LED可变光谱光源的多光谱拟合反演研究

利用多个不同光谱的LED单元成功拟合出几种特征明显的常见标准光源光谱。重点研究了如何通过目标光谱的特性反向找到所需要的LED的频带分布和最小使用的LED数目,进而利用所得结果对原有拟合模型进行条件判别和改进。对一些实测的目标光谱进行了模拟仿真,取得了较为理想的结果。     

新生儿黄疸治疗仪用LED光源光谱功率分布匹配

为了有效降低胆红素脑病的风险和减少换血的需要,以实验测试的标准胆红素溶液最有效的吸收光谱作为光疗的目标光谱,根据光谱构造理论,采用不同峰值波长和半高宽的单色LED作为匹配光源,首次提出简单遗传算法作为光谱匹配算法,通过求解超定方程组的非负最小二乘解,得到最优LED组合比例,进而推得所需各种峰值波长的LED的数量。仿真实验结果表明：拟合的光谱曲线与目标光谱曲线十分近似,光谱匹配度达到了98.39%,获得了一种新型的LED黄疸治疗仪光源光谱功率分布。该算法简单,效率高、拟合误差小,可应用基于LED光源的光谱功率分布匹配技术的研究。     

基于溴钨灯和LED积分球光源的可调谐光谱分布及光谱匹配

采用溴钨灯和恒流驱动的LED混合作为积分球内部光源,提出了模拟退火算法作为光谱匹配算法,研究了光谱分布可调谐积分球光源的光谱匹配技术.仿真实验表明,该混合光源完全能够定量地模拟CIE-D65和等能光谱分布,且在辐射功率优于LED模拟结果的前提下,LED的数量分别减少79.8％和82.9％,平均相对误差分别减小10％和4...     

基于LED光谱可调谐光源的光电探测器相对光谱响应测量研究

提出了采用LED光谱可调谐光源测量光电探测器相对光谱响应,详细论述了测量原理和算法,计算中将辐射传输积分方程改写成求和方程,求和值与积分值的近似程度与波长间隔大小的选择有关,仿真分析了不同色温黑体作为探测目标时硅光电探测器和CCD在不同波长间隔下的信号求和值与积分值差异。仿真结果表明：10 nm波长间隔时,探测器信号求和值和积分值差异在0.2%以内,是波长间隔的理想值。最后分析了影响该方法测量精度的因素及其解决方案。该测量方法结构简单,避免了单色仪等仪器的测量传递误差。     

基于LED的光谱可调光源的光谱分布合成

从实测的LED光谱分布出发,对基于LED光谱可调光源进行了可行性验证。提出用非对称高斯分布函数的数学模型来拟合单个LED光谱分布,并以该数学模型为基础,运用多种不同峰值波长的LED来合成所需要的光谱分布。在原理上实现了对任意目标光谱的最小二乘拟合,使用不同峰值波长的单色LED分别对D65、溴钨灯、5 500 K理想黑体、日光照射下的标准白板的光谱分布进行拟合,相关指数均在0.94以上。最后通过对数据的分析,总结出在工程实践中必须注意的要点。     

LED组合光谱对水培生菜矿物质吸收的影响

在植物工厂全密闭环境中水培种植大速生生菜,以光谱比例可调节的LED灯板为植物生长光源,应用电感耦合等离子体原子发射光谱技术(ICP-AES),研究了红蓝LED组合光谱下生菜对K,P,Ca,Mg,Na,Fe,Mn,Zn,Cu,B,Mo等11种营养元素的吸收特性。结果表明：(1)与叶绿素生理吸收波峰(峰值450和660 nm)对应的单一或组合光谱均可增强水培生菜根对Na, Fe, Mn, Cu, Mo元素的吸收能力,且单一红光光谱的促进作用最为显著,四种元素含量分别为荧光灯全光谱下的7.8, 4.2, 5.3, 11.0倍;(2)根对K和B元素的吸收量在荧光灯全光谱下达到最大分别为10.309 mg·g-1和32.6 μg·g-1,而在红、蓝单一或组合光谱下吸收能力降低;(3)单一蓝色光谱下根对Ca和Mg元素的吸收受到抑制,分别比荧光灯对照降低35%,33%;(4)生菜在30%蓝光+70%红光的光谱条件下生物量最高,而在20%蓝光+80%红光条件下对Ca, Mg, Na, Fe, Mn, Zn, B七种元素的累积量达到最大值。试验结果为水培生菜光源光谱选择及营养液配方调节提供了理论依据。     

