光源近场测量在LED光学设计中的应用与研究

在LED光学设计中,传统方法多以LED光源的远场测试数据为设计依据,而远场测试仅仅是对LED光源相对粗糙的测量,并不能精确地描述光源的空间光分布情况。对LED光源详细空间光分布信息的获取,即LED光线集的获取已经成为LED光学设计的瓶颈问题。获取并合理利用精确、详实的LED光源信息尤其是光源空间光分布信息是LED光学设计的关键点。分别利用单颗LED芯片和LED模块做了两组对照实验,并利用照明解析软件对获得的实验数据进行处理和分析,通过对比实验中光源远场测试和近场测试获得结果之间的差异,强调了通过LED光源近场测试获取光源光线集对LED光学设计的重要作用。实验结果表明,LED光源近场测量获取的光源光线集可以为LED光学设计提供更为详细的光源的光空间分布信息。     

多芯片LED照明灯光重影现象的研究

本文运用Trace Pro光学仿真软件对多芯片LED照明时产生的重影现象进行模拟计算分析,研究了光源芯片对减小重影大小的影响规律.通过多光源的光强叠加原理,用多个LED芯片光源代替传统的大尺寸光源,有效地减小了照明时产生的重影现象.本研究以台灯为例,通过建立台灯照明时的简化模型,设计了不同芯片数量及排布,并分析了照明台...     

手持式分光测色仪设计

为了代替人眼对物体表面的颜色进行信息检测,设计了LED光源手持式分光测色仪。首先,通过计算不同测量波长分布和分辨率在标准光源照射下的三刺激值,比较它们的相对误差,选取了波长分布为400～700 nm、分辨率为10 nm作为光源的主要设计参数。接着,对照明光源进行研究,通过对卤钨灯、脉冲氙灯与LED光源的均匀色空间坐标进行对比,选取了LED光源作为仪器的照明光源。然后,讨论了不同照明和观测条件及人眼观测颜色的差异,选取以45°方向照明、0°方向接收作为照明和观测条件。最后,进行了照明系统设计和总体结构设计。实验结果表明,测色仪目标中心位置的最大光照强度为9.91×10~(-3) lm/mm~2,平均照度为7.06×10~(-3) lm/mm~2,基本满足了手持式分光测色仪精度较高、轻小型化、光照充足且均匀的设计要求。     

用于固态照明的自由曲面微透镜设计

针对LED照明应用中,现有二次光学设计过程对LED初始光强空间角分布的依赖性,讨论了用于LED照明的自由曲面微透镜器件的设计方法.根据斯涅尔定律和边缘光学理论,研究了自由曲面微透镜的面形构造算法,建立了自由曲面微透镜器件的光学模型,并用光学模拟软件对其照明性能进行了模拟实验.结果显示,该微透镜器件能够在目标面上获得满足预期要求的照度分布,照明均匀度在92%以上,且其结构有效解决了LED初始光强空间角分布复杂化的现状和现有二次光学设计对光源初始光强空间角分布依赖性的矛盾.     

液体封装LED汽车远光灯光学设计

使用一种导热性能好、粘度小、电绝缘性强、无腐蚀性的透明液体封装LED,研究其封装后的光学特性,以获得一种光效高、散热好、体积小的新型汽车光源.按照汽车用LED前照灯GB 25991-2010配光要求,选用1 300 Lm的大功率白光LED光源,采用椭球面玻璃作为灯具基本外壳.用光学设计软件TracePro进行设计,通过调节光源在灯具内的位置,修改玻璃外壳形状,设计出了一款自投射式LED汽车远光灯.设计结果表明:以目前大功率白光LED光源技术,椭球面玻璃外壳直径在40~50 mm范围内的远光灯完全能满足国标要求,光能收集效率在86.5%以上.最后对制作灯具进行测试,照度值分布与仿真结果基本吻合.     

液体封装LED汽车远光灯光学设计

使用一种导热性能好、粘度小、电绝缘性强、无腐蚀性的透明液体封装LED,研究其封装后的光学特性,以获得一种光效高、散热好、体积小的新型汽车光源.按照汽车用LED前照灯GB25991-2010配光要求,选用1 300 Lm的大功率白光LED光源,采用椭球面玻璃作为灯具基本外壳.用光学设计软件TracePro进行设计,通过调节光源在灯具内的位置,修改玻璃外壳形状,设计出了一款自投射式LED汽车远光灯.设计结果表明:以目前大功率白光LED光源技术,椭球面玻璃外壳直径在40～50 mm范围内的远光灯完全能满足国标要求,光能收集效率在86.5％以上.最后对制作灯具进行测试,照度值分布与仿真结果基本吻合.     

实现LED准直照明的优化设计

为了有效地利用光源能量,满足LED远场照明系统要求,提出了一种实现LED大视场角准直照明的自由曲面透镜设计方法.运用ZEMAX软件序列模式下的多重组态建立透镜结构,在ZEMAX的二次开发环境下,采用宏语言编写自定义优化函数,实现对光学系统的自动优化.通过得到的自由曲面面型数据,借助光学仿真软件进行模拟,模拟光源采用圆面...     

