室内可见光通信LED布局研究与性能分析

发光二极管(LED)的布局对于维持接收平面上光功率分布的稳定起着重要的作用,针对现有矩形LED布局接收功率分布存在盲区,影响可见光通信系统的性能的问题,文章根据照度均方差最小原则,设计了一种LED的圆形布局方案。通过对接收光功率分布、信噪比的分布进行仿真,研究了圆形布局和矩形布局方案。结果表明,在LED数量相同的情况下,非视距链路接收的功率分布优于视距链路的接收功率分布,但墙面反射降低了信噪比降。同时,圆形布局增强了房间角落处的接收功率,且圆形布局的信噪比波动小于矩形布局。文章的结果为室内可见光通信系统光源布局的研究提供了一种新的思路,同时为未来室内可见光通信链路的建立提供参考。     

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。     

矩形光场LED一次透镜光学设计

定义LED器件的光学结构,建立LED封装的数学模型及其方程,运用龙格一库塔法在Matlab求解方程,获得具有矩形均匀照度光场的LED在x、y两个方向截面曲线的相关数据,在Solidworks中建立自由曲面模型,将模型导入Tracepro软件,通过Tracepro修改模型及光学仿真,得到希望的LED矩形光场一次透镜光学模型.     

LED照明的光学器件设计与仿真

大功率LED集成光源在实际照明工程应用很多,但是集成光源的照明效果不是很理想。为了解决大功率LED集成光源难以直接应用于照明的问题,根据非成像光学理论,设定合适的初始参数,利用能量守恒建立LED光源与目标照明面之间的映射,设计了筒灯反射器和透镜。并用Tracepro软件对这两类光学器件进行模拟仿真,均得到了良好的均匀圆形照明光斑。仿真结果表明,设计出的反射器和透镜,随着发光光源面积增大,照度均匀性都降低,当光源尺寸均设置为1 mm1 mm时,照明面上照度均匀性都达到95%以上,当光源尺寸增大10 mm10 mm时,照明面的照度均匀性下降到85%,符合对均匀性很高的室内照明设计标准。     

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。     

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。     

实现白光LED阵列色温分布均匀化技术研究

本文通过优化白光LED阵列的结构,实现在目标面上产生均匀的色温分布。通过收集系统中每颗LED的色温坐标矩阵与照度矩阵,根据色温叠加公式,计算LED阵列在目标面上叠加后的色温分布,构建目标面上色温均匀度评价函数,评价函数反应目标面上色温分布的均匀性。通过优化阵列中LED的位置,使得评价函数的值最小,即目标面上色温均匀度最高。运用这种方法我们优化设计了两个实例:(1)相同规格的9颗白光LED方形阵列;(2)不同规格16颗圆形白光LED阵列,优化后色温均匀度均达到了95%以上。利用这种方法同样可以在目标面上同时实现均匀的色温分布与照度分布,设计9颗相同规格的白光LED以3×3方形阵列方式排布,优化后色温均匀度从78%提升到88.7%,照度的均匀度从42%提升到87.6%。分析实际加工制造过程产生的误差对色温均匀度的影响,随着制造误差的增大优化后色温均匀度下降,但均优于优化前色温分布均匀性。     

大视场凝视型红外共形光学系统设计

为提高导弹整流罩气动性能,增强导引头系统稳定性,增大观察视场,完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合,通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题,最终获得±90°的无渐晕观察视场,其冷光阑效率为100%,全视场MTF在15 lp/mm处均大于0.5,点斑均方根半径小于30μm,在半径为50μm圆内能量集中度为93%以上,像面相对照度高于85%,满足大视场光学系统的成像要求。     

基于无缝平凹透镜阵列的LCD背光模组设计

针对大尺寸LCD直下式背光模组的均匀性问题提出了一种无缝平凹透镜阵列,用以代替常用的扩散膜。模拟了106.68mm(42in)LED背光源的光学分布,得到了合适的透镜半径、结构以及LED阵列间距,分析了平凹透镜阵列半径和平凹透镜阵列与光源的相对位置对匀光作用的影响。结果表明:半径为1mm、厚度为2mm的无缝平凹透镜阵列较好地起到了匀光的效果,接收面的照度均匀性为88.61%。     

基于菌群算法的飞机铆钉表面缺陷检测系统光源优化控制

由于飞机铆钉缺陷检测系统的光照效果对缺陷检测质量发挥着关键作用,因此本文对其照明系统进行优化。以被测零件背景图像灰度的均匀度为优化目标,在拟合LED点光源照度分布函数的基础上,利用菌群算法对光源系统参数进行寻优运算,根据寻优结果对光源系统进行结构优化同时对各LED点光源进行功率控制,并通过光学元件进一步提高优化效果。实验结果表明:优化后光照均匀度在95%以上,满足铆钉检测的光照要求。该方法实现了照明系统对铆钉顶圆面均匀照射的效果,成像质量显著提高。     

折叠式微型数码镜头的设计

设计了一款折叠式微型数码镜头。该镜头的F数为3,视场角为52°,总长度为6.67 mm。该系统具有良好的成像品质。子午和弧矢MTF曲线在0.73视场、空间频率为285 lp/mm值大于0.3,系统的畸变约为-1.3%,该系统在最大视场处的相对照度约为70%左右,横向色差在0.9视场附近最大,约为0.42μm,小于单个像...     

