面向半导体照明的光学

以发光二极管(LED)为核心的半导体照明光源成为世界公认的第三代照明光源.通常基于蓝光LED抽运黄色荧光粉产生白光的方案,因荧光粉的斯托克斯位移和宽光谱,其具有产业化价值的发光效率上升范围受到极大限制.另外,传统封装LED因其朗伯型发光分布和超高亮度会造成严重的眩光以及光分布难以满足照明应用要求从而导致光污染、光浪费,...     

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。     

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。     

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。     

一种反光发光复合标牌材料的研究

反光发光复合标牌,不仅能将光源方向的入射光线回归反射向光源方向,具有反光特性.还能将光源中大量的红外光转换成可见光,具有发光特性.从而使标牌的亮度和可视距离得到提高.     

注入式半导体发光二极管的新进展

可见光发光二极管(LED)是目前用量很大的一类半导体器件.由于发光效率不高,一直只能用作弱光光源(如指示灯)和各种信息显示器件(如各种数码管和收录机上的电平指示器),而不能用作强光光源.1983年7月,日本斯坦利公司的寺岛透等人报道了一种超高亮度的GaAlAs红光发光二极管[1],这种器件刷新了1972年以来一宜保持的12.6%外量子效率的实验室纪录,达到16%的发光效率,在20毫安电流下,器件的发光强度达2烛光.该器件已被用作十字路口的交通信号灯,成功地迈入了强光光源的行列. 器件的发光波长为6600埃,光谱半宽度为250埃;响应速度30—40毫微秒,比…     

非相干光源无衍射光的自重建

基于Hankel 波理论分析了非相干光源产生Bessel光束的自重建特性, 利用光学设计软件ZEMAX模拟了Bessel光束经过轴上圆形障碍物后的截面光强分布. 由于发光二级管(LED) 具有一定的频谱宽度且不像激光具有很高的相干度, 因此我们采用一定频宽范围的连续谱来描述. 从模拟结果可以直观地看出Bessel光束被轴上圆形障碍物遮挡后逐步完成自重建, 说明用LED非相干光作为光源具有自重建特性.实验上采用LED和轴棱锥元件产生Bessel光束, 然后通过轴上圆形障碍物、轴上方形障碍物, 并拍摄了不同位置处的截面光强分布图, 证实了非相干光源产生Bessel光束的自重建特性.实验结果和模拟结果相符合. 关键词： 无衍射光束 LED光源 轴棱锥 自重建     

白光和红绿蓝光LED可调光源研制

为了提高LED光源色温和亮度的调节精度和准确度,结合色温由低向高变化时光色所呈现的渐变特点,提出了一种低色温白光LED灯珠、高色温白光LED灯珠加红绿蓝光LED灯珠补偿式调光的方法.将色温分成三个部分进行调节,每个部分选用不同的LED灯珠组合来进行调光.实验结果表明:不同组合情况下的LED光源的初始输出色温相对于目标值的偏差范围在1％以内;亮度可以在保证色温不变的情况下独立进行调节,初始输出值与目标值的偏差范围在1％以内;经过微调之后可以达到目标值;达到了色温和亮度独立调节的要求;光源发光稳定,不会因为长时间工作而影响调节精度.     

LED投影光源的色度学特性研究

利用色度学理论计算分析了传统弧光灯投影光源和LED投影光源两个实例的色度学特性，与传统弧光灯投影光源相比，LED投影光源具有更高的光谱能量利用率和更加丰富的色彩表现能力，完全符合数字投影机使用的sRGB彩色规范. 采用时序脉冲驱动的单色LED作为投影光源能够在不牺牲色彩饱和度的情况下获得更高亮度的投影显示. 因此LED可以替代传统的弧光灯光源以满足投影显示的色度特性要求. 关键词： 色度学特性 投影光源 LED 投影显示     

基于发光二极管光源的光电高温计非线性研究

光电高温计的非线性是复现和传递国际温标的主要不确定度贡献项之一。基于光通量倍增原理,采用中心波长645nm的高亮度发光二极管(LED)光源,建立了新的光电高温计非线性测量系统。利用LED开关供电方式,取消光闸门设计,避免了光路多次反射引入的非理想性。实验研究了阶跃电流供电条件下LED光源的光谱辐射亮度漂移特性,确定了不同供电电流下的初始非线性漂移的结束时间。设计了具有固定相位差的双LED脉冲供电电流和半透半反双光源亮度叠加方案。选择LED线性漂移阶段测量光电高温计的非线性,利用测量序列互换模型消除两LED线性漂移差异的影响,并进行了实验验证。实验测量了用于温标传递的光电高温计RT9032的非线性特性。     

