基于红/绿/蓝/青/黄/暖白6色LED的白光光谱优化方法

提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)的红/绿/蓝/青/黄/暖白(R/G/B/C/Y/WW)6色发光二极管(LED)的白光光谱优化方法。该方法根据光谱叠加性原理,采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立了G+WW,B+C,R+Y各混合光源色坐标与光通量贡献率ρ_(G+WW)(r_1),ρ_(B+C)(r_2),ρ_(R+Y)(r_3)的函数关系,在不同光通量百分比r_1,r_2,r_3下,通过优化遍历范围计算得到相关色温为2700, 4000, 5500, 7000 K时合成白光的最优显色指数R_a为96.4,97.0,97.3,97.4,并采用R/G/B/C/Y/WW 6色LED进行实验验证。结果表明:R/G/B/C/Y/WW LED模块可实现相关色温在2700～7000 K范围内的白光调节。当光通量设定为500 lm时,相关色温的最大相对误差为1.96%,一般显色指数R_a最大相对误差为1.24%,发光效率可达146.81～152.40 lm·W~(-1)。     

基于脉冲宽度调制的R/G/B/WW 4色发光二极管调光调色方法

提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)的红/绿/蓝/暖白(R/G/B/WW)4色发光二极管(LED)调光调色计算模型。该模型根据二通道和三通道PWM的特点,采用黑体轨迹的Chebyshev方法,确定合成光的色坐标和相关色温(CCT)关系。在优化目标显色性能最佳时,建立了混合光的色坐标与占空比、相关色温与占空比的函数关系,并采用R/G/B/WW 4色LED进行实验验证。结果表明:R/G/B/WW LED模块可实现相关色温在2900~7600K范围的白光调节。当光通量设定为300lm时,相关色温的最大相对误差为0.99%,混合光一般显色指数(CRI)最大相对误差为0.11%;当光通量值在[150,800]范围内变化时,其最大相对误差为2.02%。该模型可应用于4通道LED调光调色,其计算方法简单、调光精度高、硬件易于实现。     

基于PWM调光的高显色性白光LED混光优化方法

提出了一种基于脉冲宽度调制(PWM)的红/绿/蓝/暖白(R/G/B/WW)四色发光二极管(LED)白光混合方法。该方法根据多基色混合白光光源相对光谱功率分布(SPD)符合线性叠加原理,采用1931 CIE-XYZ三刺激值建立混合光中各光源色坐标与贡献率的关系。在优化目标显色性能最佳时,建立混合光的光通量与占空比的函数关系,并采用R/G/B/WW四色LED进行实验验证。结果表明,R/G/B/WW LED模块可实现一般显色指数Ra在95以上、其最大相对误差为1.35%、相关色温在3 000～7 000 K、光通量为200～1 000 lm、发光效率在170～240 lm/W范围变化的白光调节。     

基于视觉与非视觉效应的LED温度光谱补偿研究

温度是影响光源稳定性的重要因素,温度变化会引起光源参数的改变,进而影响光源视觉与非视觉效应.基于三种光谱模型确定单通道光源的光谱参数与热沉温度的关系,建立多LED混光光源的温度光谱模型,并对RGBY四色LED混光光源(本文采用D50光源和D65光源)进行温度实验,结果表明,温度光谱模型中不同热沉温度下光源光谱与实测光谱基本一致,两者光源参数最大相对误差不超过6.15％,验证了该模型的可靠性.针对温度引起的光源参数(照度、色温、生理节律因子)变化问题,基于温度光谱模型采用差分进化算法实时确定脉宽调制控制系统中各通道的补偿权重,根据热沉温度对权重的反馈实现光源参数补偿.本研究可应用到多LED混光光源的动态设计及光源温度稳定性控制当中.     

