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。     

基于光源近场模型的LED光学扩展量测量方法

基于精确的LED光源近场模型,提出了一种LED光学扩展量测量方法.通过追迹LED近场光源模型中的光线数据,可获得LED光功率关于光学扩展量的关系曲线,直观反映出LED光源的光学扩展量特性和光能利用率等信息.以紫外曝光系统中的UV-LED阵列面光源为例,对三款不同型号的UV-LED进行了实际测量.通过测量得到的光学扩展量和光能利用率曲线,可以对UV-LED的光束质量作出判断,并为阵列面光源的优化设计提供帮助.     

LED绿色照明及其非成像光学设计

介绍了新一代LED光源的优点和缺陷．回顾了非成像光学的历史以及自由曲面在半导体LED照明中的应用,同时介绍了LED准直光源和LED光源产生均匀照度的光学设计方案．     

三维空间下混合白光LED系统照度模型

针对包含暖白光和冷白光两种不同LED光源的混合白光LED系统, 提出一种非线性控制混合白光LED系统照度模型的方法论。该混合白光LED系统包含暖白光及冷白光两种不同LED光源。混合白光LED系统总照度取决于两个LED光源所占的光通量比例, 据此提出三维空间下不同电流负载情况下的混合白光LED系统的照度模型, 通过简单的光学及电学测试方法校准, 并实验测试验证该三维照度模型的真实性。该方法对混合白光LED系统的应用具有一定参考价值, 而且其适用于多个光源的LED系统, 并不仅限于白光LED。     

LED在飞机航行灯中的应用及光学设计案例分析

为了展示LED在航空领域的应用优势和前景,介绍了LED光源应用于飞机航行灯时,具有体积小、质量轻以及便于设计和维护等优点,阐述了LED用于飞机航行灯时的高安全性、高可靠性和高光学质量的要求。通过分析航行灯的光学分布要求,针对选取的LED设计了由TIR系统和棱镜系统组成的光学透镜,飞机航行灯光学模拟的结果显示,在光源功率不超过1 W的情况下,中心光强已经高于40 cd。     

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。     

一次透镜封装的单片集成LED光源北大核心CSCD

在使用LED作为照明光源的过程中,光场作为LED应用中的关键因素,一般使用二次光学系统进行调控。但是二次光学系统一般设计复杂、体积大、重量重,随着LED光学封装系统朝着小型化方向发展,二次光学系统的应用将会变得困难。结合软件仿真和实验验证探索了用于单片集成发光二极管(MI-LED)的一次光学透镜的光场调控功能。研究结果表明,仿真和实验LED光源的光场几乎重合一致,所设计的一次透镜将LED光源的光束角从120°调控到48°~72°范围内。与未加一次透镜的LED光源相比,加一次透镜的LED光源具有更高的光提取效率和更均匀的空间光色分布。     

LED近场光学模型与直下式背光源透镜的设计优化

LED光源自身物理模型的准确测量和建模对光学设计和计算机软件仿真模拟结果至关重要。分析了常用光源模型的特性,对白光LED与理想点光源的偏差和原因进行了研究,比较分析了在直下式背光源透镜光学系统中由于LED实际光源特性偏离理想点光源和简单面光源而造成的设计偏差,并以白光LED光源近场测量的光线文件为基础,采用反馈修正逐次逼近的方法,优化设计了背光系统距高为5.5的内外折射曲面光学透镜,在实际发光面积为1.7 mm×1.7 mm的条件下,光斑均匀性为0.83。     

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。     

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.     

基于白光LED照明光源的室内VLC系统

LED照明与可见光通信技术相结合,构建出基于LED可见光无线通信系统。对室内VLC(Visible Light Communication)系统的白光LED光源特性和系统信道模型分析,提出照明光源布局设计与接收光功率分布的关系;对强度调制直接检测方式的室内VLC系统中信噪比和多径效应引起的码间串扰分析,提出采用光分集接收技术克服码间串扰和提高信噪比,并给出光检测器阵列布局的模型。建立VLC系统仿真模型,给出OOK-NRZ (On-Off Keying & Non-Return Zero)和OOK-RZ(On-Off Keying & Return Zero)调制方式的误码率和均方根时延扩展之间的关系曲线。仿真结果表明,接收光功率相同时,均方根时延扩展时间大于1.0 ns时,OOK-RZ特性优于OOK-NRZ。     

采用小功率LED的汽车前照灯光学设计

为克服普通灯泡汽车前照灯耗能高、寿命短和现有LED(发光二级管,Light-Emitting Diodes)前照灯成本高的缺点,提出了一套采用小功率LED的汽车前照灯光学设计方案。采用48颗小功率LED,使得每颗LED照亮配光屏上的一块矩形区域。对单颗LED设计自由曲面透镜,光线经透镜出射形成一个矩形光斑。点亮不同的LED以及调整车灯的照射方向可以满足照明要求。模拟结果符合国家标准要求。采用小功率LED比普通灯泡寿命长,比大功率LED前照灯成本低,可靠性强,并且还能部分实现自适应前照灯的功能。     

侧光式LED背光源的导光板网点设计

导光板是背光模组的关键组件,决定了出光效率以及出光均匀度。以2颗LED灯的侧背光为例,建立其相应模型,并运用光学理论推导出导光板网点排布规律,得到一个形式简约的公式,并将其进行扩展应用,推出了多颗灯情况下的导光板排布规律;另外将其进行等效应用,得到了线光源情况下的导光板的排布规律。     

