具有曲面反射面的高均匀度LED植物光源

目前植物工厂培养架所使用的LED光源模块光学结构简单,照度均匀度和混色均匀度难以保证,导致农作物的品质参差不齐。为了提高种植物品质,需要优化植物光源的照明效果,设计高均匀度的植物光源。本文针对这一问题提出并研究了一种倒置光源的植物培养架设计方案。将LED灯珠安置在种植面同侧,并结合曲面反射顶面对LED发出的光线进行进一步均匀分配,在植物培养架有限的种植空间内增加光线耦合距离和耦合程度,提高了培养架植物光源的均匀度。经过多次结构优化后,最终获得了一个照度均匀度为91.64%、混色均匀度为89.73%的高均匀度植物照明培养架。然后基于优化得出的植物光源,研究植物生长过程对照明效果的影响后表明植物在生长过程中均可获得良好的照明环境。最后研究了不同形状和不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度和光能利用率的影响。     

适用于植物照明的高均匀度LED面光源设计

针对目前植物照明灯具混光混色均匀度差、难以满足植物工厂高效生产作物产品的问题提出了一种高均匀度的植物面光源的设计方案。利用一种棱锥状的光学元件将LED发出的光线划分为透射、反射和直射3部分,增加了光线的耦合程度,进而提高了出光面上的混光和混色均匀度。进一步采用照度均匀度代替光量子通量密度的均匀度并且联同混色均匀度作为考察指标,利用Taguchi方法设计并进行实验,研究不同因子对光源均匀度的影响,得出实验结果后进行优化,最终获得了一个照度均匀度为92.13%、混色均匀度为89.72%的植物照明面光源。     

基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计,采用暗视场照明方式,在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度,以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素,LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明,当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时,照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统,实验结果达到项目要求,并与软件模拟结果相匹配。     

高均匀度LED植物光源的设计

针对现有植物灯均匀度差的问题,通过在R（红）、G（绿）、B（蓝）三色LED芯片上加装导光管和光纤透镜,实现了高均匀度的出光效果,通过调节导光管和光纤的尺寸获得了达90%的混色、光谱以及光量子通量密度（PPFD）的均匀性。进一步对光源的热学性能进行表征发现光纤透镜的增加有利于减少光源正面的热量,并且基于光量子学照明参数对该灯的均匀度进行评价,并进一步提出有效光能利用率来更加科学的表征光源性能。结果表明,混色均匀性与PPFD均匀性可达90%,有效光能利用率可达到43%。进一步将该灯用于鲜切玫瑰花保鲜,并通过脉冲宽度调制技术（PWM）实现了光谱的动态可调,通过对玫瑰花鲜重日失重率以及抗氧化物质如黄酮素等物质含量变化的测量,探究鲜切玫瑰花保鲜的最佳光照条件。实验结果表明,最有利于鲜切玫瑰保鲜的光质条件和光照周期为R+G、6 h/24 h。     

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

提出一种无需特殊封装结构光源,采用封装类型为表面贴装型,或板上芯片封装型的普通照明用发光二极管光源的照明子系统.为了使新照明系统在切换具有不同光色普通照明用发光二极管光源时使用同一个匀光系统(可保证被照面照度均匀度),根据非成像理论中的边缘光线原理,使用同步多曲面法设计了通用型匀光光学系统。该系统可以在保持光学系统固定的前提下进行多种照明光源的替换,无需经过匀光设计的特殊结构光源,保证了目标面照度均匀度,并扩展了照明子系统的光色范围.多组蒙特卡罗光线追击仿真对比表明,新系统所使用光源只要满足透镜设计针对光源尺寸的需求,满足尺寸要求的普通照明用光源即可集成入系统使用,不会因为被照面照度不均匀导致的辨别度下降,因而适用于对能量利用率要求不太高,但对目标面照度均与度有较高要求的机器视觉照明系统.     

用于扩展光源均匀照明的自由曲面反馈设计

为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点,基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型,在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构;讨论了光线传输方向经过轴线时该初始结构在应用于扩展光源均匀照明系统时的不足.提出以初始仿真结果中目标面上的照度分布作为反馈,通过重构目标面划分来实现曲面二次优化设计的方法,并利用TracePro进行了光线追迹仿真实验.模拟计算了500万条光线、直径3cm的扩展光源在距离30m、直径10m的照明区域内的照度分布,发现优化前后目标面上照度均匀度从60%提高到90%以上,证明了该反馈算法能够有效提高目标面上照度均匀性,对提高实际光学系统的照明效果具有一定的指导意义.     