生物节律因子的调光计算

针对光生物效应重要性及复杂性问题,提出一种生物节律因子的调光计算方法。给定三通道LED工作在额定条件下的光谱分布就能够实现任意比例的混合光源的照度、相关色温、节律因子的便捷计算。实验选用三种色温白光LED组成三通道光源,基于脉冲宽度调制（PWM）原理进行三通道分时调光。在某一照明测试空间距离下,先测得单通道独立工作时的光谱分布,并通过调光计算方法得到三通道在任意比例下混合光源的理论照度、相关色温、节律因子;再测得三通道光源在不同混合比例下的实际照度、相关色温与节律因子。然后将理论与实际计算所得的照度、相关色温、节律因子进行比较,并分析误差。实验结果表明,照度、相关色温、节律因子的多条拟合直线与调光计算式所描述直线的斜率差异分别在6%、2%、3%以下,截距差异分别在2%、5%、3%以下。用显著性差异检验来检验实际节律因子与理论计算所得节律因子的正态分布特性,结果显示并无明显差异,表明在给定各LED光源光谱分布的情况下,调光计算方法不用通过测量混合光源光谱分布,便能快速有效地计算出混合光源照度、相关色温、节律因子。     

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。     

基于三基色LED的白光色温偏差研究

为提高照明光源质量,采用三基色的混光方法,实现了白光动态相关色温精确可调。根据色度学光色设计,建立了RGB三基色混光数学模型。选取合适光色参数的三基色光源进行3000~7500K不同相关色温的白光混光实验分析,实验结果与理论白光色温偏差较大。分析可知,结温是影响色温偏差的主要因素。通过调节占空比来修正三基色光通量的输出,从而确定了占空比和目标相关色温的关系。实验结果表明,修正后的色温偏差在50K以内,合成白光光源的参数与理论白光的性能指标参数吻合,实现了不同相关色温变化的白光光源,并通过调节三基色光通量实现了温度补偿。     

光源相关色温与分布温度的实验分析

在国家色温基准改造课题中,通过光谱辐射测量法得到色温副基准灯的相对光谱功率分布,分别采用四种不同的算法计算出光源的相关色温以及分布温度。为了比较这些计算方法的差别,由相关色温和分布温度反算出相应的光谱功率分布,分析了与光源原始分布的偏差。对采用不同算法得到的色坐标进行了对比,进一步阐明了光源的分布温度与相关色温之间的区别和联系。     

基于TDLAS技术的CH4气体检测与温度补偿方法

CH₄气体的精准检测对防止矿井瓦斯爆炸,确保安全生产至关重要。目前基于可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）存在因温度变化导致气体浓度测量误差较大。探究了基于TDLAS的CH₄气体检测系统与温度补偿方法,分析温度对CH₄气体吸收谱线的影响,通过算法补偿模型消除环境温度对CH₄气体检测的影响。依据TDLAS技术原理及相关理论,对系统发射单元、吸收池、信号接收单元、数据处理单元进行设计,搭建了基于TDLAS技术的CH₄气体浓度检测系统,实验检测了不同环境温度（10~50 ℃）时0.04%CH₄气体浓度,分析温度变化对CH₄气体在波长为1.653 μm处吸收谱线强度和半宽度的影响。为消除温度对CH₄气体检测的影响并提高补偿效果,采用粒子群优化算法（PSO）优化BP神经网络（BPNN）的最佳权值和阈值,建立CH₄气体的PSO-BP温度补偿模型,克服了BP神经网络收敛速度慢、易陷入局部最优的缺点。结果表明：（1）基于TDLAS的CH₄气体检测浓度随环境温度升高而下降,整个实验温度内相对误差范围为4.25%~12.13%,不同环境温度下CH₄气体检测浓度与温度之间的关系可用一元三次多项式表示;（2）CH₄气体的吸收强度和半宽度随着温度的升高而下降,与温度变化之间的关系为单调递减函数,温度对CH₄气体吸收谱线强度的相对变化率大于吸收谱线半宽度的相对变化率,CH₄气体吸收谱线的强度更容易受温度变化的影响;（3）BP神经网络和PSO-BP模型测试样本的绝对平均误差（MAE）分别为12.88%和1.81%,平均绝对百分比误差（MAPE）分别为2.3%和0.3%,均方根误差（RMSE）分别为15.96%和2.69%,相关系数R2分别为0.980 6和0.999 6。通过建立PSO-BP温度补偿模型,补偿效果大部分分布在±1.0%的误差范围内,MAE,MAPE,RMSE和R2等评价指标均大幅度提升,对提高TDLAS技术在矿井CH₄的精准检测具有一定的参考意义。     

