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。     

近场分布式平面光源光强测试方法

对近场分布式光度测量方法及测量机理进行研究,基于自主搭建的近场光源发光特性测量装置采集平面光源不同方向的亮度图像,分析了近场光度参量之间的转换关系及亮度数据处理方法,最终实现了近场分布式平面光源空间光强分布测量。通过构建平面光源发光模型,基于光度学和几何光学原理分析发光平面各个方向的光线分布,完成对光源不同方向的发光状态表征。与远场测量相比,所提近场分布式测量方法结果与远场配光曲线吻合良好,在所采用成像式亮度计亮度相对误差优于6.51%的情况下,所测得的光强相对误差小于8.38%,0°配光曲线匹配指数高达98.33%,验证了所提方法在近场光度测量中的有效性。     

发光二极管的光电特性测试实验

使用自主构建的简易装置测量了发光二极管的光谱曲线、光强分布、调制带宽.随着LED工作电流的增加,LED总发光功率减少,峰值波长向长波方向移动.LED的光强分布呈椭圆对称分布,近似符合朗伯光源定律.LED的调制带宽约为100kHz,调制特性曲线呈下降趋势.通过该实验学生加深了对辐射学、光度学、光电检测基本概念和方法的理解.     

透射式能见度仪LED光源表面特征对能见度测量的影响

从透射仪的光学测量系统出发,理论分析了光学测量系统光源对透射仪探测光束远场光斑特性的影响。结合LED光源的发光原理,研究了LED光源的表面特征,分析了LED光源表面特征与透射仪能见度测量的关系。通过仿真实验证实了光源表面特征对透射仪探测光束准直和能见度测量稳定性产生影响。研究结果表明,LED光源表面特征会影响探测光束远场光斑能量分布,在50 m基线下,使得透射仪探测光束准直中心发生位置偏移25 mm,接收光强最大变化20%,从而影响透射仪发射端对准和能见度测量。通过加扩散片和光阑限制可以明显改善远场光斑特性,远场光斑中心能量分布趋于均匀,在中心区域内接收光强变化在1%以内。     

LED汽车近光灯光学系统的设计与实现

针对现有LED汽车近光灯使用朗伯型LED光源效率不高和结构复杂等问题,设计了一种基于空间光强分布为椭球状LED光源和后置吸光板的汽车近光灯光学系统。系统主要由LED光源、1/4椭球面反光罩、后置特定形状吸光板和配光透镜组成。运用TracePro软件进行光线追迹模拟,并根据软件模型制作出了光源与灯具实物,实测结果显示在25m远屏幕上光形可以很好地与模拟结果吻合。采用不同形状的后置吸光板可以实现国家标准(GB 25991-2010)规定的两种近光灯光型,并且整灯的发光效率为82%。     

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。     

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LED光强分布的摩托车信号灯配光设计

为了解决目前LED摩托车信号灯光效低、成本高的问题,提出了一种基于LED光强分布数学模型的新方法。在推导了曲面LED阵列光强分布数学模型的基础上,将其应用于LED摩托车信号灯配光设计。进一步采用Tra-cepro光学仿真软件对该方法设计的LED摩托车制动灯进行了模拟实验,结果证明曲面LED阵列光强分布的数学模型正确,能够满足国家摩托车配光标准的要求,从而对实现了LED摩托车信号灯的配光设计。     

汽车前照灯用LED光源的光学设计

LED光源作为汽车照明系统的一门关键技术,LED汽车前照灯的配光设计是一个具有挑战性的研究课题。根据光通量及色度指标的要求选择LED光源,采用抛物面反射器并结合两者的偏移与旋转来分析光分布。每个LED光源拥有独立的光学系统,并负责配光屏上不同区域的照度,近光系统采用8个LED,远光系统采用10个LED。用CATIA三维设计软件画出组合反射器模型图,通过光学软件Tracepro反复调用不同的模型来追迹光线得到最后的配光效果。设计中无需配光镜、挡光板以及复杂的计算程序,设计周期短、配光效果好,给出的配光模拟照度值完全符合最新出台的GB4599-2007标准。     

红外热辐射光源配光特性的快速测量及仿真

红外热辐射光源在光声光谱检测等领域具有重要的应用价值,明确其配光特性是后续光学系统设计的基础。根据水冷散热下红外热辐射光源辐射通量的变化规律,提出快速获取高功率红外热辐射光源配光特性的方法并对其进行相关验证。实验结果表明,光源辐射通量的最大值在80°的角度处,两侧的辐射通量缓慢减小,能量分散在0°~130°的角度范围内,其中54.5%的能量集中在50°~110°的角度范围内。在长时间稳定的辐射状态下对配光特性进行对比实验,验证快速测量方法的准确性和有效性。在ZEMAX软件中突破光源角度的限制,使用测得的数据建立模型并模拟实验流程进行验证。在缺少高功率红外热辐射光源配光曲线的情况下,所提方法可以简单快速地获取配光特性,为光学设计提供初始条件。     

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。     

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。     

The development of an inspection system for defects in silicon crystal growth

This study presents an inspection system to detect the growth defects of silicon crystals that comprise a CCD camera, an LED light source, and power modulation. The defects on multicrystalline silicon can be observed clearly while the silicon wafer were irradiated by the red LED light at a small lighting angle (i.e., 20–30°). However, the growth defects on monocrystalline silicon wafer were difficult to observe because of it low image intensity. And then, the growth defects image was significantly enhanced when the wafer was illuminated by a white LED (WLED) and rotated at a specific angle (i.e., 23°). The experimental results showed that the WLED illumination system made the growth defects more easily observable than did other LED sources (i.e., red, blue, and green LEDs). In addition, the proposed inspection system can be used for on-line fast detection for quality control of monocrystalline silicon wafer.     

