LED智能光源混光呈色模型构建方法研究

LED智能光源具有色光可调的特点,其内置微处理系统可以通过无线数据传输等技术调整发光方式,控制光色及发光强度,进而实现照明光源的动态调节,因此特别适合于博物馆展陈、家居照明等智能化照明设计环节。现阶段,鉴于LED光源智能混光技术尚未普及,目前绝大多数商用LED智能光源在混光控制方面仅局限于设备制造商所设定的几类固定模式,无法充分发挥智能LED光源色光可调的技术优势。针对此问题,提出了一种基于BP神经网络以及有效集算法的LED智能光源混光呈色模型构建方法,实现了LED智能光源控制信号与对应发光光谱辐亮度分布之间的双向高精度映射。研究中首先提出了一种基于BP神经网络的LED混光呈色预测方法,实现了由LED智能光源驱动控制值向光源实际发光光谱辐亮度分布的准确预测;在此基础上运用有效集算法实现了由光源实际发光光谱辐亮度分布向LED智能光源驱动控制值的反向高精度预测。实验结果显示,所提出的方法整体建模误差显著小于人眼视觉可分辨阈值(CIEUCS Duv值可低至0.002 7),达到了较为理想的建模效果。该方法的提出,将为当前LED智能光源制造以及现有商用LED智能光源的二次开发与优化提供有效的理论与方法支撑。     

超高显色指数和色温可调的LED白光照明光源研究

采用Ohno等提出的发光二极管(LED)发光光谱数学模型,计算LED芯片的发光光谱,并基于光谱叠加性原理,研究多芯片光源的混光特性。实验中用蓝光LED激发涂覆其上的绿橙双色荧光粉获得暖白光,与红、青、蓝三种LED光源混光。通过控制模块发送指令到脉宽调制(PWM)驱动电路分别调节各个LED的驱动电流占空比,从而控制4种LED的光通量及其配比,实现色温在2700 K~6500 K范围内连续可调。在宽色温范围内,获得超高的显色指数,Ra在95~98之间,全部特殊显色指数(R1~R15)都在90以上、辐射发光效率(LER)在286~336 lm/W之间的白光LED光源。实验测量与计算模拟结果的一致性很好。     

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。     

基于光学扩展量的LED均匀照明反射器的设计

针对发光二极管(LED)光源的发光特点,根据非成像光学的光学扩展量理论建立了获得均匀照明反射器的一般方程,实现了在特定目标面上的均匀照明,进而依据该方程设计了用于体视显微镜的LED照明系统.利用TracePro软件对所设计的系统进行光线追迹仿真,结果表明在Φ90 mm的范围内照度均匀性达到90.6%,不考虑反射率损失时能量利用率可达到99.6%.该设计方案采用单一反射器实现均匀照明,为实现照明系统小型化和简单化提供了一种有效的途径.     

用于液晶显示屏幕检测的大口径小角度LED光源设计

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题,基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式,对单颗LED设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明;推导阵列均匀照度分布条件并利用Trace Pro软件进行优化,确定阵列最优间距;最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布,每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明,光源的发光角度小于±10°,在距光源170 mm的照明面上,平均照度大于45000 lx,非均匀性3.8%,均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。     

基于微分方程数值解的自由曲面透镜的设计

为满足目标面上均匀照明的需求,设计了一款自由曲面透镜。根据LED光源的发光特点,结合光学成像的特性,非成像光学原理和能量守恒定理,推导出实现光能量在目标面上均匀分布的自由曲面面形的微分方程,采用matlab的ode算法求出面形上的离散坐标点,对离散坐标点拟合后得到透镜模型,通过光学模拟仿真软件对透镜模型进行光线追迹。结果表明,配光角度为80°的透镜,透镜的口径与光源发光面宽度之比大于等于9时,目标面上的照度均匀性大于0.9,光能利用率约为85%。该设计方法可以快速精确地设计出所需的透镜,而且透镜结构紧凑,单颗就能实现均匀照明,有利于LED光源照明系统的小型化。     