基于菌落挑选仪的背光源优化设计

高通量菌落优选仪是一款集菌落分析、菌落挑选于一体的仪器,其中的照明光源尤为重要,需要进行设计与优化。LED阵列中灯的数量和混光距离是两个重要的影响背光源光照均匀度的因素,按一定的步长改变灯的数量和混光距离进行模拟和分析。模拟结果表明,当灯珠数量为24×24只,混光距离为12mm时,光照均匀度为95.47%。用所设计的背光源为对象,搭建了相关实验系统,实验结果达到了项目要求标准。     

高均匀度超薄直下式LED平板灯混光元件的设计与研究

为了设计更好的LED平板灯光学结构,解决现存的直下式LED平板灯厚度大,光源密度大的缺点,提出了两种兼具反射、投射作用的混光元件结构:椎台结构和半球型结构,并将其应用于超薄直下式LED平板灯的设计,以增加光线的耦合距离来提高出光均匀度.借助Tracepro软件研究两种不同结构混光元件应用于LED平板灯时的出光均匀度和光效率,运用Taguchi方法设计实验进行研究.结果表明,带有棱锥型结构元件的灯具均匀度达到95.42%,光效率达到92.72%,而带半球型结构元件灯具均匀度达到97.67%,光效率达到92.65%,其均匀度高于棱锥结构的原因是棱锥形状混光元件反射面的定向反射导致光线方向过于集中.     

基于自由曲面阵列的激光投影显示照明系统设计

纯激光光源的投影产品是显示技术发展的未来趋势之一。为了使用多个激光二极管作为光源实现大功率的均匀照明,设计了一种激光照明系统,在基于自由曲面阵列的匀光系统前增加两个透镜和圆形光棒以进一步提高目标面均匀度。激光阵列经准直后会聚到圆棒中传输,再经过透镜准直出射,通过自由曲面阵列后经场镜会聚到目标面上,形成均匀的照明区域。借助软件仿真模拟后发现:引入圆棒混光后,目标面均匀度从77.59%提高到90.99%。此外,还对自由曲面阵列单元的形状进行了研究,结果表明,相比于正方形的结构单元,选取与目标面长宽比一致的自由曲面单元可以得到更好的均匀度。     

基于近场侧面均匀照明的LED投射器研究

在LED双面平板照明灯具中,为实现侧入式近场均匀照明,研究了一种LED柱面透镜阵列自由曲面投射器。根据非成像光学理论中的边缘光线原理,采用直接法和重叠法设计投射器的表面形状,利用反射旋转面和折射旋转面以及柱面透镜阵列将LED光源发出的朗伯光重新分配。建立侧面近场均匀照明的柱面透镜阵列自由曲面投射器模型,用TracePro软件对所设计的模型进行光线追迹仿真,结果表明,当不考虑反射损耗时投射器的出光效率达到96.03%,在投射器侧面的面板上面积为240mm×360mm的照度均匀度达到95.6%。     

LED阵列型植物光源的均匀性研究

基于现有的LED植物光源在植物培育中光照不均匀的问题,对目前的植物工厂中使用较为广泛的红、蓝LED阵列型光源进行优化设计。通过对比四种不同的LED阵列排布方式,采用9点法进行PPFD值的测量和光谱的测量,进一步观察平面上光量子通量密度的均匀性和光谱分布的均匀性,进而寻求效果较好的LED阵列排布方式。结果表明:红蓝LED芯片交差分布和阵列行列交错分布的排列方式有利于提高光源阵列光谱的均一性。     

光电成像检测系统像面照度均匀性分析

非均匀发光光源、大视场角等因素会造成光学成像检测系统像面照度分布不均匀,进而导致检测效率下降。研究非均匀发光光源和大视场角对像面照度均匀性的影响程度,首先建立光源间距与受光面接收照度间的关系模型,仿真分析不同LED间距对像面照度均匀性的影响,然后建立光学耦合系统的物面张角和像面照度间的关系模型,仿真分析物面张角对像面照度均匀性的影响。实验结果表明:在非均匀发光光源和大视场角的作用下,检测系统会造成像面照度严重不均匀现象。研究结果为后续像面照度校正算法设计提供了理论依据。     

