基于Taguchi方法的柱面LED阵列照度问题研究

为了分析机器视觉测量系统中LED阵列对柱面底板照度的影响因子,采用Taguchi实验方法设计实验,对环形、方形、菱形LED阵列不同接收面半径、发光半角、发光面与接收面的距离因素进行分析。结果表明:利用Taguchi方法可以很快地找出辐照均匀度较大和最大的照度值,单颗LED的发光半角对辐照均匀度及最大照度的影响最大,分别占有66. 18%和63. 10%的影响地位。单颗LED的发光半角越大,其阵列的辐照均匀度越高,单颗LED的发光半角越小,其阵列光线比较汇聚,阵列最大照度值更大。     

视觉检测系统LED光源照度优化方法

针对当前视觉检测系统LED光源照度优化研究中存在的照度效果评价因素单一、照度优化方法通用性不足等问题,以芯片封装质量视觉检测为例,提出一种基于改进樽海鞘算法的LED光源照度优化方法。该方法在单个LED光源照度数学模型基础上,建立标准条形LED阵列光源照度数学模型,获取条形LED阵列在任意空间位姿与被测面的照度值;基于照度均匀度、照度梯度变化与对中度、平均照度、目标与背景区分度等因素建立平面照度效果评价函数;提出改进樽海鞘算法,通过改进算法收敛系数、速度、领导者与追随者位置等更新策略,增强区域搜索的多样性;应用改进樽海鞘算法对平面照度效果评价函数进行优化求解,获取具有最优照度效果的空间位姿参数。实验结果表明:考察优化区域的相对照度分布,文中提出的LED光源照度优化方法所得照度分布与实际测量所得照度分布结果基本一致,目标区域理论照度均匀度在98.78%以上,误差在5.57%以内。因此文中提出方法优化目标合理,可用于视觉检测系统具有最优照度效果时光源位姿信息参数的获取。     

基于二维面形加权叠加的扩展LED光源自由曲面透镜设计

提出了一种适用于二维面形加权叠加的方法,该方法可以针对扩展LED光源设计自由曲面对光分布进行调控。在光源面上取5个采样点作为5个点光源产生5个自由曲面,对每个自由曲面数据点分别乘以权重因子,对加权之后的自由曲面进行叠加,叠加后的自由曲面作为初始轮廓。使用粒子群算法对权重因子做进一步优化,获得最优权重因子,使用最优权重因子对5个自由曲面进行加权叠加。使用叠加之后最优的自由曲面构成的透镜对扩展LED光源进行光分布调控,模拟结果表明,使用该方法可使目标面的照度均匀度达到75%,比初始透镜在目标面产生的照度均匀度提高了15%。该方法具有优化变量少、面形连续性好、收敛速度快等优点。     

不同发散角的LED空间照度仿真分析

鉴于LED光强分布和间距对接收面照度均匀性有直接影响,本文利用Tracepro软件对不同发散角LED空间照度分布进行了仿真分析,给出了接收面中心照度均匀的LED最佳间距,为优化的LED阵列设计提供一定的理论支持.     

一种基于LED扩展光源的均匀照明设计新方法

为满足LED均匀照明要求,提出了一种实现面光源下自动优化的设计方法。根据点光源近似理论建立可实现均匀照明的反射器初始结构,用COB(Chips on board)型LED面型光源替代点光源,基于TracePro中Scheme语言编写了自定义均匀照明优化函数,实现了目标面上均匀照明的自动优化设计。模拟结果表明:在光源为直径20mm的朗伯体发光LED时,能够在300 mm处实现均匀照明,照明均匀度(平均照度与最大照度的比值)达到85%以上,光学效率在96%以上。本设计方法简单易用,具有广泛的应用价值。     

侧入式无导光板LED平板灯的设计与实现

针对侧入式LED平板灯出光效率低、导光板(LGP)制造成本高等缺点,设计了一种无LGP窗式结构的新型LED平板灯,介绍了设计结构模型和光学模型。采用柱面透镜将侧面入射的LED发散光束会聚在出光面板上,并通过掠射和叠加方法实现出光面板的照度均匀性。分析了LED阵列之间的距离、LED灯珠的投射角以及LED阵列中LED的间距对辐射照度分布均匀性的影响,利用九宫格取值法和TracePro软件对所设计的LED平板灯进行参数优化。模拟和实验结果表明,当LED平板灯单窗格面积为240mm×300mm、厚为15mm以及平凸柱面透镜的曲率半径为4mm时,优化后的LED灯珠投射角为4°左右,LED平板灯出光面板上的照度均匀度可达85%以上,理论仿真结果与实验结果相一致。     