光源光谱对标志逆反射系数的影响

以光源发射光谱和逆反射材料光谱反射率曲线为基础,通过数据拟合的方式研究了多种光源照射条件下材料逆反射系数的相对关系及其变化趋势。在已有标准A光源测试系统基础上,分别测试氙灯、卤素灯、不同色温白光LED光源发射光谱和红、黄、白、绿、蓝五种逆反射材料的光谱反射率曲线,并通过拟合计算得到同一材料在不同光源照射条件下的相对逆反射系数修正因子。分析结果表明,在可见光范围内具有连续光谱反射率曲线分布的白色材料逆反射系数数值受入射光源光谱变化较小,而单色材料逆反射系数受入射光源光谱差异影响较大,且呈现不同的变化趋势：以卤素光源入射条件下材料逆反射系数测试结果为基础值,不同色温的白光LED、氙灯光源对红色和黄色材料逆反射系数具有正增益效果,且随着光源色温的升高,红色和黄色材料逆反射系数呈下降趋势,降幅最高分别达到47.7%和4.9%;绿色和蓝色材料逆反射系数呈上升趋势,涨幅最高达到16.5%和28.9%。     

一种新的用于直下式LCD背光源的LED

传统的薄膜晶体管液晶显示器作为一种被动发光器件,本身不会发光,必须依靠背光源提供照明。在背光照明用到的光源中,LED最具竞争力。在分析LED性能的基础上,设计了一种用于大尺寸直下式背光源的LED,新设计的LED结构简单,性能优良。通过设计26英寸背光源验证了新的LED。模拟结果表明,新的LED可以满足大尺寸LCD背光源对亮度均匀性和颜色均匀性的要求。     

LED天幕灯的光学设计

天幕灯是一款用于近距离照射大面积幕布的特殊灯具。为了在限定的区域内获得幕布的均匀照明,天幕灯需实现非对称、大角度的特定出射光强分布。基于几何光学和辐照度理论,首先建立满足幕布均匀照明要求的天幕灯配光曲线模型,然后再根据LED光源的发光特性进行二次光学设计,使LED天幕灯的出射光强分布与所需的配光曲线模型相匹配。根据能量守恒定律将配光曲线模型进行均匀离散化处理,建立直射和反射的有效叠加和补偿,依此设计得到反射面面型,实现照明要求。通过Zemax对所设计的LED天幕灯进行模拟仿真,结果表明,满足配光曲线的LED天幕灯可以通过多个灯具的简单照明叠加实现在近距离范围内对不同大小和形状的幕布进行均匀照明,其照明均匀度可达到85%以上,能量利用率可达到80%以上。     

一种基于RGB三基色LED的白光光源

数字光源处理(DLP)投影技术是投影显示的一个重要分支,基于发光二极管(LED)照明技术的DLP投影显示技术则是目前DLP技术的一个重要发展方向。根据DLP投影显示技术的需要,对一种新型的LED混光光源进行了优化设计和仿真计算,得到了一种适合于为DLP微型投影机提供照明的LED混光光源。该混光光源可以提高LED光源的DLP微型投影机的光通量。     

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。     

光纤输出远场光斑均匀性检测方法的研究

为了对光纤输出光斑的均匀性进行检测,提出了一种基于成像法,采用区域平均法对光纤光斑均匀性进行检测的方法。首先利用数码相机对实验装置获得的光纤光斑进行采集,再结合区域平均法对图像逐次分区进行均匀度检测,计算出整体和各个小区域的均匀度以获取图像均匀度最佳的区域。同时引入了均匀深度的概念,作为一种判断光源均匀性好坏的依据。结果表明,调节后的光斑均匀性达到了99.7%以上。通过对调节前后实验装置得到的光斑进行对比分析,并与理论计算的光纤输出光斑分布比较,验证了该方法的有效性。     

用于LCD背光模块的LED光源转成线光源设计研究

将液晶显示器背光模块的导光板向前延伸5 mm,利用该区设计一扩光区使得LED点光源经过该区可获得两次的扩光效果,达到将点光源转成近似冷阴极管(CCFL)的线光源效果,并以3 in液晶显示器面板进行模拟,模拟结果表明导光板的出光均匀度可以达85%以上.     