LED照明的光栅光调制器光学特性分析与实验

针对一种新型的光凋制器--光栅光调制器,研究用LED作为其照明光源时对光学调制特性的影响.以部分相干光理论为依据,结合MATLAB仿真,推导出用LED照明光栅光调制器时,光源带宽对成像对比度具有较大的影响,通过滤色片将光源带宽减小到13 nm时,像面上的对比度约为150,进一步减小带宽至10 nm,对比度将达到225.光源的尺寸在与光源到光栅光调制器之间的距离相比小于0.03时,对光栅光调制器的光学信息处理不会有影响,并通过实验加以证实,从而说明采用LED作为光栅光调制器照明光源的可行性.     

原棉异纤维检测系统照明光源光照度分布研究

在基于机器视觉的原棉异纤维检测系统中,选择能满足检测系统的光源和照明方案是提高系统检测率和检出率的关键,使检测对象尽可能多地显现出特征信息。选用单芯片InGaN(蓝)/YAG荧光粉型白光LED作为照明光源,采用理论计算和非成像光学设计的方法对LED阵列的光照度分布进行了研究,并根据原棉异纤维检测系统对光源光照度的具体要求,设计出了LED正方形阵列和三角形阵列两种排列方式,并利用TracePro软件对两种阵列形式进行仿真。通过比较两种阵列形式光照度分布的结果,最终选用高光照度且均匀性好的LED三角形阵列作为原棉异纤维检测系统的照明光源,满足了机器视觉成像的要求。     

线扫描缺陷检测系统中的LED光源设计

光源是影响机器视觉输入系统的重要因素,直接影响输入数据的质量和至少30％的应用效果。在线扫描缺陷检测系统中,对光源的亮度、均匀性、直线性、寿命、光谱范围都提出了较高的要求。鉴于LED光源在机器视觉中具有许多优点,以LED线形光源为例,探讨了线形阵列LED光源照明光场分布的影响因素,结合柱面镜对光源单方向约束的特性,介绍了LED阵列和柱面镜组合的聚焦条形照明光源的设计方法。通过仿真,证明了该设计可满足线扫描系统对光源的要求。     

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。     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

光纤照明用LED耦合装置设计

光纤照明用LED光源耦合装置多采用透镜组,其汇聚光斑小,但透镜组光能损失大。针对LED光源发光特性及聚合物光纤孔径大的特点,提出LED灯珠侧式安装和反射器切割移位优化法,设计一种基于椭圆反射器的光纤照明用LED耦合装置。运用John OFarrell的逼近算法计算出不同偏心率的椭圆反射器结构参数,结合光纤光学参数仿真比较耦合光效,得到一组偏心率和光纤直径匹配的高效耦合装置结构参数,并运用该方法设计了一款光纤直径10 mm、数值孔径0.5的光纤照明用LED耦合装置,其理想耦合光效达93.35%。     

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。     

高均匀低眩光LED台灯配光设计及仿真分析

市场上的节能台灯普遍存在光效低、亮度不均匀、眩光较严重的缺点,以改善这些缺点作为出发点,设计了一款高均匀低眩光的LED护眼台灯.设计加入非球面反光杯灯罩来收集LED光源发出的大角度光线,提高了光能的利用率并改善了眩光.加入配光透镜消除接受平面存在的中心亮斑,解决了均匀照明问题.通过ProE三维设计软件进行实体建模,导入TracePro进行光线模拟和仿真分析,结果表明这一LED台灯配光设计可在工作距离为450 mm、直径为700 mm的接收面内实现低眩光高均匀照明,平均照度可达497.1 lx,平均度达到0.9左右.这一高均匀低眩光LED护眼台灯的设计方案有着广阔的实际应用前景.     

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。     

Application of PWM dimming based on Grassmann optical model北大核心CSCD

针对发光二极管（light-emitting diode,LED）光源颜色和光通量精准调控难度高,在生产应用中,调控操作需在电脑等设备上进行的问题,基于格拉斯曼颜色混合定律,结合脉宽调制(pulse width modulation,PWM)调控LED的特性,建立表示PWM与LED照度关系的数学模型,以STM 32微控制器为核心设计了三基色LED调光调色系统。对系统分别进行单色、双色和3色的混光照度实验,数字照度计的测量值与光照数学模型的理论值对比结果表明,该系统在0~370 lx区间内系统的光源照度误差≤4%,合成光色共16 777 216种,且对光源颜色和光通量的调控操作可直接在系统上完成,无需接入其他设备,减少了操作流程,满足工业视觉检测、农作物补光照明和文化旅游对光源颜色和照度的需求。     

分布式无线智能LED光照度调控系统

针对现代智能楼宇与基于物联网技术的LED光源调控应用需求,设计了一套分布式无线智能LED光照度调控系统。系统采用上下位机结构,以MSP430微处理器为分布式控制终端的主控单片机,根据控制终端内部预制的LED开启时间段和预期光照度参数,进行基于光照度反馈的分布式LED光源亮度PWM闭环调控,并通过无线通讯方式实现上位机对分布式多点LED调光控制终端的开关控制、预制参数调整和光照度状态监测。通过测试实验验证了系统设计的正确有效性。