新生儿黄疸治疗仪用LED光源的研究

为提高胆红素的光降解效应和新生儿黄疸病光疗的效果,设计研制了一种新生儿黄疸治疗仪用发光二极管(LED)光源。以实验测试的体外游离的标准胆红素溶液最有效的吸收光谱作为黄疸治疗仪光源的目标光谱,采用市面上现有的峰值波长和半峰全宽的不同单色LED作为匹配光源,将简单遗传算法作为光谱匹配算法,进行了光源光谱的匹配设计、样灯制作和光谱测试与分析。结果表明:拟合的光谱与目标光谱匹配度达到了97.62%,实际的黄疸治疗仪光源样品的光谱与目标光谱的匹配度达到了93.08%,窄带宽的单色LED能够匹配出所需要的目标光谱,光谱匹配度高,为新生儿黄疸光疗仪用光源的选择提供了研究的基础。     

新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱功率分布匹配

为了有效降低胆红素脑病的风险和减少换血的需要,以实验测试的标准胆红素溶液最有效的吸收光谱作为光疗的目标光谱,根据光谱构造理论,采用不同峰值波长和半高宽的单色LED作为匹配光源,首次提出简单遗传算法作为光谱匹配算法,通过求解超定方程组的非负最小二乘解,得到最优LED组合比例,进而推得所需各种峰值波长的LED的数量。仿真实验结果表明：拟合的光谱曲线与目标光谱曲线十分近似,光谱匹配度达到了98.39%,获得了一种新型的LED黄疸治疗仪光源光谱功率分布。该算法简单,效率高、拟合误差小,可应用基于LED光源的光谱功率分布匹配技术的研究。     

基于光学薄膜的LED光谱调制技术

针对白光LED光谱与自然光谱的不同,讨论了采用光学薄膜改善白光LED光谱的可行性,同时提出了一种利用光学薄膜消除白光LED发光光谱中蓝光成份的方法,设计了光学薄膜的透过率曲线,并分析了其可行性.针对单色LED光谱随温度不同发生变化的特点,根据分析样品在4.9°、24°和49°三种环境温度下的光谱分布,设计了一种光学薄膜的透过率曲线,分析利用该设计薄膜改善单色LED光谱温度稳定性的可行性及结果.研究结果表明,在保证白光LED出光效率的前提下,仅靠在发光芯片上镀制光学薄膜的方式并不能改善光谱的结构,而使之与自然光中的可见光谱相似.采用设计的光学薄膜,可以消除白光LED发光光谱中的蓝光波段,提高光谱的舒适性.在4.9°、24°和49°三种环境温度下,利用设计的薄膜可将分析LED的发光光谱的中心波长稳定在700 nm附近,相对发光强度稳定在0.2附近,不同温度时光谱分布的相似性也有了较大的改善,研究结果有助于LED照明光源的进一步应用.     

面向半导体照明的光学

以发光二极管(LED)为核心的半导体照明光源成为世界公认的第三代照明光源.通常基于蓝光LED抽运黄色荧光粉产生白光的方案,因荧光粉的斯托克斯位移和宽光谱,其具有产业化价值的发光效率上升范围受到极大限制.另外,传统封装LED因其朗伯型发光分布和超高亮度会造成严重的眩光以及光分布难以满足照明应用要求从而导致光污染、光浪费,...     

基于光学薄膜的LED光谱调制技术

针对白光LED光谱与自然光谱的不同,讨论了采用光学薄膜改善白光LED光谱的可行性,同时提出了一种利用光学薄膜消除白光LED发光光谱中蓝光成份的方法,设计了光学薄膜的透过率曲线,并分析了其可行性.针对单色LED光谱随温度不同发生变化的特点,根据分析样品在4.9°、24°和49°三种环境温度下的光谱分布,设计了一种光学薄膜的透过率曲线,分析利用该设计薄膜改善单色LED光谱温度稳定性的可行性及结果.研究结果表明,在保证白光LED出光效率的前提下,仅靠在发光芯片上镀制光学薄膜的方式并不能改善光谱的结构,而使之与自然光中的可见光谱相似.采用设计的光学薄膜,可以消除白光LED发光光谱中的蓝光波段,提高光谱的舒适性.在4.9°、24°和49°三种环境温度下,利用设计的薄膜可将分析LED的发光光谱的中心波长稳定在700 nm附近,相对发光强度稳定在0.2附近,不同温度时光谱分布的相似性也有了较大的改善,研究结果有助于LED照明光源的进一步应用.     