基于硅基液晶微显示立体投影光学引擎的设计

从平衡两路图像对比度的角度,采用双硅基液晶(LCoS)芯片设计了一种实用的微型立体投影光学引擎。光学引擎中双LCoS芯片分别用于调制左右眼的图像,一个白光LED作为投影光源,两个标准的MacNeille偏振分光棱镜(PBS)用于产生两路偏振方向相互垂直的高偏振度光束。整个引擎设计简单,结构紧凑,其尺寸约为105mm×28mm×25mm。测量了本设计中光学引擎的各部件的实际参数值,根据所测量的数据通过理论计算得到:左右两光路的对比度完全平衡且均为64…1,光效率均为3.61%,整机的光通量为20lm。     

利用康普顿后向散射产生X光源的研究

利用高能电子对电磁波的康普顿后向散射可以获得波长短、方向性好的X光辐射,这种具有亮度高、发散角小、光子能量可调等特点的辐射,有很好的应用前景。由于电子对电磁场的散射截面很小,要获得较高强度的辐射,不仅要求很强的电磁场作为散射场,而且要求电子束的亮度高;利用光阴极RF腔注入器及30MeV射频加速器产生的30MeV电子束同Nd:YAG激光光腔中的强光场作用,可以获得较高强度的康普顿后向散射,其波长为0.07~0.14nm,发光本领可以达到2.5×1011光子/s。     

基于互信息的高动态范围成像系统成像质量分析

为了优化高动态范围成像系统的设计,完善地评价系统性能,将信息论应用于高动态范围成像系统中,把高动态范围成像系统看作通信系统,采用端到端的互信息量来评价高动态范围成像系统的成像质量.在COMS采样成像模型的基础上引入空间光调制器反射式硅基液晶的影响,建立了基于互信息的高动态范围成像系统数学模型.利用该模型分析了反射式硅基液晶与CMOS阵列像素数比、像素开口率、相对平移、相对旋转对系统互信息量的影响及造成系统成像质量下降的原因.通过仿真计算,分别得到了像素数比例、像素开口率大小、相对平移量、相对旋转角度与互信息量的相互关系曲线,并定量分析了这些因素变化对系统互信息量的影响程度.仿真结果表明反射式硅基液晶和COMS阵列的最佳匹配条件是：反射式硅基液晶和CMOS像素的占空比尽可能大,CMOS像素尺寸尽可能小,避免相对平移和相对旋转,反射式硅基液晶像素数和CMOS像素数之比为1:1.     

Quantitative characterization of holographic displays based on liquid-crystal-on-silicon spatial light modulator

This report discusses the effect of speckle size on the quality of holographic images based on a liquid-crystal-on-silicon (LCoS) spatial light modulator (SLM). Further, it proposes methods of quantifying the average speckle size and holographic image resolution. These methods enable both characteristics to be compared using the same unit (the number of pixels in the holographic image), providing an intuitive and effective comparative analysis method. In particular, by varying the LCoS resolution ratio, the change in the resolvable minimum pixels of the holographic image is interpreted in conjunction with the average speckle size; moreover, an analysis of the correlation between the latter two is presented. This approach, based on LCoS resolution division, could provide useful insights into single-SLM-based, full-color holographic displays using space division. Furthermore, it could be extended to other components, including more advanced LCoS SLMs, and used to identify the relative effects on image quality with speckles.     

The image adaptive method for solder paste 3D measurement system

The extensive application of Surface Mount Technology (SMT) requires various measurement methods to evaluate the circuit board. The solder paste 3D measurement system utilizing laser light projecting on the printed circuit board (PCB) surface is one of the critical methods. The local oversaturation, arising from the non-consistent reflectivity of the PCB surface, will lead to inaccurate measurement. The paper reports a novel optical image adaptive method of remedying the local oversaturation for solder paste measurement. The liquid crystal on silicon (LCoS) and image sensor (CCD or CMOS) are combined as the high dynamic range image (HDRI) acquisition system. The significant characteristic of the new method is that the image after adjustment is captured by specially designed HDRI acquisition system programmed by the LCoS mask. The formation of the LCoS mask, depending on a HDRI combined with the image fusion algorithm, is based on separating the laser light from the local oversaturated region. Experimental results demonstrate that the method can significantly improve the accuracy for the solder paste 3D measurement system with local oversaturation.     

