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。     

基于复合抛物面集光器的LED教室灯具的配光设计

为了对LED教室灯具配光,建立了复合抛物面集光器配光系统。分析了LED光源发光特性,阐明了对LED光源进行二次配光的必要性。建立了三维复合抛物面集光器（CPC）模型,并由边缘光线原理计算得出三维复合抛物面集光器（CPC）模型各参数与最大出射半角m的关系,分析了m的制约因素。由阅读灯照度均匀度要求,确定了复合抛物面集光器（CPC）模型各参数的值,在光学分析软件Tracepro中建立了CPC模型,将LED光源置于其焦平面上,结合教室桌面与灯具距离,模拟了基于CPC配光的LED教室灯具的照度分布。试验结果表明,CPC配光系统最大出光半角为30时,光照均匀度超过0.7,满足建筑照明设计标准 GB 50034 2004对阅读照明的要求,该灯具有效光通可达95%以上。     

基于双自由曲面的LED大角度光学透镜设计

针对直下式LED背光源的均匀照明系统,采用双自由曲面组合,设计了一种大角度光学透镜结构。通过近光源面的自由曲面将光发散成的c/cos3(θ)型光场分布,再利用远光源面实现目标面的均匀分布。这样可以在短距离条件下实现大面积的均匀照明,相对于传统的单自由曲面设计,有效地避免了全反射的发生,提高了照明区域的面积。采用光线追迹软件对所设计的结构进行仿真,通过对模拟结果的分析,在灯箱厚度为15mm时,单透镜均匀照明面积可以达到60mm。采用正三角阵列分布,整个目标面均匀度达到87.5%。相对于传统的大功率器件的直下式光源方式,提高了照明的均匀度,同时大大减少了箱体的厚度。     

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。     

展陈照明光源光谱对光敏文物的辐照损伤研究

展陈照明中的光辐照会对光敏文物材料造成褪色、老化等辐照损伤,尤其对字画、染色丝绸、彩绘陶器等颜色非常丰富的光敏性文物损伤巨大,不利文物安全。国内外展陈照明标准为减少对文物的辐照损伤,严格控制照明标准水平,如光敏文物的照度仅50lx,不利于观众更加细致的欣赏这类文物。随着半导体固态光源Light emitting diode （LED）技术的发展,其光谱中不含对文物损伤最大的紫外和红外波段,与传统光源相比具有天然优势,能够实现在相同照度条件下对文物产生更小的伤害。并使得在不增加对文物损伤的前提下,提高照明环境亮度从而改善照明环境水平成为可能。然而,即使仅有可见光光谱,可见光光子能量仍会对材料造成不可逆的损伤。而LED光源光谱多样,甚至有较大差异,在LED光源大规模进入文物展陈照明领域时,如何科学指导博物馆文物照明光源的研发与应用,是改善文物展陈照明环境的关键问题。该研究对常见光敏文物材料进行可见光连续辐照下表面颜色属性变化的测量研究,通过制备常用的国画颜料和植物染料样品（国画颜料主要有硃磦、赭石、三青、花青、胭脂、炭黑、曙红、酞青蓝;植物染料主要有茜草、黄檗、栀子、靛蓝、槐米、苏木、紫草）,利用不同波长单色光和不同色温复合光的LED作为光源,对样品进行大剂量连续辐照实验。辐照过程中,定期测量材料表面颜色的色度学参数L*, a*, b*,以CIE 1976 L*a*b*均匀色空间色差计算方法,求算出不同光谱的LED光源辐照后样品的色差变化。再分别从辐射度学和光度学出发,对比分析具有不同光谱的LED光源对国画颜料和植物染料的长期辐照影响。实验结果表明：不论从辐射度学还是光度学角度分析,相同辐照剂量或曝光量照射后,单色光中短波长的蓝光辐照导致样品的色差最大,绿光次之,红光最小;而在复合光中,高色温LED光源由于蓝光占比较大,对样品的辐照影响明显高于低色温LED光源;目前利用光照度对博物馆照明环境进行评价时,由于蓝光对应的人眼视见函数数值较低,与辐射照度评价相比,蓝光辐照对文物的影响会被进一步低估;相同光照条件下,植物染料的老化程度总体高于国画颜料;黄色系的植物染料（黄檗、槐米）和红色系的国画颜料（硃砂、曙红）在光照过程中更易老化。因此,博物馆展陈照明的LED光源应严格控制蓝光成分,采用低色温的光源更有助于对文物的保护。在今后制定文物展陈照明标准时,应对光源的蓝光占比进行限制。此外,对于黄色系、红色系等光敏文物进行照明时,相应的展陈照明标准应更为严格。该研究对于LED光源在博物馆照明更加合理的研发与应用,以及未来博物馆展陈照明标准改进及照明条件改善具有重要指导意义。     

LED灯具道路照明效果模拟与分析

为适应半导体产业的迅猛发展和环保节能的迫切要求,将LED作为一种新的能源方式应用到照明产业中。选取几种有代表性的LED路灯作为研究对象,根据各自不同形状的配光曲线,利用照明仿真软件Dialux对这些LED灯具在不同的布灯方式下在道路上的光照度分布情况进行模拟和分析比较,总结出适合于道路照明的LED路灯应具有的配光曲线特征,为LED灯具设计提供参考。     