LED组合光谱对水培生菜矿物质吸收的影响

在植物工厂全密闭环境中水培种植大速生生菜,以光谱比例可调节的LED灯板为植物生长光源,应用电感耦合等离子体原子发射光谱技术(ICP-AES),研究了红蓝LED组合光谱下生菜对K,P,Ca,Mg,Na,Fe,Mn,Zn,Cu,B,Mo等11种营养元素的吸收特性。结果表明：(1)与叶绿素生理吸收波峰(峰值450和660 nm)对应的单一或组合光谱均可增强水培生菜根对Na, Fe, Mn, Cu, Mo元素的吸收能力,且单一红光光谱的促进作用最为显著,四种元素含量分别为荧光灯全光谱下的7.8, 4.2, 5.3, 11.0倍;(2)根对K和B元素的吸收量在荧光灯全光谱下达到最大分别为10.309 mg·g-1和32.6 μg·g-1,而在红、蓝单一或组合光谱下吸收能力降低;(3)单一蓝色光谱下根对Ca和Mg元素的吸收受到抑制,分别比荧光灯对照降低35%,33%;(4)生菜在30%蓝光+70%红光的光谱条件下生物量最高,而在20%蓝光+80%红光条件下对Ca, Mg, Na, Fe, Mn, Zn, B七种元素的累积量达到最大值。试验结果为水培生菜光源光谱选择及营养液配方调节提供了理论依据。     

LED光谱对纤细角毛藻和亚心形扁藻生长的影响

选取有着较高经济价值的纤细角毛藻以及亚心形扁藻为实验对象,在光照恒温培养箱中用红、绿、蓝、白LED集成不同光谱成分的光源与传统荧光灯进行对照培养实验。通过对比生长速率表明,与荧光灯光源相比光谱集成LED光源更有效地促进微藻的生长。说明LED集成光源作为微藻生长照明光源有其明显的优势。     

近距离LED光通信直视信道模型研究

利用高斯拟合函数确定了小发散角LED的类高斯发光模式,并根据光辐射特性和发光模式建立了LED直视信道模型.实际测量了服从朗伯、类高斯发光模式的多种多波段LED的接收光功率与信道参数的关系.实验结果表明,接收光功率的实测值与信道直流增益计算的理论值的平均相对误差小于±6%,该结果验证了本文提出的直视信道模型的正确性.     

光谱分布可调光源的LED筛选研究

针对LED光谱分布可调光源对LED寿命以及光谱一致性的要求,对可见光和近红外波段的29种LED分别进行200 h的电流加速老化试验,并提出LED光谱一致性筛选算法。老化试验结果表明:峰值波长为385 nm、400 nm 和420 1 nm 3种LED的辐射通量平均衰减分别为24.8 %、10.7 %和25.6 %,不能用于LED光谱分布可调光源;剩余的26种LED的辐射通量平均衰减量均低于3.5 %,可作为光谱分布可调光源的内部光源。LED光谱一致性筛选算法以LED光谱数据为基础,计算同类LED间的相对光谱偏差,26种LED的相对光谱偏差均小于4.5 %,保证了所筛选出LED的光谱一致性。     