基于大面积拼接优化的大功率LED照明阵列分布研究

为了实现在(4 m×6 m)目标面积内模拟适合座舱人机训练的光照均匀环境,提出一种面积拼接的大功率LED阵列设计方法。针对传统矩形和圆形阵列的照度分布不均匀问题,采用一种改进型的阵列分布,结合改进的粒子群算法进行优化排布。经仿真分析,改进型单模块阵列的照度均匀性为91.17%。由于安装误差的影响,实际测试光照均匀性为89%。单模块阵列拼接优化多模块LED阵列,仿真结果为照度均匀性85.83%,光能量利用率87.40%。研究结果显示,使用面积拼接方法设计的改进型多模块阵列更适合模拟大面积光照环境,具有高照度均匀性和高光能量利用率的特点,对实际应用具有重要的参考价值。     

半导体激光器光束匀化系统的光学设计

为了提高半导体激光器光束的均匀性,设计了非球面与微柱透镜阵列相结合的匀光系统。快轴方向利用光线追迹设计非球面匀化透镜;慢轴方向采用微柱透镜阵列对光束进行分割叠加。半导体激光器输出光束通过该匀光系统,在目标面上可以得到能量匀化的方形光斑。利用Zemax光学软件对半导体激光器单管和阵列进行匀化仿真,验证了该匀化系统应用于半导体激光器整形的可行性,得到了目标面动态范围变化对均匀度的影响程度,研究了微柱透镜阵列间距变化及快轴匀化透镜旋转对光斑均匀度的影响。单管和阵列在输出面上的光斑均匀度均大于90%,能量传输效率分别为95.4%和96.2%。该设计结果对半导体激光器光束匀化具有一定的参考价值。     

LED方形阵列的照度特性研究

利用单个LED芯片的照度公式推导出LED方形阵列的照度公式和光斑的散射角公式,利用推导出的公式研究了LED方形阵列的照度峰值和光斑散射角随芯片数、方形阵列的结构参数以及目标距离的变化关系.得出了这三种情况下照度峰值和光斑散射角的变化规律.这些规律为利用LED方形阵列来实现照明设计提供了定量的理论依据.     

室内可见光通信系统光源LED布局优化与性能分析

在室内可见光通信系统(VLC)中,为解决传统光源布局方式中因照度分布不均匀而存在通信盲区的问题,提出考虑墙面反射的光源LED优化方案。以照度均方差作为评价标准分析LED布局,通过积分推导出接收面照度和功率的表达式,构建了矩形布局优化模型函数F(l,x,y)和圆形布局优化模型函数F(r,x,y),并根据优化函数研究了照度均方差与房间尺寸、最佳布局与视场角的关系。仿真结果表明:LED矩形布局光源的位置存在最优点l=1.6m,视场角为ψFOV=80°,照度均匀性由传统布局的80.5%提升到84.3%;圆形布局光源的位置存在最优半径r=2m,视场角为ψFOV=80°,当LED位于最优点半径时,圆形布局的照度均匀性随着光源LED数量的增加由85.2%增加到89.2%。     

Correlated Color Temperature Tunable Multi-chip Light Emitting Diodes Light Source Design

One of the methods to derive white light from light emitting diodes（LEDs） is the multi-chip white LED technology, which mixes the light from red, green and blue LEDs. Introduced is an optimal algorithm for the spectrum design of the multi-chip white LEDs in this paper. It optimizes the selection of single color LEDs and drive current controlling, so that the multi-chip white LED achieves the target correlated color temperature （CCT）, as well as high luminous efficacy and good color rendering. A CCT tunable LED light source with four high-power LEDs is realized based on the above optimal design. Test results show that it maintains satisfactory color rendering and stable luminous efficacy across the whole CCT tuning range. Finally, discussed are the design improvement and the prospect of the future applications of the CCT tunable LED light source.     

白光LED封装用蛾眼化荧光玻璃制备及光学性能

针对荧光玻璃封装白光LED存在的全反射损耗问题,制备了一种蛾眼化荧光玻璃用于提高白光LED光学性能。采用光刻和刻蚀工艺在蓝宝石基片的单面上制作出蛾眼阵列结构,再利用丝网印刷和低温烧结工艺在蓝宝石的另外一面制备YAG∶Ce^3+荧光玻璃层,最后将制备的蛾眼化荧光玻璃用于白光LED封装。通过控制荧光层厚度可以有效调节白光LED发光性能,当荧光层厚度为40μm时,白光LED光效为77.8 lm/W,色温为6024 K,显色指数为69.5。与平面荧光玻璃封装结构相比,在100 mA电流下蛾眼化荧光玻璃封装结构的光效提高了24.9%。结果表明,蛾眼化荧光玻璃提高了白光LED光效,有利于促进荧光玻璃封装白光LED的实际应用。     

荧光粉浓度和电流强度对白光LED特性的影响

讨论了荧光粉浓度及驱动电流强度对白光LED特性的影响。采用软件模拟实验和实际封装测试相结合的研究方法进行分析研究。对荧光粉浓度变化对白光LED光通量和相关色温(CCT)的影响进行了三维光线追迹模拟,并且进行了实际的封装验证。另外对白光LED的节温和显色性也做了深入细致的研究。研究结果表明:CCT随着荧光粉浓度的增大而减小,光通量则先上升后下降。同时由荧光粉浓度和驱动电流强度变化所引起的节温升高会降低荧光粉的转换效率。对显色性而言,采用高浓度荧光粉封装的白光LED有相对低的显色指数;并且显色指数随着驱动电流强度的增加而升高,最终趋于稳定。     