Investigation of irradiance efficiency for LED phototherapy with different arrays

Red and yellow light emitting diodes (LEDs) are currently utilized as lighting sources during LED phototherapy. These LEDs were arranged on a disk with an external diameter of 70 mm with different arrays — radial, rhombus, square radial, and square rhombus arrays. The radial and square radial arrays had better irradiance efficiency than rhombus and square rhombus arrays by optical simulation. Additionally, the radial array had 76 sets of LEDs, but the square radial array had 100 sets. Thus, a mockup sample of radial array phototherapy was constructed for performance tests. The mixture efficiency of the radial array was observed at distances of 1-100 mm and lighting was well mixed when distance exceeded 50 mm by optical simulation. Irradiance variation with angle was approximated by experiment and theory at a treatment distance of 50 mm and 100 mm using the phototherapy mockup. The radial array was one good choice for LED phototherapy.     

MOCVD生长InGaN/GaN MQW紫光LED

利用LP－MOCVD系统生长了InGaN/GaN MQW紫光LED外延片，双晶X射线衍射测试获得了2级卫星峰，室温光致发光谱的峰值波长为399.5nm，FWHM为15.5nm，波长均匀性良好。制成的LED管芯，正向电流20mA时，工作电压在4V以下。     

Improvement of color-rendering characteristics of white light emitting diodes by using red quantum dot films

Red quantum dot (QD) films were applied to a conventional white light-emitting-diodes (LEDs) module consisting of 72 LEDs for improving color-rendering properties. Total three QD films with different QD concentrations, two diffuser plates, and six optical configurations were combined and investigated to find an optimized optical structure. QD films formed a red peak near 630 nm in the spectrum which significantly increased the overall color rendering index (CRI). The lateral optical cavity formed by a vertical QD wall and the vertical cavity formed by the diffuser plate and the reflection film in the lighting module played an important role in the improvement of the color-rendering properties. Especially, the adoption of the lateral optical cavity formed by the QD wall was an effective way to improve both efficiency and color rendering properties of the LED lighting. The present result suggests a new possibility of designing high-CRI LED light sources whose color properties can be tuned easily by simply applying and relocating QD components in conventional LED lightings.     

基于冷暖白光LED的线性调光混合照明

为了提供高品质、更安全和智能的照明光源,基于冷暖白光LED建立了线性调光混合照明系统及其优化调光调色方法。混合照明光源以色温和明度等级分别设定光色度和光强度,更加符合人性化需求。在系统智能优化配光过程中,设定色温转换为CIE u'v'均匀色品坐标,明度转换为亮度,使优化计算更加精确。系统采用的线性调光避免了闪烁潜在的安全风险,同时配合优化算法解决了线性调光色度漂移大的问题。实验结果表明,系统混合光的色度稳定性可以保持在1阶CIE u'v'圆内,相应色度设定下的整个光强度调节范围内无可察觉的色差。理论研究和实验结果表明该混光照明系统简单可行,具有较高的实用价值。     

LED阵列光源的舞台灯变焦透镜系统

 针对国内大功率LED阵列光源舞台灯具在光束角度不可变和光能利用效率低等问题,提出利用透镜组变焦原理来设计阵列光源变焦透镜系统。基于透镜组变焦原理设计了单颗LED光源的变焦透镜组,高级光学系统分析模拟软件ASAP的计算结果显示：调焦范围为0~10 mm时,出光角度（1/10峰值角）的变化范围为18.5°~38.7°,光能利用效率在调焦距离为10 mm时达到78%以上。在此基础上,将单颗LED光源的变焦透镜组扩展为Red、Green、Blue各12颗共36颗LED的变焦透镜系统,进一步分析36颗LED阵列光源在不同排布方式下的出光角度及混色效果。ASAP计算结果显示：在调焦范围与单颗LED相同的情况下,LED阵列光源变焦透镜系统的出光角度（1/10峰值角）的变化范围为21°~38.6°,且3种颜色LED交叉排列的混色效果较好。由LED阵列的计算结果可知,与国内现有的大功率LED舞台灯具相比,在出光角度的变化范围和光能利用效率方面都得到了提高。     

Optical characteristics of LGP depending on the scattering pattern orientation for flat-type LED lighting

In flat-type light-emitting-diode (LED) lighting systems, a planar light is formed using a luminance source positioned on the side of the system and light guide panel (LGP) or reflecting plates. Thus, such systems are favorable for their thinness, which allows a relatively small number of LEDs to be used. However, the application of a high-power LED light to a large-area lighting system yields Lambertian luminaires; therefore, a point or a discomfort glare is produced, which generally causes degradation of the luminance efficiency and uniformity. In this study, we solved the problems of luminance non-uniformity and inefficiency by adjusting the orientation of an applied LGP scattered pattern and removing the remaining glare. Through computer simulation, optical characteristics that increase the efficiency even in the case of low-output LEDs were found. Specifically, a scattered pattern vertically oriented relative to the direction of the incident light improves the luminance uniformity at the side of the system, while a scattered pattern oriented parallel to the direction of the incident light plays the role of a waveguide. We implemented a flat-type LED lighting system by fabricating a large-area LGP based on the computer-simulation results and using an extremely sensitive laser. The optical characteristics observed using the laser-processed LGP were identical to those obtained in the computer simulation. Therefore, for large-area flat-type LED lighting systems, we confirmed that adjusting the orientation of the LGP scattered pattern can increase the luminance efficiency and uniformity.