适用于色敏解调的光位移传感器宽带LED

为保证光位移传感器的工作性能,输入光源在500~800 nm波长范围内需具有较高的光谱能量,照明用LED波长在700 nm以上光谱能量陡降,限制了传感器的工作范围.针对照明用LED光谱能量不足的问题,研制出适用于色敏解调光位移传感器的宽带LED光源.首先利用单色仪对光位移传感器色敏元件WS7.56的性能进行了测试,依据色敏解调结果提出了光位移传感器正常工作所需的输入光源的光谱能量阈值.在照明用LED光谱特性基础上,配比掺杂氮氧化物红色荧光粉提升LED红光及近红外光光谱能量,得到了满足输入光源光谱能量阈值的宽带LED.最后,对该宽带LED光位移传感器进行了位移测量实验,实验结果较使用照明用LED光源有明显改善,位移解调线性度良好.本文研制的宽带LED光源体积小、效率高,是光位移传感器较为理想的宽带光源.     

平面LED阵列远场条件研究与实验验证

平面LED(light-emitting diode)阵列远场条件是实现其光度学参数正确测量的前提,为了确定不同平面LED阵列的远场条件,基于点光源发光强度的测量原理建立了面光源光轴上的不同距离下照度与距离平方乘积的函数关系模型,用其表征面光源光轴上光场的分布规律.在此基础上利用照度平方反比定律,以及平面LED阵列远场...     

基于有效集算法的大功率单色LED太阳光谱模拟仿真

利用单色LED实现对AM1.5标准太阳光谱可见光（380~780 nm）波段和标准光源CIE-D65的匹配,提出了通过有效集算法作为目标光谱的匹配算法,将Epitex公司的大功率单色LED的峰值波长和半高全宽数据作为有效集,并建立了一个数据库。将相关指数R²最大作为优化目标,通过MATLAB编程求解超定方程组的最小二乘解求出拟合所需要的单色LED的种类和数量。拟合AM1.5可见光的最佳组合中使用24种单色LED,相关指数R²高达0.850 2,拟合标准光源CIE-D65的最佳组合中使用25种单色LED,相关指数R²高达0.940 5。进行了增加LED和减少LED的优化实验。得出的结果对工程实践中单色LED拟合太阳光谱的研究提供了理论基础。     

TIR透镜优化设计在LED微投影显示系统中的应用

发光二极管（lighting emitting diode,LED）取代传统光源作为投影仪,特别是微投影显示系统的光源是一种趋势。采用由非球面构成的TIR透镜代替锥形光管和CPC集光器,并通过整个系统最终在目标屏上形成的照明效果为依据,对TIR透镜的内部结构尺寸参数进行优化设计,采用经过优化设计的TIR 透镜作为对LED光源所发光束进行收集整形的光学元件,克服了在传统投影显示系统中经常出现的锥形光管或复合抛物面集光器 (compound parabolic concentrator,CPC) 给整个系统所带来的光学体积大的缺点。以单片式LCOS（liquid crystal on silicon）结构为基础,利用RGB LED时序方式进行混色,设计了一套LED微投影显示系统,并通过光线追迹程序对其光学性能进行模拟评估。结果表明：在考虑时序混色方式影响的情况下,整体系统光能效率为2.38%,系统光学体积仅为125cm3,达到了对系统结构简单紧凑的设计要求。     

运用核物理教学实验测量和分析照明光源的辐射

用盖革—谬勒计数器对日光灯、白炽灯、LED等光源进行测量,发现日光灯发射高能光子,它能穿透包封感光胶片的黑纸。用能谱分析仪测量日光灯发射光子能谱显示,日光灯发射峰值能量为83 keV。因辐射对视网膜神经组织伤害较大,长期使用日光灯时要利用射线在空气中衰减很快的特性,应保持眼睛距日光灯50 cm以外。     