基于LED阵列的彩色视觉检测光源色度特性研究

彩色视觉成像是基于色度学理论的三刺激值法, 而光源的色度学特性是彩色成像的关键因素, 因此本文以色度学理论为基础, 计算并分析了用于彩色视觉检测的LED阵列光源的色度学特性, 并通过于标准D65光源进行对比, 研究了LED阵列光源的相关色温调节原理、范围, 以及白场平衡时的色度坐标、相关色温等. LED阵列光源具有相当宽泛的相关色温调节范围, 可调制出的颜色丰富, 色彩的表现能力更强, 色彩饱和度更高, 白场平衡R:G:B=254:237:90时的色度坐标、相关色温甚至比人工D65光源更加接近于白场的标准色度, 其颜色复现能力达到视觉允许的较优颜色复现效果. 因此LED阵列光源的色度学特性更加适用于彩色视觉检测.     

白光LED光谱特性及司辰节律因子

为分析白光LED的光-电-热特性及其变化,在热沉温度和驱动电流可控的条件下,测试了温度、电流对白光LED光谱分布的影响,建立了白光LED光功率和光谱蓝白比(蓝光光谱光功率与白光光谱光功率的比值)预测模型。相关性分析显示光谱蓝白比、色温及司辰节律因子之间高度相关,光谱蓝白比与色温、光谱蓝白比与司辰节律因子均存在线性关系,表明由光谱分布变化预测光谱色温漂移及其非视觉生物效应的可能性。实验结果表明,白光LED光功率、蓝白比、色温及司辰节律因子的预测值与实测值吻合较好,最大预测误差分别不超过4.22%、1.54%、1.31%和2.15%;同时,白光LED光谱蓝白比可作为一种有效手段,用于预测光谱色温及司辰节律因子,进而评估其光学特性和非视觉生物效应。     

积分球光谱辐射度建模与实验分析

通过跟踪光束在积分球内的多次反射过程,建立了积分球出口辐出度与积分球结构参数的关系。依据积分球内置光源的能量转换关系,建立了积分球开口处光谱辐出度与内置光源参数及积分球自身结构参数之间的理论关系模型。此外,选用具体的积分球内置光源参数,利用建立的模型计算出积分球开口处光谱辐出度理论值,并用标定好的光谱仪对该模型进行了实验测量与不确定度分析。结果表明:在0.6μm~0.85μm波段范围内,该模型计算值与实验测量值相对误差均小于4%;由于光谱仪自身响应特性及标定光谱仪的黑体温度的影响,0.9μm处相对误差为8.65%。     

三基色白光LED的司辰节律因子研究

采用司辰节律因子模型,通过计算三基色白光LED光源在不同工作电流下的司辰节律因子,对可调色温的三基色白光LED光源进行非视觉效应研究。为了获取与自然光非视觉效应类似的LED白光,建立了司辰节律因子和相关色温分别相对于工作电流的关系模型,从而已知自然光的司辰节律因子和相关色温,就可以确定三基色LED的工作电流。通过测试一天内不同时刻的自然光光谱,根据上述模型推算出了三基色LED的工作电流。在所推算的三基色电流下,测试了白光LED光谱参数并计算了相应的司辰节律因子。与自然光司辰节律因子的对比结果表明,理论值和实验值的误差在1.1%以内,证实该方法具有可行性。本文所呈现的方法对于利用三基色白光LED模拟自然光具有一定的指导意义。     