基色LED的光谱漂移及其对显色性能影响的研究

发光二极管(LED)因其低功耗、低成本而被广泛应用于大型文字、图形和图像的显示,通过调节红、绿、蓝LED发光的亮度可产生不同显色指数的彩色图像像素。但是LED发光光谱会随环境温度的变化产生漂移,从而对显色性能产生影响。用驱动电流的变化模拟环境温度的变化对三基色LED的光谱漂移进行了测试,分别得到了三基色的漂移特性,提出了单色LED光谱漂移方程及三基色光谱漂移方程组。通过研究不同驱动电流下基色LED的光谱漂移,得到了相应的光谱漂移率。通过分析人眼对颜色宽容量的大小,以及基色LED的最大漂移波长,得到了只有红色LED的色差会影响显示屏显色性能的结论。该研究为彩色LED工程实践中反馈控制消除由基色漂移造成的显色色差提供了一定的理论依据和实验支持。     

遗传算法在LED光源光谱匹配技术中的应用

为利用单色LED实现CIE-D65标准光源、AM1.5标准太阳光目标光谱的匹配,提出简单遗传算法作为光谱匹配算法,通过求解超定方程组的非负最小二乘解,优化不同峰值波长、峰值波长间隔、半高宽的单色LED匹配光源组合,达到光源光谱匹配的目的.仿真实验表明:该算法拟合的相关指数达0.99以上,模拟光谱与目标光谱基本吻合;匹配光源的峰值波长间隔越小,光谱拟合性越好,但结合工程应用需要,峰值波长要选取适中;所提遗传算法运行速度快、效率高、拟合误差小,可广泛应用于植物照明、医疗照明等特殊照明领域的光谱匹配仿真试验和工程实践.     

光谱分布可调光源的LED筛选研究

针对LED光谱分布可调光源对LED寿命以及光谱一致性的要求,对可见光和近红外波段的29种LED分别进行200 h的电流加速老化试验,并提出LED光谱一致性筛选算法。老化试验结果表明:峰值波长为385 nm、400 nm 和420 1 nm 3种LED的辐射通量平均衰减分别为24.8 %、10.7 %和25.6 %,不能用于LED光谱分布可调光源;剩余的26种LED的辐射通量平均衰减量均低于3.5 %,可作为光谱分布可调光源的内部光源。LED光谱一致性筛选算法以LED光谱数据为基础,计算同类LED间的相对光谱偏差,26种LED的相对光谱偏差均小于4.5 %,保证了所筛选出LED的光谱一致性。     

光谱可调积分球光源的光谱匹配算法研究

基于光谱匹配算法是可调光源产生种类多样光谱分布的必要手段,提出Levenberg Marquardt算法作为光谱匹配算法。利用峰值位置等间隔均匀分布的理想高斯曲线作为LED发光光谱,借助该设定的一系列曲线仿真模拟目标光谱,实验表明,利用该算法模拟太阳、沙漠、海洋和植被的相对光谱分布,相对光谱差异分别为2.17%、1.76%、2.03%、1.7%。利用实验室现有LED的发光光谱进行验证实验,匹配3种目标光谱的相对差异均小于5%。实验结果表明,Levenberg Marquardt算法可应用于光谱可调积分球光源的光谱匹配。     