Optimization and integration of LED array for uniform illumination distribution

A design method for light-emitting diode （LED） array is proposed to achieve a good uniform illumination distribution on target plane. By using random walk algorithm, the basic LED array modules are optimized ftrstly. The optimized basic arrays can generate uniform illumination distribution on their target plane. The optimized basic LED array mod- ules can be integrated into a large LED array module with more than tens of LEDs. In the large array, we can select a sub-array with K LEDs （K〉7）, which can produce the good uniform illumination distribution. By this way, we design two LED arrays which consist of 21 and 25 LEDs, respectively. The 21-LED array and 25-LED array can generate uniform illumination distributions with the uniformities of 95% and 90%, respectively.     

三芯片集成高显色指数白光LED的研究

运用基于蒙特卡罗的光线追迹方法,对采用"光转换"兼"多色混合"技术的白光LED的显色指数、相关色温、光通量、光辐射功率、荧光粉颗粒密度和色坐标进行了仿真计算和优化选择。通过改变红、绿、蓝三种LED芯片的组合方式和红、绿、黄三种荧光粉的混合方式及各色荧光粉的密度,在保证有合理的光通量输出的条件下,得到了不同色温区的高显色指数白光LED。从显色指数角度看,冷白、正白和暖白光应分别选择BBB芯片+绿、红色荧光粉、BBB芯片+黄、红色荧光粉和RBB芯片+黄色荧光粉组合。实验上测试了采用这几种组合方式的白光LED光谱、显色指数、色温、光通量和色坐标,实验数据与仿真结果基本吻合。     

大尺寸背光系统的倾斜LED阵列

为获得非常均匀的高亮度,建议采用倾斜LED阵列和平底反射器大型背光系统。倾斜LED重新安排优化光源的角度分布,而不必另外设计光学配置。新式背光系统比传统系统的结构更简单。作为设计范例,在22in显示屏上,LED的最佳倾角为10°,产生的均匀度高达85%,色域比商用CCFL背景灯色域宽1.3倍。     

Improvement of lumen efficiency in white light-emitting diodes with air-gap embedded package

In this paper, white light-emitting diodes (LEDs) with air-gap embedded package were proposed and fabricated by a simple method including pulsed spray coating. The lumen efficiency of air-gap embedded LED was enhanced by 8.8% at driving current of 350 mA, compared to conventional remote phosphor white LED. This improvement was due to the enhanced utilization of blue and yellow rays, which were confirmed by pulse current-dependent correlated color temperature (CCT). The utilization efficiency of blue rays was enhanced by 12.4% due to the embedded air-gap layer. The simulation results performed by Monte-Carlo ray tracing method agreed with our experiments, which showed enhancement in lumen efficiency and similar CCT. Finally, the electric field intensity versus different thickness for air-gap and no air-gap embedded white LED was calculated to check the incident blue rays trapped in phosphor layer.     

Uniform Illumination Rendering Using an Array of LEDs: A Signal Processing Perspective

An array of a large number of LEDs will be widely used in future indoor illumination systems. In this paper, we investigate the problem of rendering uniform illumination by a regular LED array on the ceiling of a room. We first present two general results on the scaling property of the basic illumination pattern, i.e., the light pattern of a single LED, and the setting of LED illumination levels, respectively. Thereafter, we propose to use the relative mean squared error as the cost function to measure the uniformity of the realized illumination pattern, and provide an analysis for this cost function. Based on the analysis, the design of a basic illumination pattern is discussed. The performances of a few basic illumination patterns are compared, and an approach for optimizing the basic illumination pattern through a weighted combination of these basic patterns is also proposed. A weighted combination of Gaussian and raised-cosine functions is found to yield the best results. Finally, three basic regular grid shapes for an LED array are compared. The results show that 13% and 39% of LEDs can be saved for the same degree of uniformity, using the hexagonal instead of the rectangular and triangular grid, respectively.      

阵列化互连LED模组寿命分布的蒙特卡洛模拟

利用蒙特卡洛方法对阵列化互连LED模组的可靠寿命进行了模拟,假设分档后的大功率白光LED的正向电压符合正态分布,额定电流下的寿命符合对数正态分布,且寿命和电流、温度的关系符合Eying模型,研究了n×n(6≤n≤12)LED阵列的寿命分布.模拟结果表明,对于n×n LED阵列,寿命随LED数目的增加没有下降反而略有增加...     

一种新型白光LED模组驱动电路的设计

为了改善白光LED模组的照明质量,实现对白光LED模组色温的调节,通过分析白光LED模组的驱动电路技术,提出了一种新型白光LED模组驱动电路的设计方案。该驱动电路中利用PWM方式驱动RGB三色LED,并通过光强反馈来分别控制三色LED的PWM信号。该电路具有稳定输出光功率的功能,另外还可以调节输出光的色温和光强,达到了良好的照明效果。