測這些開關是否被用戶按下。
紫外光敏元件18的傳感器輸出端子經由放大器電路42連接到A/D轉換器40的輸入端子。轉換器40的輸出端子連接到CPU 34。
此外，數(shù)據(jù)輸入-輸出端子22連接到CPU 34，其中，CPU 34可通過該數(shù)據(jù)輸入-輸出端子22輸入和輸出各種信息。這里，數(shù)據(jù)輸入-輸出端子22不僅連接到CPU 34，而且直接連接到存儲器38。這樣，紫外線測量設備10具有這樣的配置，即，其中可以通過數(shù)據(jù)輸入-輸出端子22從外部直接將各種信息寫入存儲器38中，并且可以直接從存儲器38獲取信息。此外，數(shù)據(jù)輸入-輸出端子22還經由電源控制電路46連接到可充電電池44。在紫外線測量設備10中，電源控制電路46對電壓等進行控制，并且電路46根據(jù)來自數(shù)據(jù)輸入-輸出端子22的信號對可充電電池44進行充電。
在紫外線測量設備10中，要求CPU 34在任何時間都能穩(wěn)定地進行操作。因此，在本實施例中，為了利用可充電電池44來驅動CPU 34，CPU 34必須能夠以低功耗來進行操作，并且必須具有足夠的處理性能。根據(jù)所述必要性，使用由日立半導體公司制造的商標名為“H8/3827R”的CPU作為本實施例中的CPU 34。H8/3827R具有內嵌的計算程序、用于主存儲的內嵌易失性存儲器以及內嵌模/數(shù)轉換器電路(對應于圖2中的A/D轉換器40)。這樣，可以減少組件數(shù)以實現(xiàn)低成本和小尺寸的設備。
此外，例如，存儲器38可以是由美國的微芯技術有限公司(MicrochipTechnology Inc.，US)制造的商標名為“24LC256”的存儲元件。該存儲元件具有大容量，而且緊湊，使得可以減小紫外線測量設備10的尺寸。
下面對紫外線測量設備10中的存儲器38的存儲內容進行說明。
存儲器38包括頭部，其存儲測量數(shù)據(jù)(紫外線強度)的各種信息；測量數(shù)據(jù)部，其存儲實際測量數(shù)據(jù)；程序數(shù)據(jù)部，其存儲計算程序；以及設置值部，其存儲各種設置值。所述程序數(shù)據(jù)部和設置值部存儲基于上述公式對實際測量值進行修正的各種計算程序和各種設置值。所述設置值的示例包括太陽高度角信息、太陽高度角修正系數(shù)、標準太陽紫外線強度、UV指數(shù)、當?shù)爻粞鯘舛刃畔⒁约芭cPFA值和PA值相對應的各種紫外線防護劑。所述程序的示例包括用以獲得特定紫外線波長范圍內的紫外線強度(例如，紅斑紫外線強度)的程序；用以獲得紅斑紫外線量的程序；以及用以獲得UV指數(shù)的程序。這些程序中所用的公式的示例包括公式(17)、(18)、(20)以及(22)。
在本實施例中，為了防止測量數(shù)據(jù)泄漏到外部，將測量數(shù)據(jù)在根據(jù)預定編碼方法進行編碼后再存儲在測量數(shù)據(jù)部中。將指示上述編碼方法的信息等存儲在上述頭部中。編碼方法不限于特定的方法，而是可以恰當?shù)剡x擇各種編碼技術作為該方法。
接下來，以下參照圖3和4對紫外線測量設備10中的紫外線測量步驟的操作進行說明。這里，圖3是示出在CPU 34中執(zhí)行的紫外線測量步驟的操作的流程圖。即，修正單元、計算單元以及確定單元與CPU 34相對應。
下面，作為示例，說明包括以下步驟的紫外線測量過程根據(jù)實際測量值確定紅斑紫外線強度，以及根據(jù)紅斑紫外線強度獲得紅斑紫外線量和UV指數(shù)。然而，特定波長范圍的紫外線強度不限于紅斑紫外線強度，而可以是例如UVB范圍內的紫外線強度。
在圖3中的步驟100，利用紫外光敏元件18來測量紫外線，以獲取實際測量的紫外線量(測量UV值)，并將所獲取的信息(實際測量值)存儲在存儲器38中的數(shù)據(jù)部的未占用存儲區(qū)中。然后，過程進行到步驟102。
在步驟102，從GPS接收器24獲取位置信息(緯度信息)；從日歷/時鐘36獲取日期和時間信息(月、日以及時間)；從存儲器38取出在步驟100獲取的信息(實際測量值UV0)和待用于確定紅斑紫外線強度的設置值；根據(jù)標準強度比和針對紅斑紫外線強度的太陽高度角修正系數(shù)來修正實際測量值；以及將所獲取的信息存儲在存儲器38中的測量數(shù)據(jù)部的未占用存儲區(qū)中。然后，過程進行到步驟104。