具有凸台结构的高照明均匀度倒置型植物光源设计

针对现有植物工厂采用的植物培养架照度、混色均匀度差导致农产品作物品质参差不齐的现状,提出一种高混光、高混色均匀度的植物培养架设计方案。不同于光源在上种植面在下的培养架设计模式,将红、蓝LED灯珠间隔排列阵列光源安装在植物种植平面上的凸台上,并把培养架顶部设计成漫反射面。漫反射面的引入起到增加混光距离的作用,提高光线耦合程度,从而达到了提高混光、混色均匀度的效果。进一步引入光量子通量密度均匀度以及混色均匀度共同作为考察指标,利用Taguchi方法设计并进行实验,研究不同因子对植物种植区光源均匀性的影响,再利用ANOVA理论分析了各因子对品质的影响程度多次优化后,最终获得照度均匀度为94.58%、混色均匀度为90%、能量利用率为41.42%的最优系统设计方案。然后研究了不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度的影响,最后通过测量植物在不同高度时种植面和植物表面的照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会遮挡光线。结果表明该植物照明系统可以在植物生长过程中提供均匀的照明,遮挡问题几乎可以忽略不计。     

像增强器综合测试用光源照度调变技术研究

为了获得微光像增强器综合性能测试中光源输出不同光照度,对传统的光源结构以及存在的局限性进行了分析.根据综合性能测试中对光源照度的不同要求,借助积分球对光线的漫反射作用和微度计控制光栏改变光输入量的连续性,解决了光源输出光照度大范围连续调变功能的问题,对改进后的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为2.5×10-5 lx～680 lx,出射光均匀度为2.3%,该方法适用于像增强器的各种性能参数测试.     

新型LED太阳模拟器光学系统设计及仿真

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题，基于光电一体化二次光学设计，提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源，通过混光棒和微结构进行匀光，最后利用抛物面镜实现光线的准直输出，基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化，实验结果表明:在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。     

复眼透镜阵列应用于均匀照明系统的特性研究

研究了复眼透镜阵列实现均匀照明的原理,模拟分析了复眼透镜的列数、入射光发散角、光源尺寸对照明效果的影响。仿真表明,入射光的发散角越小,光源尺寸越小,照明效果越好,而且适当地选取复眼透镜的列数能提高照明效果。     

基于荧光显微镜单色光源系统的椭球反射镜的设计

为了实现胞内钙离子浓度的检测，设计了一种新型的荧光显微镜单色光源系统。系统采用短弧氙灯作为发光源，利用椭球面反射镜聚焦后得到模拟的点光源，经过准直及闪耀光栅分光、汇聚后，耦合到光纤中形成单色光输出。在荧光显微镜照明激发系统中，单色光源的输出功率和光谱纯度是仪器的2个技术关键，其中非球面反射镜是设计的重点。通过优化算法和光学仿真模拟，对系统的光能效率进行了分析和计算，设计了用于单色光源系统的椭球面反射镜，并研制成整套系统。经实验验证，效果良好。     

一种用于光束整形的衍射光学元件设计算法

在光束整形衍射光学元件的设计中,为同时减小输出光束的均方根误差和顶部不均匀度值,提出了模糊控制迭代算法(IAFC)。在盖师贝格-撒克斯通(Gerchberg-Saxton,G-S)算法的基础上,提出了平滑修正法,可有效改善输出光束的顶部均匀度,但却增大了均方根误差值。模糊控制迭代算法依据模糊控制理论,通过有效结合盖师贝格-撒克斯通算法和平滑修正法来同时降低均方根误差和顶部不均匀度值。计算机设计的结果表明,利用模糊控制迭代算法可以得到非常理想的输出光束,其均方根误差和顶部不均匀度值分别为0.75%和0.46%,能量转换效率可达94.91%。为光束整形衍射光学元件的设计提供了一种有效的新算法。     

DMD微投影显示的LED光学引擎设计

提出了基于矩形CPC的微投影显示匀光方法,设计了由LED、CPC、矩形复眼透镜及微显示芯片DMD构成的光学引擎。利用基于蒙特卡罗法的光线追迹软件分析了圆形CPC和矩形CPC对微投影显示匀光效果、光能利用率的影响。实验结果表明基于矩形CPC的光学引擎相对于基于圆形CPC的光学引擎有如下优点:体积小,光学扩展量小,照度均匀性高达到92%以上,能量利用率高达到43%以上,满足微显示芯片DMD的要求。