Optical design of adjustable light emitting diode for different lighting requirements

<正>Light emitting diode(LED) sources have been widely used for illumination.Optical design,especially freedom compact lens design is necessary to make LED sources applied in lighting industry,such as large-range interior lighting and small-range condensed lighting.For different lighting requirements,the size of target planes should be variable.In our paper we provide a method to design freedom lens according to the energy conservation law and Snell law through establishing energy mapping between the luminous flux emitted by a Lambertian LED source and a certain area of the target plane.The algorithm of our design can easily change the radius of each circular target plane,which makes the size of the target plane adjustable.Ray-tracing software Tracepro is used to validate the illuminance maps and polar-distribution maps.We design lenses for different sizes of target planes to meet specific lighting requirements.     

基于自动跟踪LED驱动电压控制电路的创新设计

LED发光二极管在发光时约有80%以上的功率转化成了热能,导致LED发光二极管的PN结温度过高,这是影响LED发光二极管的发光效率与照明功能的主要因素。本文针对上述问题,结合现实情况,设计了一种自动跟踪LED驱动电压的控制电路,从串联稳流单元采样一个电压信号,与本控制电路中的基准电压相比较,产生一个控制信号,去控制所述串联稳流单元前级的开关稳压电源,使它的输出电压随LED灯的工作电压的变化而变化,不增加调整管的功耗。避免了常见的恒压驱动亮度变化大的缺陷,从而大幅度提高LED发光二极管的工作效率,该控制电路结构简单、成本低、损耗小与可靠性高。     

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.     

组合式发光二极管路灯反射器的设计

设计了一组合式路灯反射器,以使发光二极管（LED）路灯在道路照明时产生矩形光斑和均匀照度。在非成像光学基础上,利用复合抛物面的高性能集光作用和机械设计软件的强大作图功能,设计了一款分段组合复合抛物面反射器（CPC）。基于“边缘光线原理”和”裁剪法”,此款反射器能将朗伯型发光的LED光束整形为近似矩形分布,出光效率达96％以上。理论模拟证明：在高度为10m,范围为10m×30m内利用此反射器进行二次配光的LED路灯的照度均匀度达0．5以上。该反射式LED路灯光束整形器结构简单,光学效率高、成本低廉,模拟结果完全达到了目前我国国家道路照明规范要求。     

发光二极管路灯光强空间分布的非线性优化设计

道路照明的首要目的是满足使用者的视觉需求,在此前提下还应尽可能降低能耗实现节能环保,这两点均与道路灯具的光强空间分布密切相关。而很难用一种通用的光强分布适用不同的道路和灯具安装条件。针对主干路、次干路、支路3种典型道路类型,提出了根据具体道路、安装条件以及驾驶员视觉光环境需求逆向设计灯具最节能光强空间分布的思路,并建立了以驾驶员视觉光环境需求为约束、以灯具总光通量最小为目标的非线性优化模型,将路面照度分布表述为余弦多项式并利用分级优化方法进行了求解。得到了3种典型道路条件下发光二极管(LED)路灯的最佳光强空间分布,相比现基于照度均匀分布设计的LED路灯光强分布,驾驶员视觉光环境质量显著改善,且灯具节能30%左右。     

多基色LED的照明通信光源显色性研究

可见光无线通信(visible light communication,VLC)是将LED照明技术和光通信技术相结合的一种新兴技术。针对目前LED照明通信光源显色性差、光效低且色温不可调等问题,依据多基色LED白光通信原理进行了相关研究,以Yoshi等提出的高斯分布形式作为基色LED的光谱模型,利用国际照明委员会(CIE)推荐的一般显色指数(R_a)和美国国家标准与技术研究所(National Institute of Standards and Technology,NIST)推荐的一般色质指数(Q_a)评价光源的显色性。采用遗传算法,在2 700~6 500 K色温范围内优化出单个色温以及色温可调光源满足显色性最优的光谱组合,并基于R_a和Q_a大于80的原则优化出色温可调光源光视效能(luminous efficacy of radiation,LER)最优化的光谱组合。最后根据实验结果分析了光源的显色性、光视效能和色温可调性三者之间的关系。结果表明：三基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为613 nm/541 nm/464 nm,此时R_a和Q_a的最小值分别为81.2和81,可以满足一般条件下的照明通信需求;四基色色温可调白光LED满足显色性最优的峰值波长组合为620 nm/562 nm/505 nm/449 nm,此时R_a和Q_a的最小值分别为96.7和92.2。在特殊照明场所或要求较高的通信速率时,应采用四基色白光LED作为照明通信光源。仿真得到了三基色和四基色白光LED的最佳光谱组合,为宽通道可见光通信光源的设计提供了参考依据。     

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。     

基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计

基于边光原理和椭流线理论提出了均分配焦椭流线的非成像光学设计方法,通过对LED光源的能量均分、椭流线虚实焦点的配对和光学仿真优化三个规范步骤实现了应用于LED匀光管均匀配光的菲涅尔反射器的光学设计.分析了光源、反射器和投射目标面三者之间的复杂关系,为LED照明设计的优化提供了方便.仿真结果表明,LED匀光管管壁照度的均匀度超过0.93,有效降低了LED光源的眩光性.     