在步驟104，從存儲器38取出在步驟102中獲取的信息(紅斑紫外線強度)和待用于根據(jù)在步驟102中獲取的信息來獲得紅斑紫外線量和UV指數(shù)的設置值；獲得紅斑紫外線量和UV指數(shù)；以及將所獲取的信息存儲在存儲器38中的測量數(shù)據(jù)部的未占用存儲區(qū)中。然后，過程完成。
此外，在圖4中的步驟200處，從存儲器38取出在上述步驟102中獲得的紅斑紫外線強度。然后，過程進行到步驟202。
在步驟202，從存儲器38取出已被存入存儲器38中并要被用于獲得任意時間點處的紅斑紫外線強度的設置值(用于任意時間點的太陽高度角信息)；根據(jù)用于任意時間點的太陽高度角信息修正所獲取的紅斑紫外線強度；獲得紅斑紫外線強度；以及將所獲取的信息存儲在存儲器38中的測量數(shù)據(jù)部的未占用存儲區(qū)中。然后，過程進行到步驟204。
在步驟204，從存儲器38取出在步驟202中獲取的信息(任意時間點的紅斑紫外線強度)和要被用于根據(jù)在步驟202中獲取的信息來獲得紅斑紫外線量和UV指數(shù)的設置值；獲得紅斑紫外線量和UV指數(shù)；以及將所獲取的信息存儲在存儲器38中的測量數(shù)據(jù)部的未占用存儲區(qū)中。然后，過程完成。
此外，盡管圖中未示出，但是可以采用以下構成根據(jù)紅斑紫外線量和積分紅斑紫外線強度獲得PFA(UVA防護系數(shù))值和PA值；以及對所獲得的值與已存儲在存儲器38中的紫外線防護劑的PFA值和PA值進行比較，以確定所需的紫外線防護劑。
將存儲在存儲器38中的信息和所獲取的信息顯示在液晶板顯示器16上。
以上說明的紫外線測量設備10中的紫外線測量過程是根據(jù)本發(fā)明的紫外線測量方法來進行的。
本實施例也適用于使用所述轉換系數(shù)的方法和設備。在該情況下，將所述轉換中要用的轉換公式和設置值存儲在存儲器38中，并且在步驟102中使用所述轉換系數(shù)。
可以將根據(jù)本實施例的紫外線測量設備10與便攜式設備(如時鐘、移動電話、便攜式電子郵件裝置、便攜式導航器或便攜式計算機)集成起來。
在該具體實施例中，紫外光敏元件18的輸出可以是在電極之間流動的光伏電流(photovoltaic current)，或是通過施加電壓而獲得到的光電流。但是，優(yōu)選地，紫外光敏元件18是光電動電流(photoelectromotive current)型的，這是因為所述便攜式設備的電力不會被消耗。
此外，在本實施例中的紫外線測量設備10中，紫外光敏元件18可以置于所述便攜式設備的顯示元件上設置的窗口材料的背面，或者置于該窗口材料與顯示元件表面之間。而且，紫外光敏元件18可以置于顯示元件的表面上，或者置于帶有獨立入射窗口的位置上。
在根據(jù)本實施例的紫外線測量設備10中，位置信息是利用GPS接收器24來獲取的。但是，該獲取方法并不限于以上配置。例如，也可采用以下配置在測量前，將任意位置的位置信息存儲在存儲器38中，然后根據(jù)用戶的指定來取出所需的位置信息項。該配置的另一示例在獲取位置信息的過程中使用了PHS(個人手持電話系統(tǒng))。
應當注意，上述實施例不應被視為將本發(fā)明限于這些實施例。因此，可以做出各種變型和修改，只要滿足本發(fā)明的要求即可。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種紫外線測量方法和一種紫外線測量設備，通過它們，可以按容易和簡單的方式根據(jù)由具有特定光譜靈敏度的紫外光敏元件所測量到的實際測量值來在任何時間獲得特定的紫外線信息，并且通過它們可以在同一時間測量紫外線的總量。
此外，提供了一種紫外線測量方法和一種紫外線測量設備，通過它們可以預測任意時間點的紫外線信息。
權利要求
1.一種使用紫外光敏元件的紫外線測量方法，包括以下步驟利用所述紫外光敏元件在一太陽高度角下測量紫外線強度；以及通過使用與所述太陽高度角相對應的轉換系數(shù)來將所測量到的強度轉換為特定紫外線波長范圍內的積分紫外線強度或響應指數(shù)，由此來確定所述特定紫外線波長范圍內的積分紫外線強度或所述響應指數(shù)，其中所述轉換系數(shù)是至少太陽高度角的函數(shù)。
2.一種使用具有針對特定范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件的紫外線測量方法，包括以下步驟基于標準強度比和針對所述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)對利用所述紫外光敏元件所測量到的太陽紫外線強度的實際測量值進行修正，以獲得第二紫外線波長范圍內的紫外線強度或與特定響應曲線相關的紫外線強度，其中，所述標準強度比是第一紫外線波長范圍內的標準分光太陽輻射光譜的第一積分紫外線強度與第二紫外線波長范圍內的標準分光太陽輻射光譜的第二積分紫外線強度之間的比值，或者該第一積分紫外線強度與根據(jù)所述標準分光太陽輻射和一特定響應曲線獲得的標準分光太陽輻射光譜的第三積分紫外線強度之間的比值。