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。     

功率型白光LED的非线性混合调光方法

分析脉冲宽度调制(PWM)双通道输出白光LED的混合调光方法,建立PWM与混合光源输出的光通量和色温之间变化关系的非线性数学模型。基于Zig Bee无线通信模块CC2530作为双路PWM输出,控制以SN3350为核心的LED恒流驱动电源,完成占空比可调的暖白和冷白两路白光LED的色温和光通量混合调光控制系统设计,并通过高精度快速光谱辐射计HAAS-2000测试系统进行测试。实验结果表明,双路PWM能够较好地实现对LED色温和光通量的输出大小进行控制,混合光源相关色温在3 250~15 000 K范围内连续可调。理论计算与系统控制的光通量和色温存在的相对误差分别小于1.70%和8.50%。     

基于Head-Mounted Display补偿VR色温性别差异光学薄膜的研制

Head-Mounted Display(HMD)是实现虚拟现实(VR)的主要技术形式,而可视化VR图像的色温还原还有待解决。为了消除HMD干扰源的感知差异,基于色度学理论分析了OLED(Organic Light-Emitting Diode)光源下的色温与光谱面积比例的关系,研制出了性别差异下补偿色温偏好的光学滤光膜。结合Matlab工程计算软件,利用最小二乘法-高斯牛顿迭代法进行光谱数据离散点函数的曲线拟合,逆向推导出OLED光源下的色温与光谱面积比例之间的转换关系。通过分析材料的光学特性,结合光学薄膜理论,利用Essential Macleod薄膜设计软件对膜层敏感度进行了分析;通过减小误差并优化膜系结构,实现了色温滤光膜的制备。采用电子束加热蒸发的方法制备薄膜,通过晶控精确控制薄层及敏感层的沉积厚度,减小了实验误差。分别对两种膜系进行了光谱、表面粗糙度及环境检测,结果表明,所提滤光片可以将OLED光源下的色温调整至4876 K及9333 K,解决了性别差异下HMD中的色温偏好问题,还原了VR可视化色彩。     

基于Taguchi方法的LED植物光源优化设计

为了提高LED植物光源的有效利用率,基于Taguchi的实验方法对LED植物红蓝光源阵列进行设计和优化。用MATLAB软件编程进行仿真模拟,通过ANOVA方法分析得出对植物光源照射距离为10 cm处的红蓝光的光子数比值(R/B)分布均匀度影响最大的因子,并对试验最优结果采用Trace Pro光学软件进行试验验证,从而获得本次试验最佳的参数组合。结果表明:曲率半径为50 mm的凹形曲面底板的圆心加点排布方式,圆心为LED蓝光芯片,圆环上为LED红光芯片,芯片数量分别为6个LED红光芯片和1个LED蓝光芯片,芯片距离为10 mm的最优化组合是本次试验的最优组合。通过ANOVA方法分析得出,LED红蓝芯片之间的间距对植物光源的R/B的均匀分布影响最大,占有35.17%的比例,LED红蓝芯片的排布方式也不可忽略,因为其占有了28.05%的影响比例。     