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.     

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。     

阵列型LED灯具远场距离分析

LED灯具通常为阵列式排布的面光源,为实现对灯具光强分布进行准确测量,照度探测器需要距离待测灯具足够远,使得面光源可近似为点光源,该距离即为远场距离。针对目前对远场距离进行规定的多项国家标准相互间不统一,且标准只考虑灯具发光面最大尺寸单一参数等问题,对阵列排布式LED灯具的远场距离进行研究,计算了不同配光分布、阵列排布方式、阵列密度、阵列尺寸下灯具的远场距离,并详细分析各参数对远场距离的影响,给出远场距离设定的建议,为确定阵列型LED灯具远场距离的光强分布的准确测量提供参考。     

基于视觉功效法的公路照明光源性能分析

中间视觉条件下人眼光谱效率函数表现为一系列的曲线,其峰值波长和强度受光源光谱、背景亮度等多方面的影响,光源对照明视认性的影响无法通过单一的光学参量进行表征。试验以视认反应时间作为评价指标,应用视觉功效法测试了不同速度条件下,人眼在不同照明环境中的视认性能,所选择光源包括高压钠灯、无极荧光灯和三种色温的白光LED,光源色温范围1 958~5 537 K,背景亮度取值针对公路隧道基本段照明和一般室外道路照明,范围为1~5 cd·m-2,均在人眼中间视觉亮度范围内。统计试验结果显示：在相同速度、亮度条件下,高色温光源对应的视认反应时间小于低色温光源;相同亮度条件下高速视标对应的反应时间小于低速视标,但测试截止时刻,低速视标在观察者视场内的张角较高速视标更大。应用MOVE模型计算得到测试光源所形成不同发射光谱、不同背景亮度条件下的人眼中间视觉等效亮度,与明视觉亮度测试结果比较,中间视觉等效亮度对应的反应时间曲线标准差系数CV更小,显示中间视觉条件下不同光源等效亮度与明视觉亮度的差异是造成视认性差异的原因之一,由于白光LED光源的GaN芯片发射光谱峰值与中间视觉光谱效率函数的峰值波长较为接近,高色温白光LED的照明视认效果优于低色温白光LED和无极荧光灯,峰值位于Na+特征谱线附近的高压钠灯照明视认效果较差。     

LED光学参数测试方法研究

通过分析LED（发光二极管）发光机理和封装特点，选择了LED需要测试的光学参数：光通量、亮度、发光强度、空间光强分布、相对光谱功率分布及色度，进而研究了每个光学参数的特点。根据其特点，制定了每个光学参数的测试原理以及相应的计算公式，最终确定了各参数的测试方法。设计了LED光通量测量系统、亮度和发光强度测量系统、发散角及空间光强分布测量系统、相对光谱功率分布及色度测量系统。实际应用表明：这些系统均能满足目前工作需要。     

LED光环境及服装色彩对消费者行为影响分析

LED光源具有高显色性、高发光效率、寿命长、节能环保等优秀的性能,目前很多服装店已经采用LED进行照明。但服装店在选择照明方式上出现很多问题,比如灯光不能再现服装的真实原貌,消费者的氛围感知不强,消费者购买欲望差。以可调LED光源为基础,针对服装店室内照明场合,分别采用普通照明方式、重点照明方式、局部照明方式和混合照明方式,设计了四种不同物理参量的光环境,借助心理物理实验的语意差别量表法,使用了36组词对组成了主观评价问卷调查表,采用22名观察者模拟消费者（11名男性和11名女性）,对相应的四种照明环境的五种颜色服装（黑色、蓝色的男装以及白色、红色和黄色的女装）进行喜好度、吸引度、舒适度和色彩真实度的主观评价。运用差异系数检验了主观评价数据的稳定性与准确性,确定了数据真实有效。采用主成分分析方法,评估了相应的照明方式效果,得到了评价服装店照明环境氛围的基本维度为活泼性（liveness）、舒适度（coziness）和商业性（commercial）,通过单因素方差分析方法进一步判断得到活泼性为服装店最重要的基本维度。另外,分析了在四种LED照明光环境下, 服装颜色对观察者颜色感知的影响。研究结果表明：在服装店中,普通照明方式由于与传统光源的照明效果相似,消费者的各项评价指标普遍较低,因此普通照明方式不应在服装店中单独使用;对于黑色、蓝色的男装和红色的女装,混合照明方式比其他照明方式更适合,产生的照明效果更能吸引消费者的注意;对于黄色的女装,采用局部照明方式的效果更受消费者喜爱,但是消费者对照明环境采用局部照明方式下的蓝色男装的评价指标很低,所以对于服装店的蓝色服装应该避开使用局部照明方式;对于白色的女装,利用重点照明方式,更能吸引消费者的注意。     

基于TIR结构的矩形区域照明LED透镜的设计

研究一种可以在高横纵比的线形区域形成特定照度分布的LED透镜设计方法,即分部设计法。全反射部分根据边缘射线原理和斯涅耳定律设计,采用数值积分迭代法计算,Matlab编程得到全反射部分的轮廓线;透射部分用试错法设计,用SolidWorks将全反射部分和透射部分整合出了一款新的拱形透镜。设计的透镜尺寸为25 mm×18 mm×10 mm。模拟与实践结果表明:透镜匹配扩展光源后,光学效率高于85%,半光强角可达9°×135°,可以在横纵比大于15的线形区域实现均匀照明。