3.如權利要求2所述的紫外線測量方法，其中，針對所述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)是至少基于太陽光在地球大氣內的光程長度來確定的。
4.如權利要求2所述的紫外線測量方法，其中，針對所述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)是至少基于臭氧層濃度信息來確定的。
5.如權利要求2所述的紫外線測量方法，其中，所述響應曲線是紅斑曲線。
6.一種包括紫外光敏元件和轉換裝置的紫外線測量設備，其中，所述轉換裝置通過利用太陽高度角的信息將在所述太陽高度角下由所述紫外光敏元件所測量到的值轉換為特定波長范圍內的積分紫外線強度或者響應指數(shù)。
7.一種紫外線測量設備，包括具有針對特定波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件；存儲標準強度比的存儲單元，所述標準強度比是第一紫外線波長范圍內的標準分光太陽輻射光譜的第一積分紫外線強度與第二紫外線波長范圍內的標準分光太陽輻射光譜的第二積分紫外線強度之間的比值，或者該第一積分紫外線強度與根據(jù)所述標準分光太陽輻射光譜和一特定響應曲線獲得的第三積分紫外線強度之間的比值；以及修正單元，基于所述標準強度比和針對所述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)對利用所述紫外光敏元件所測量到的太陽紫外線強度的實際測量值進行修正，以獲得第二紫外線波長范圍內的紫外線強度或與所述響應曲線相關的紫外線強度。
8.如權利要求7所述的紫外線測量設備，還包括太陽高度角信息獲取單元，獲取用于確定針對所述標準強度比的太陽高度角修正系數(shù)的太陽高度角信息。
9.如權利要求8所述的紫外線測量設備，其中，緯度信息和/或經度信息以及日期和時間信息被獲取作為所述太陽高度角信息。
10.如權利要求7所述的紫外線測量設備，其中，所述響應曲線是紅斑曲線。
11.一種使用具有針對特定波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件的紫外線測量方法，包括以下步驟利用所述紫外光敏元件測量紫外線強度；以及根據(jù)任意時間點的太陽高度角信息修正所測量到的紫外線強度，以預測所述時間點處的紫外線強度。
12.如權利要求11所述的紫外線測量方法，還包括以下步驟在指定的時間段上對所預測的紫外線強度進行積分，以預測積分紫外線強度。
13.如權利要求12所述的紫外線測量方法，其中，基于所預測的積分紫外線強度來確定一種紫外線防護劑。
14.一種紫外線測量設備，包括具有針對特定波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件；存儲任意時間點的太陽高度角信息的存儲單元；以及修正單元，根據(jù)任意時間點的太陽高度角信息修正實際測量到的紫外線強度，以預測所述時間點處的紫外線強度。
15.如權利要求14所述的紫外線測量設備，還包括計算在指定時間段上的積分紫外線強度的計算單元。
16.如權利要求15所述的紫外線測量設備，還包括確定單元，其基于所預測的積分紫外線強度來確定紫外線防護劑的種類。
全文摘要
紫外線輻射測量方法及紫外線測量設備。一種使用紫外光敏元件的紫外線測量方法包括利用紫外光敏元件在一太陽高度角下測量紫外線強度；以及通過使用與太陽高度角對應的轉換系數(shù)來將測量到的強度轉換為特定紫外線波長范圍內的積分紫外線強度或響應指數(shù)，由此來確定所述特定紫外線波長范圍內的積分紫外線強度或響應指數(shù)，其中所述轉換系數(shù)是至少太陽高度角的函數(shù)。一種使用具有對特定波長范圍的光譜靈敏度的紫外光敏元件的紫外線測量方法包括利用所述紫外光敏元件測量紫外線強度；以及根據(jù)任意時間點的太陽高度角信息修正測量到的紫外線強度，以預測所述時間點處的紫外線強度。
文檔編號G01J1/42GK1690727SQ20051000160
公開日2005年11月2日 申請日期2005年1月24日 優(yōu)先權日2004年4月23日
發(fā)明者八木茂 申請人:富士施樂株式會社