基于均分配焦椭流线法的LED匀光管菲涅尔反射器设计

基于边光原理和椭流线理论提出了均分配焦椭流线的非成像光学设计方法,通过对LED光源的能量均分、椭流线虚实焦点的配对和光学仿真优化三个规范步骤实现了应用于LED匀光管均匀配光的菲涅尔反射器的光学设计.分析了光源、反射器和投射目标面三者之间的复杂关系,为LED照明设计的优化提供了方便.仿真结果表明,LED匀光管管壁照度的均匀度超过0.93,有效降低了LED光源的眩光性.     

Design of optocoupler for synthesizing four color spectra

LEDs with the advantage of high luminous efficacy and long life time show the potential of replacing traditional luminaire. Most commercial white LED light sources use blue or ultraviolet chip coated with emitting phosphor, but the sensitivity and instability of such phosphors has become a big issue. The typical RGB-LED by using individual chips has the problem of spatial separation and insufficient spectral overlap which leads to low CRI. This study suggests a novel and high-efficiency design of fiber optical optocoupler to synthesize four colors emitted by separate LEDs to provide the ideal light sources by adjusting the individual LEDs separately. By choosing different colored light to be synthesized, this optocoupler can be used as light sources which can be highly controlled to offer the best lighting conditions. Compared with other widely used commercial LED sources, this new design of light sources can be used in special experiments which require multi-spectral light.     

基于远程荧光技术的高显指白光LED的制备和性能研究

针对目前LED灯具在照明方面显色性不足,以及传统LED点胶封装所存在的芯片发热导致荧光粉性能衰减、色温漂移、出光不均匀等问题,采用近年来新兴的远程荧光封装方式。用黄绿色YGG荧光粉和氮化物红色荧光粉,与硅胶制成远程荧光片封装成LED灯具。通过大量实验确定了黄绿粉、红粉与硅胶的最佳比例,制备了不同色温的LED灯具,并选择了色坐标,光效,显色指数,R9,色质指数,色温,全色域指数等参数对灯具进行了测试与分析,为优质LED照明提供了更客观地综合评价。实验结果表明红粉与黄绿粉的最佳比例为1∶7.6,荧光粉总量与硅胶最佳比例为1∶5,此时制成的白光LED灯具的色温为4 113 K,色坐标(x, y)为(0.375 4, 0.373 1),光效为52.33 lm·w-1,色域度为0.981,显色指数高达96,其中R9为97。色质指数Qa值高达93,全色域指数为79。同时相较于传统封装而言,远程荧光封装的荧光板表面温度大大低于点胶封装荧光粉表面温度,可以有效地避免温度过高对LED产生的不良影响。     

基于LED照明与弱光收集的节能车灯双向二次配光设计

为进一步利用太阳能,提出了“双向”利用光线的LED车灯设计新理念。运用光路可逆原理与边缘光线原理,构造矩形复合抛物面,对LED车灯进行“双向”二次配光设计。计算了远光灯矩形复合抛物面反光杯所需的最大出光半角、理论长度,借助tracepro软件,模拟研究了该矩形复合抛物面结构的最高光通量、平均光通量、光通量利用率随长度的变化关系,进一步截取较理论长度综合光学性能更好的反光器应用长度L=130 mm,并在此长度下,模拟了该LED远光灯照度分布情况与弱光收集情况。该类型车灯的LED照明与弱光收集互为补充,双向提高了LED车灯空间重复利用率。在照明方面,该灯能够满足现行标准GB25991-2010的要求,相同照度下,照明范围更大;相同照明范围内,照度更高;在弱光收集方面,是对当前太阳能汽车非聚光模式收集太阳能的补充。     

A practical means for calibrating an LED-based photometric stereo system

Conventional Photometric Stereo (PS) techniques are usually based on the assumption that the light sources are assumed sufficiently far from the object that all incoming light can be modeled using parallel rays. Meanwhile, for near-field lighting conditions the light sources are close to the object so the parallel ray model cannot be used. To determine the surface normal for each point on the object more accurately, the incoming light direction should be calculated individually for each point. In this work, based on a simple PS setup consisting of LED lamps and one camera, we present a practical method for calibrating lighting directions. First, an optical model of an LED was introduced in the calibration procedure to represent the surface irradiance and image irradiance more accurately. A reference sphere was used for the calibration so that the LED optical axis could be estimated by extracting the specular points from the reference sphere. By introducing the LED emitting model, distance between the LED and the specular point along the optical axis can be calculated. Thus, the incident lighting directions for various image points can be estimated individually. To improve the estimation robustness, a non-linear fitting approach was also applied. Experiments were conducted using objects and the results are compared with traditional methods to demonstrate its feasibility and improvement.     

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。