LED作为量子效率仪中单色光的可行性研究

随着LED技术的不断进步,已发展出多种波长的大功率LED,不用昂贵的单色仪,而采用各种波长的LED作为单色光来制造量子效率仪;也不需要旋转滤色片轮切换滤色片来避免光栅单色仪中高级次光谱的影响。LED作为单色光,可实现无机械运动、测量速度快、故障率低的优点。多只LED焊接在PCB上形成离散型光源,无法采用常规的椭球面反射镜、透镜或凹面反射镜进行汇聚。采用高反射率反射镜片制备成锥形光导管,将离散型光源发出的光汇聚为一个小光斑,可以很好地解决离散型光源汇聚难的问题,同时实现了高的光利用率。通过测量LED的波峰值、半峰宽和稳定性,并与传统的卤素灯和氙灯为光源的传统量子效率仪进行比较,发现单色光的波峰值与量子效率的测量准确性是正相关的,波峰值越高,测量的准确性越高;半峰宽在5.1~9.5 nm范围内,半峰宽对测量的准确性没有影响。采用LED、卤素灯和氙灯量子效率仪分别测试同一块太阳电池的量子效率,计算相同波段的积分电流,与世界先进的氙灯量子效率仪相比,相对偏差为0.34%,与卤素灯量子效率仪的相当,说明半峰宽在5.1~55.7 nm范围内,测量准确性与半峰宽无明显的相关性;LED的不稳定度为0.4%,介于氙灯和卤素灯之间。从这几个方面来看,LED是可以作为单色光用于量子效率的测试。     

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。     

不同LED光质对枳壳幼苗生长发育的影响

重庆是全国唯一的柑橘黄龙病非疫区及首创“柑橘良种无病毒三级繁育体系”的产区。但是,由于重庆年均日照时数少且年内分配不均,使其柑橘育苗周期显著长于其他产区,严重制约了重庆柑橘苗木产业的发展速度。利用新型节能光源发光二极管(LED)进行秋冬季补光,可缩短柑橘育苗周期,加快优质无毒柑橘新品苗木的繁育。为了阐明不同LED光质及配比对枳壳幼苗生长发育的影响,以砂培枳壳幼苗为试验材料,采用6种LED光处理(红光、蓝光、红蓝1∶1、红蓝4∶1、红黄蓝4∶1∶1 和白光),统计、测定了植株的表型和生物量指标, 为缩短柑橘砧木及新品种苗木繁育周期提供理论和实验依据。结果表明：与荧光灯相比较,不同的LED复合光均显著促进了根伸长、茎增粗(除红蓝1∶1外)、叶变窄;LED红蓝1∶1和红蓝4∶1复合光抑制茎伸长、叶片数形成,促进叶增厚,且后者的叶长被促进、叶面积增大;而红黄蓝4∶1∶1复合光促进茎伸长、叶形成、叶伸长、叶变薄和叶面积增大。相对于单色光来说LED白光及高比例红光的复合光更有利于枳壳幼苗物质合成以及其地上、地下物质分配量;且LED红黄蓝4∶1∶1复合光下枳壳幼苗地上部分的生物量最大,而根冠比最小。因此,LED红黄蓝4∶1∶1复合光最适宜于枳壳幼苗的物质合成与地上部分生长,可为光照不足季节或地区(特别是重庆地区)柑橘苗木的LED精准补光技术构建提供理论依据。     

高均匀度超薄直下式LED平板灯混光元件的设计与研究

为了设计更好的LED平板灯光学结构,解决现存的直下式LED平板灯厚度大,光源密度大的缺点,提出了两种兼具反射、投射作用的混光元件结构:椎台结构和半球型结构,并将其应用于超薄直下式LED平板灯的设计,以增加光线的耦合距离来提高出光均匀度.借助Tracepro软件研究两种不同结构混光元件应用于LED平板灯时的出光均匀度和光效率,运用Taguchi方法设计实验进行研究.结果表明,带有棱锥型结构元件的灯具均匀度达到95.42%,光效率达到92.72%,而带半球型结构元件灯具均匀度达到97.67%,光效率达到92.65%,其均匀度高于棱锥结构的原因是棱锥形状混光元件反射面的定向反射导致光线方向过于集中.     