LED作为量子效率仪中单色光的可行性研究

随着LED技术的不断进步,已发展出多种波长的大功率LED,不用昂贵的单色仪,而采用各种波长的LED作为单色光来制造量子效率仪;也不需要旋转滤色片轮切换滤色片来避免光栅单色仪中高级次光谱的影响。LED作为单色光,可实现无机械运动、测量速度快、故障率低的优点。多只LED焊接在PCB上形成离散型光源,无法采用常规的椭球面反射镜、透镜或凹面反射镜进行汇聚。采用高反射率反射镜片制备成锥形光导管,将离散型光源发出的光汇聚为一个小光斑,可以很好地解决离散型光源汇聚难的问题,同时实现了高的光利用率。通过测量LED的波峰值、半峰宽和稳定性,并与传统的卤素灯和氙灯为光源的传统量子效率仪进行比较,发现单色光的波峰值与量子效率的测量准确性是正相关的,波峰值越高,测量的准确性越高;半峰宽在5.1~9.5 nm范围内,半峰宽对测量的准确性没有影响。采用LED、卤素灯和氙灯量子效率仪分别测试同一块太阳电池的量子效率,计算相同波段的积分电流,与世界先进的氙灯量子效率仪相比,相对偏差为0.34%,与卤素灯量子效率仪的相当,说明半峰宽在5.1~55.7 nm范围内,测量准确性与半峰宽无明显的相关性;LED的不稳定度为0.4%,介于氙灯和卤素灯之间。从这几个方面来看,LED是可以作为单色光用于量子效率的测试。     

机器学习的IBBCEAS光谱反演波段优化

非相干宽带腔增强吸收光谱技术（IBBCEAS）利用高精密谐振腔增强吸收光程,实现对痕量气体的高灵敏探测。目前,IBBCEAS技术主要采用发光二极管（LED）作为非相干光源。当谐振腔镜片反射率曲线与带宽有限的LED辐射谱不能很好匹配时,光谱反演波段选择不当可能会对被测气体浓度拟合结果产生较大偏差。以定量探测大气NO₂浓度为例,分析了IBBCEAS光谱反演波段对NO₂拟合结果的影响,发现当反演波段宽度窄到一定程度后,NO₂浓度拟合相对误差会迅速增加。为此,提出了一种基于RBF神经网络结合遗传算法的机器学习IBBCEAS光谱反演波段优化方法,以使浓度拟合误差达到最小。在430～480 nm待选波段内,选择各种宽度和中心波长的子波段作为反演波段,分别进行NO₂浓度拟合,以此获得435个样本数据,并将样本数据按照4∶1比例分成学习样本和测试样本,分别用于RBF神经网络学习训练和测试,得到输入参数“反演波段的起始波长与截止波长”与输出参数“浓度拟合相对误差”之间的非线性映射关系。使用遗传算法搜索最优反演波段,将反演波段的起始波长和截止波长组合进行个体编码,随机产生若干个体形成种群。以RBF神经网络的输出（即浓度拟合相对误差）作为个体适应度,经过多代种群进化过程后,获得适应度最优个体,即获得最优反演波段。在种群规模为100个体,种群进化最大代数为100的情况下,当种群进化第61代时,最优个体出现,对应的最优适应度为3.584%,最优反演波段为445.78～479.44 nm。选择相同带宽的其他4个典型反演波段,与最优反演波段下的NO₂拟合结果进行了对比。结果显示,在最优反演波段下,无论是拟合误差、相对拟合误差还是拟合残差标准偏差,均低于其他4个反演波段,光谱拟合质量达到最优。结果表明,利用机器学习来确定IBBCEAS最优反演波段是可行的。     

面向自适应害虫诱捕的LED光源照明系统

设计了基于LED单个窄带光谱光源的害虫诱捕系统,可适应于不同害虫在不同季节环境下的趋光性。结合环境参数检测、诱杀虫量检测、单灯多波段LED调控和网络化分布式布局的系统功能,通过害虫趋光自适应模式选取确定最佳光谱LED光源,引诱最大化害虫量。设计了适应生态农业领域不同植株高度和密度的网络化诱捕系统结构。设计了基于害虫趋光性和趋色性的LED多波段灯具,通过测定365~430 nm波段的LED光源,分析得出单光谱波段稳定性及其多波段效果。