光量子体系下基于粒子群算法的LED植物照明光源设计

在现代农业生产中,常采用发光二极管(LED)作为植物照明光源对农业作物进行补光,为提高LED植物照明阵列光源的均匀度,本文在光量子体系下,提出一种新的基于粒子群算法的LED植物照明阵列光源设计方法。通过MATLAB对红蓝光LED植物光源阵列进行数学建模,运用粒子群算法寻找高均匀度条件下的红蓝光LED坐标,设计出二维情况下的红蓝光LED排布阵列;在三维情况下,为解决维度升高时可能会导致的求解陷入局部极小问题,采用改进的随机惯性权粒子群算法进行三维方案设计,并使用Tracepro对两种设计方案进行验证,与传统的红蓝光LED等间距逐行排列设计进行了对比。研究结果表明,与常见逐行排列LED阵列设计达到的光量子通量密度(PPFD)均匀度为79.6%相比,通过粒子群算法寻优的设计方法,二维设计方案的PPFD均匀度达到88.7%,较等间距逐行排列设计提高了9.1%;三维设计方案的PPFD均匀度达到92.6%,较二维设计方案提高了3.9%,较等间距逐行排列设计提高了13%。本实验证明了运用粒子群算法在二维和三维空间进行LED植物照明阵列光源设计的可行性,在简易设计流程的同时,提高了工作效率。     

红外目标模拟系统DMD成像非均匀性分析及校正

基于数字微镜阵列（DMD）的红外目标模拟系统具有高分辨率、高帧率和大温度范围等优点，能够经济、有效地检测和评估红外探测系统的工作性能。为了研究基于DMD的红外目标模拟系统中照明系统的结构设计对成像均匀性的影响并减小像面照度不均匀性，提出了一种消除成像不均匀的方法，对DMD照明系统的结构参数进行了分析和设计，以成像光束截面积之比作为相对照度指标，建立了数学模型，用软件进行数值仿真，得到了能消除因渐晕导致的照度不均匀现象的结构参数和像面各点相对照度分布在88.75%～1；并用TracePro验证了理论分析的结果，得到像面各点相对照度分布在90.91%～1，与理论分析结果相符，证明了在DMD照明系统结构参数设计合理的情况下，该方法可以有效降低因渐晕导致的像面照度不均匀性，为红外目标模拟系统结构参数的设计和像面照度分析提供了参考。     

LED照明系统的光照均匀性设计

随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。     

基于多目标人工鱼群算法的光疗LED照度优化研究

提高发光二极管（light emitting diode,LED）组成的光疗光源在照射平面上的照度均匀分布水平,对于光疗设备发展具有重要的价值。提出了一种基于多目标人工鱼群算法的光疗LED光源的照度优化方法。设计了2种不同组合模式的光疗LED光源阵列。结合多目标人工鱼群算法对光疗LED光源阵列组合数据进行优化,使光疗LED光源阵列的照度分布更加均匀。将优化设计后的光疗LED 光源芯片组合数据,导入光学仿真软件TracePro实现仿真验证,得到经优化的圆形光源排列的照度均匀程度较未优化圆形光源排列提升0.104,矩形光源排列的照度均匀程度较未优化矩形光源排列提升0.148。对比分析最终数据,验证了该优化方法是可行的,可以提高光疗LED光源的照度分布水平。     

微光ICCD参数校准装置的弱光均匀光源系统

在微光ICCD参数校准装置中,为了获得分辨力、信噪比、最低照度及像面均匀性等参数测试中光源输出不同光照度,需要大动态范围积分球微弱光均匀光源。通过对传统的光源结构以及存在的局限性进行分析,根据微光ICCD综合参数测试中对光源照度的不同要求,设计了弱光均匀漫射光源系统。光源系统采用双积分球模式,利用楔形渐变光阑及可变孔径光阑实现在色温恒定下照度的连续变化,形成不同照度范围的均匀漫射光源,对微光ICCD参数校准装置的弱光均匀漫射光源照度输出范围及均匀性进行了测量,得到该光源的出射光照度范围为（10-7～103）lx,出射光照度均匀性优于98%,光源满足微光ICCD性能参数测试的要求。     

Room Illuminance rather than Immediate Surrounding Luminance Determines Natural to Unnatural Color of an Object Border

The color of an object placed in a room goes through various modes of color appearance if its luminance is increased independently from the room illumination; from the natural object color to an unnatural object color, and to the light source color having two borders. We were interested in investigating the determining factor for the first border as it is useful in lighting design. It has been thought without a specific theory that it is the surrounding luminance that determines the border. According to a new concept of the recognized visual space of illumination (RVSI), the border is solely determined by the room illumination, and not by the luminance of the immediate surroundings of the object. In the first experiment of the present paper the border of a test stimulus was determined for various room illuminance while keeping the luminance of the immediate surroundings constant. It was shown that the border luminance was roughly proportional to the room illuminance, confirming the prediction based on the RVSI theory. In the second experiment the border was determined for varying luminance of the immediate surroundings while maintaining constant room illuminance. The border did not change, again confirming the prediction based on this theory.