紧凑型LED配光设计中光源模型可靠性研究

针对现有LED光源建模适用条件及可靠性不确定性的问题,对紧凑型LED配光设计中光源建模可靠性进行了研究.通过优化设计具有不同透镜光源直径比模型的方法,对点光源、表面光源、ray文件光源三种建模方式在系统中的差异进行分析对比.整体设计以ray文件光源模型为基准,以常规紧凑型全反射式透镜为二次配光元件,对不同透镜光源直径比(光束角分别为±15°、±10°、±5°)的光学系统进行优化设计和分析计算.结果表明:在能量利用率误差为±2%的范围内,光束角为±15°,透镜光源直径比大于36∶2时,表面光源建模可代替ray文件光源建模;光束角±10°,透镜光源直径比为44∶2时,表面光源建模可代替ray光源建模;光束角为±5°,透镜光源直径比为82∶2时,表面光源建模可代替ray文件光源建模.但是在±2%误差范围内,点光源无论在何种透镜光源直径比,任何光束角下均不能代替ray文件光源.这一结果为紧凑型系统设计中光源模拟提供了依据,同时解决了采用ray文件光源建模进行辅助优化设计耗时较长的问题,为相关研究提供了参照依据.     

二分法优化计算LED光源相关色温

色温和相关色温是LED光源的重要参量.从原始光谱数据到色品坐标(u,v)再到色温和相关色温的计算过程相当复杂,需要一种优化算法来简化计算量.因此,从色温的色度学定义出发,简要分析了直接内插法、逐点法和甬数曲线拟合法三种色温计算的经典算法,并分别指出了它们的优缺点,在此基础上提出了二分法这种新的色温优化算法.详细介绍了二分法的基本思想、程序流程等.利用软件编程实现这几种算法,通过普朗克黑体辐射公式计算得到一系列色温的理论光谱和白光LED仪器实际测试光谱,对比二分法和各种经典算法的速度和结果,证明了二分法是一种适合于计算机程序化实现的高精度高速度的色温算法.     

用于LED广告灯箱的自由曲面大角度透镜设计与仿真

基于能量守恒定律和网格划分法,设计了一种实现LED阵列近场均匀照明的自由曲面大角度透镜,其内曲面为椭圆形曲面、外曲面为自由曲面.根据能量守恒定律建立映射关系,对光源和目标面进行网格划分,并结合折射定律,迭代求解出外自由曲面数据点.分析了椭圆形内曲面的长短轴比值对透镜菲涅耳损耗和照度均匀性的影响.结果表明:短轴与长轴的比值在0.35~0.55时,出光效率和照度均匀性最佳.通过反馈优化法对LED阵列进行优化,重新划分网格,使叠加部分光照度减弱,提高了整体光照均匀性.仿真结果表明:仅对透镜外自由曲面的面型数据点进行优化,在目标面高度为80mm,透镜出光角度为157°时,优化后的整体光照均匀度由优化前的0.40提高到0.84,出光效率大于0.9.     

纳米柱高度对GaN基绿光LED光致发光谱的影响

纳米柱结构是释放高In组分InGaN/GaN绿光LED量子阱层应变的有效方法。本文采用自组装的聚苯乙烯微球掩模、感应耦合等离子体干法刻蚀和KOH溶液的湿法腐蚀,在GaN基绿光LED外延片上制备了3种高度的纳米柱结构,通过扫描电子显微镜观察纳米柱结构的形貌,并测试了常温和10 K低温时的光致发光谱(PL)。结果表明:应变释放对压电场的影响显著,使得纳米柱结构样品的内量子效率(IQE)提高,PL谱峰值波长蓝移;应变在量子阱中的不均匀分布还使得PL谱半高全宽(FWHM)展宽。与普通平面结构相比,高度为747 nm的纳米柱结构可使得IQE提升917%,PL谱峰值波长蓝移18 nm、FWHM展宽7 nm。另外,纳米柱结构样品的有源区有效面积减小可使得PL谱FWHM减小。