基于无人机可见光谱平台的烤烟氮素营养诊断

利用不同氮肥用量田间试验,分析基于无人机平台的可见光谱诊断技术对烟草氮素营养进行无损评估预测的可行性,明确该技术的最佳颜色参数和方程模型。2018年在江西省安福县开展田间试验,设置不同氮肥用量,分别为0,45,90,135,180和300 kg N·ha-1,于移栽后47 d（团棵期）、移栽后83 d（旺长后期）和移栽后116 d（下部叶成熟期）,利用无人机获取冠层RGB色彩数字图像,同时采集植株样品分析地上部生物量、叶片生物量、地上部氮浓度、叶片氮浓度、叶片SPAD值等氮营养状况指标,对冠层数字图像进行数字化分析,获得颜色指标值,通过颜色指标与烟草氮营养状况指标的相关性分析,筛选适宜的颜色指标并建立氮营养诊断方程。利用不同地块的氮肥用量试验,对氮营养诊断方程拟合精度进行验证。试验结果表明,旺长后期各处理间冠层图像的颜色标准值存在显著差异,团棵期与下部叶成熟期不存在显著差异。在10个颜色指标中,NRI,NGI,G/R,G/(R+B),(G-R)/(R+G+B)和ExG与5个烤烟氮素营养指标均达到极显著相关（p＜0.01)。在归一化颜色指标体系、比颜色指标体系和归一化差分颜色指标体系中选择潜在的最佳颜色参数指标分别为NGI,G/R和ExG。根据不同类型的回归分析结果,确定指数回归作为地上部生物量和叶片生物量的预测模型,线性回归作为地上部氮浓度、叶片氮浓度及叶片SPAD值的预测模型。对潜在的最佳指标进行验证性筛选,G/R对地上部氮浓度和叶片氮浓度的RMSE值分别为0.375 1%和0.249 1%,明显低于NGI和ExG,预测精度最高。用G/R值表示的地上部生物量、叶片生物量、地上部氮浓度、叶片氮浓度、SPAD值预测方程分别为Y=21.785e1.3502G/R,Y=4.057 9e1.937 3G/R,Y=5.039 9G/R-3.333 2,Y=4.281 4G/R-3.802 9,Y=40.168G/R-28.188。因此,基于无人机平台的可见光谱诊断技术在烤烟氮素营养诊断方面具有应用潜力,评估最佳时期为旺长后期,最佳预测参数为G/R值。     

基于冷暖白光LED的可调色温可调光照明光源

可调色温可调光光源是实现智能照明的基础。充分利用发光二极管(LED)光源的可控性,采用冷暖白光LED和两通道脉冲宽度调制(PWM)法,设计研制成功了可调色温可调光动态照明光源。从人们关心的照明光源参数出发,依据选用冷白LED光源和暖白LED光源光度色度参数,建立了给定光度量输出时冷白LED光源控制占空比计算的模型,探讨了基于色温目标控制参数占空比的约束条件。实验表明,混色光源调节色温时光通量的起伏小于2.5%,相关色温偏差在10K以内,调光时色温基本不变,设计结果良好;同时,在分析过程中实际设计混色光源参数和选择光源的性能指标参数一致,表明这种方法既直观又具有很好的实用性。     

基于光谱线性拟合的宽波段光源波动补偿方法

宽波段光源在工作过程中,光强通常会随供电电源输出功率的变化而波动。宽波段光源波段内各个波长的光谱强度将会发生不同程度的波动。为解决光源光强波动时其波段内各个波长光谱强度的补偿问题,提出了一种基于光谱线性拟合的补偿方法。使用这种方法,只需测量光源波段光强的变化,就可以补偿各个波长光谱强度的波动。通过分析理想黑体全波段辐射出射度与光谱辐射出射度的近似线性关系。建立了宽波段光源波段光强与光谱强度的线性模型。实验装置主要由卤素灯珠、光源电源、光阑、光谱仪及计算机构成。调节电源的输出功率,得到一组卤素灯珠在不同输入功率下的相对光谱强度。测量不同功率下卤素灯珠光谱强度来验证该方法补偿效果。按线性关系拟合了卤素灯珠光谱强度与其波段光强关系式,并分析了拟合误差。实验表明：卤素灯珠的光谱强度与其波段光强具有很好的线性关系,可以用波段光强按线性关系来补偿其光谱强度的波动。随着卤素灯珠输入功率的增大,补偿后的光谱强度的相对误差绝对值下降。在卤素灯珠输入功率范围内,使用该方法补偿的光谱强度在绝大部分(92%)波长下相对误差绝对值可在5%以内。