导光板网点设计与优化

在实际生产中,为了减少任意数目LED作为光源的背光模组中导光板网点设计的改版次数,削减开发时间成本,提出一种新的关于任意数量LED作光源、矩形侧入式导光板网点分布设计的理论方法。在此方法的基础上,应用TracePro软件建立导光板仿真模型,输入理论计算公式,并利用光线追踪功能,得出初步的仿真照度图,并最终利用TracePro平台中的Texture Optimizer优化模块,对初步理论计算设计所得网点分布进一步优化。在3颗LED作为光源的模型中,优化后均匀度达到87%,符合国家标准。     

一种面向LED扩展光源的道路配光设计

在多车道的道路照明中,需要非对称矩形配光。本文根据非成像光学理论,建立点光源空间与目标照明面之间的拓扑关系,采用合适的反馈优化方法,获得面向扩展光源且在路面上形成均匀非对称矩形光斑的反射器,仿真结果表明,配光后光源的能量基本上被限制在20m×12m的矩形区域内,且实现了非对称的配光,横向照度均匀度达到了85%,纵向照度均匀度达到了80%,满足道路照明要求;并且通过开模实际测试出整体的照度均匀度为80.13%,验证仿真结果以及证明了设计方案的可行性和反射器在路灯灯具中的实用性。     

自由曲面透镜白光LED光束整形技术

为了获得高均匀性、对称性及一些特殊形状强度分布的白光发光二极管(LED)光束以满足某些特定的需求, 基于白光LED光源为朗伯光源的特性, 运用自由曲面透镜的方法对LED光束进行了光束整形, 分别采用单一自由曲面透镜以及全内反射(TIR)透镜与微透镜阵列组合两种不同的整形结构, 进行了加工工艺和原理理论分析, 并通过了实验验证。结果表明, 实验得到的圆形均匀光斑, 其总光线利用率高达96%, 有效面积光线利用率为88.4%;得到的矩形均匀光斑, 总光线利用率为91%, 有效面积光线利用率为78.7%, 光束均匀度均在60%以上; 通过自由曲面透镜方法进行白光LED光束整形效果极佳。该整形方法为白光LED光源的进一步广泛应用提供了重要的指导。     

基于改进粒子群算法的室内可见光通信系统灯源布局

针对传统室内可见光通信(VLC)系统中光源分布的不均匀性导致的通信盲区和通信质量不平稳等问题,提出一种位置和灯源参数联合优化的方法。该方法在不改变传统布局的总功率前提下进行发光二极管(LED)阵列的重新分配,其次遍历搜寻各LED阵列的最优位置,最后运用改进的粒子群优化(PSO)算法对各LED阵列中的参数进行优化。仿真结果表明:相较于传统光源分布,联合优化方法在满足室内照明的情况下不仅减少了灯源布局的总功率,而且提高了接收面上光照度均匀度。     

基于LED的光动力疗法光源设计北大核心CSCD

根据离体细胞光动力疗法实验研究对光源的基本要求,设计了一种基于LED的新型光源。以卟啉类光敏剂为应用对象,采用波长为627nm的LED作为光源,利用TracePro对多个LED组成阵列光源后的光分布进行数值模拟,优化LED阵列的排列方式和间距,并对LED阵列光源进行二次光学设计。在数值模拟的基础上,设计并成功开发了应用于离体细胞光动力疗法实验研究的LED光源样机。测量结果表明:LED光源辐照在标准细胞培养板区域内的平均功率密度为13.7mW/cm2,照度均匀性达到90%,可以满足离体细胞光动力疗法实验研究对光源的基本要求,有望得到推广应用。     

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。     

基于位置和功率协同优化的煤矿工作面可见光通信光源分布

分析了煤矿工作面可见光通信系统模型,设计了两种工作面通信空间发光二极管(LED)光源分布优化方法,可分别实现每个LED光源在空间顶部的二维位置的优化,以及每个LED光源二维位置及其功率分配权值的协同优化。应用烟花算法,设置接收平面的信噪比(SNR)因子作为群体优化算法的目标函数,并作为衡量接收平面信号均匀性的指标。研究结果表明,两种优化方法得到的接收平面信号SNR因子比等功率均匀阵列光源分布的SNR因子分别降低了16.6%和24.6%,明显改善了接收信号SNR波动,提高了信号均匀性,保证了不同用户之间的同等通信质量。     

自由曲面LED路灯反射器设计

针对LED路灯反射器设计中存在的中心光强较强、两边渐弱、均匀度不高等问题提出了一种新的"V型结构"光学反射器,该结构的反射器将每一个路灯覆盖的照明区域等分成两部分.由能量守恒原理建立起LED光源出射光线的角度与照明平面上的坐标的对应关系,根据对应关系计算反射器自由曲面上的点坐标.通过建模软件把诸多点拟合成曲面实体,将实体导入光学软件进行照明仿真.结果表明:该路灯反射器的照度均匀度达到77.85%,可在目标路面上形成照度均匀的矩形光斑.     

兼顾照明的可见光MIMO通信系统模型

可见光通信要同时兼顾照明和通信的双重作用,因此需要同时考虑光源布局及通信可靠性问题。为保证国际照明标准,在总LED灯珠不变的情况下,首先对光源布局进行了分析并数值计算了在同样功耗条件下3个及4个阵列布局方式的照度分布及均匀性。其次,为了提高多阵列可见光通信系统有效性及可靠性,将MIMO技术应用于VLC中,采用STBC编码数值计算了多阵列布局方式下系统可靠性。结果表明,在同样功耗条件下,4个阵列的MIMO系统照度均匀性较3个阵列提高了20.9%,当误码率为10-4时,41系统较31系统的误码性能大约可提高2 dB,42与32系统分别较41与31系统误码性能提高了6 dB与5 dB。