Modified super-wide-angle Sagnac imaging interferometer based on LCoS for atmospheric wind measurement

The modified super-wide-angle Sagnac imaging interferometer (MSASII) based on liquid crystals on silicon (LCoS) is proposed as a novel device for the detection of the upper atmospheric wind field. This device employs the phase-only modulation (POM) of LCoS coupled with the MSASII, and can measure phase changes in multi-band emissions without moving mirror. It can be used to replace the conventional Michelson’s interferometer with step-moving mirror device. The optical path difference (OPD) equation of MSASII-LCoS is derived, and the four compensation conditions (field, chromatics, thermal and achromaticity of thermal compensations) are discussed within the scope of wind measurement. The real parameters of LCoS and optical glasses are selected for numerical simulation and analysis. Three aurora lines (732.0, 630.0 and 557.7 nm) are considered, and their phase variations are 3.61, 2.02 and 0.15 fringes at the same incident angle of 3°, respectively. The rate of change of OPD with temperature is the magnitude of 10⁻⁶ cm/K, and the corresponding phase variations are within 0.09 fringes. The accuracy of phase modulation can be 0.614×10⁻² rad when LCoS of 10-bits is used. The novel model MSASII-LCoS shows its advantage for atmospheric wind measurement in the aspects of the overall structure, anti-vibration, operational flexibility and detection accuracy.     

3D laser scanner system using high dynamic range imaging

Because of its high measuring speed, moderate accuracy, low cost and robustness in the industrial field, 3D laser scanning has been widely used in a variety of applications. However, the measurement of a 3D profile of a high dynamic range (HDR) brightness surface such as a partially highlighted object or a partial specular reflection remains one of the most challenging problems. This difficulty has limited the adoption of such scanner systems. In this paper, an optical imaging system based on a high-resolution liquid crystal on silicon (LCoS) device and an image sensor (CCD or CMOS) was built to adjust the image's brightness pixel by pixel as required. The radiance value of the image captured by the image sensor is constrained to lie within the dynamic range of the sensor after an adaptive algorithm of pixel mapping between the LCoS mask plane and image plane through the HDR imaging system is added. Thus, an HDR image was reconstructed by the LCoS mask and the CCD image on this system. The significant difference between the proposed system and a traditional 3D laser scanner system is that the HDR image was used to calibrate and calculate the 3D profile coordinate. Experimental results show that HDR imaging can enhance 3D laser scanner system environmental adaptability and improve the accuracy of 3D profile measurement.     

LED正向压降随温度的变化关系研究

分析了LED正向压降随温度变化的物理机理,建立了恒流驱动下正向压降随温度的变化系数测试系统对不同材料、不同发射波长的LED电压随温度变化系数进行了系统的实验研究,利用最小二乘法对实验数据进行了线性拟合,得到了不同发射波长的AlGaInP、InGaN材料LED的电压随温度变化系数,对超高亮度LED、功率型LED器件及系统的热工参数测量积累了的重要数据.     

平板蒸汽腔与微热管阵列组合式传热装置

本文对一种平板式蒸汽腔(均温板)与微热管阵列组合式换热装置进行了传热特性的研究,并将其用于大功率LED的散热.这种组合式换热装置既具有均温板的超高临界热流密度与全向传热的特性,同时具备微热管阵列远距离热输运的优良特性,是解决诸多高热流及其它极端条件下的散热,尤其是被动散热问题的有效方式.     

基于亚波长光栅结构的硅基液晶器件模型研究

金(Au)亚波长光栅被溅射到经典硅基液晶(LCoS)的ITO电极上,它与薄液晶盒和底层铝电极组成复合共振波导结构,简称GLCoS。与基于液晶传播效应的LCoS截然不同,在GLCoS中,上电极的表面等离激元与光栅槽中的TM-FP (TM-Fabry Pérot)共振耦合,诱导一个0阶反射的相位调制;铝(Al)电极既是反射背板又与Au光栅、薄液晶盒组成波导,使共振耦合得到增强。在操控光波阵面的同时,GLCoS也作为电控器件,施加电压改变液晶的折射率,进而控制开腔FP的边缘介质条件,达到有源0~2π相位调制。实验结果表明,本文结构可用于1μm量级像素的相位空间光调制器,在高空间带宽积的全息视频显示中具有广阔的应用前景。