具有凸台结构的高照明均匀度倒置型植物光源设计

针对现有植物工厂采用的植物培养架照度、混色均匀度差导致农产品作物品质参差不齐的现状,提出一种高混光、高混色均匀度的植物培养架设计方案。不同于光源在上种植面在下的培养架设计模式,将红、蓝LED灯珠间隔排列阵列光源安装在植物种植平面上的凸台上,并把培养架顶部设计成漫反射面。漫反射面的引入起到增加混光距离的作用,提高光线耦合程度,从而达到了提高混光、混色均匀度的效果。进一步引入光量子通量密度均匀度以及混色均匀度共同作为考察指标,利用Taguchi方法设计并进行实验,研究不同因子对植物种植区光源均匀性的影响,再利用ANOVA理论分析了各因子对品质的影响程度多次优化后,最终获得照度均匀度为94.58%、混色均匀度为90%、能量利用率为41.42%的最优系统设计方案。然后研究了不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度的影响,最后通过测量植物在不同高度时种植面和植物表面的照度及光谱的分布情况检测植物的生长是否会遮挡光线。结果表明该植物照明系统可以在植物生长过程中提供均匀的照明,遮挡问题几乎可以忽略不计。     

适用于植物照明的高均匀度LED面光源设计

针对目前植物照明灯具混光混色均匀度差、难以满足植物工厂高效生产作物产品的问题提出了一种高均匀度的植物面光源的设计方案。利用一种棱锥状的光学元件将LED发出的光线划分为透射、反射和直射3部分,增加了光线的耦合程度,进而提高了出光面上的混光和混色均匀度。进一步采用照度均匀度代替光量子通量密度的均匀度并且联同混色均匀度作为考察指标,利用Taguchi方法设计并进行实验,研究不同因子对光源均匀度的影响,得出实验结果后进行优化,最终获得了一个照度均匀度为92.13%、混色均匀度为89.72%的植物照明面光源。     

基于菌落挑选仪的暗视场照明的优化设计

针对高通量菌落挑选仪研发的照明设计,采用暗视场照明方式,在保证照度均匀的同时大幅提升了所采集菌落图像的对比度,以提高仪器整体性能。分析了影响照度均匀度的三个重要因素,LED环形光源中灯珠的投射角度、LED环形光源的阵列层数以及LED环形光源距目标面距离。模拟结果表明,当灯珠投射角度为75°、LED环形光源阵列为三层以及LED环形光源距目标面距离为61cm时,照度均匀度最优为93.16%。采用所设计的暗视场照明方式搭建实验系统,实验结果达到项目要求,并与软件模拟结果相匹配。     

微型曲面发光二极管阵列照度一致性研究

为提高微型曲面发光二极管(LED)阵列在显示及照明使用方面的舒适度,针对微型曲面LED阵列照度分布的均匀性问题进行研究.采用TracePro光线追迹法分别计算了柱面显示阵列及球面照明阵列的照度分布.计算结果表明,曲面弯曲半径R和光源辐射参数m是影响柱面阵列照度分布的主要因素.通过合理排布阵列像素单元位置,可以增强器件显示均匀度,提高能量利用效率.10×10柱面LED阵列最大平坦化照度均匀度为90.5%.对球面环形阵列照度分布计算结果表明,单环形LED阵列照度均匀性与像素数量无关.影响球面多环LED阵列照度分布的参数主要包括环线分布系数K、环法线与第一环阵列光源法线夹角(?)_0及各环线像素光通量之比φ.以双环LED阵列为模型进行计算,获得最大平坦化照度均匀度为94.8%.调整球面多环阵列位置参数可实现不同照度分布模式.实验对比了微型LED像素单元夹角θ分别为13°,15°和17°时的照度分布,实验结果与理论计算较为一致.本文取得的理论与实验结果可以为微型曲面LED显示及多模式智能照明设计提供参考.     

基于Taguchi方法的曲面LED阵列照度问题研究

为了分析曲面底板配光的LED阵列照明照度的影响因子,采用Taguchi实验方法设计实验,并运用TracePro软件进行仿真模拟,再通过ANOVA理论分析出因子对LED阵列品质的影响程度,优化曲面底板LED阵列的各项结构参数。结果表明:LED芯片数量对于照度均匀度及最大照度的影响最大,分别占有81.84%和91.58%的影响地位。进一步地,通过微调芯片与光轴的夹角可以得到更好的照度均匀度。以上研究结果为解决曲面底板照明的照度问题提供了理论依据。     

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。     

用于扩展光源均匀照明的自由曲面反馈设计

为克服点光源近似条件下设计得到的自由曲面应用于扩展光源系统时均匀度降低的缺点,基于偏微分方程法提出了一种反馈优化算法.建立了扩展光源辐射模型,在点光源近似条件下求解偏微分方程数值解得到初始曲面结构;讨论了光线传输方向经过轴线时该初始结构在应用于扩展光源均匀照明系统时的不足.提出以初始仿真结果中目标面上的照度分布作为反馈,通过重构目标面划分来实现曲面二次优化设计的方法,并利用TracePro进行了光线追迹仿真实验.模拟计算了500万条光线、直径3cm的扩展光源在距离30m、直径10m的照明区域内的照度分布,发现优化前后目标面上照度均匀度从60%提高到90%以上,证明了该反馈算法能够有效提高目标面上照度均匀性,对提高实际光学系统的照明效果具有一定的指导意义.     

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.     

基于序列光线追迹原理的快速优化照明设计

为解决LED扩展光源照明系统设计时,优化时间较长且多软件数据传输繁琐等问题,提出了一种仅用Matlab软件进行快速优化设计的方法。该方法将成像设计中的序列光线追迹原理应用于照明设计中,并利用菲涅尔公式与照度补偿理论,提高了照度拟合速度。同时,通过该方法可将光线追迹与反馈优化紧密相连,实现对照明系统的一站式优化设计。以一紧凑型（h/d=2.5:1）匀光透镜设计为例进行试验,结果表明:给定光源和目标面的参数后,获得匀光透镜数值解的优化时间仅为8 min,优化时间缩短近一个数量级;经SolidWorks成型和TracePro仿真测试,目标面上的均匀度和光效分别达到86.75%和88.42%,照明效果提高明显。     

基于近场均匀照明的LED二次曲线阵列的研究

基于几何光学与辐辐射照度理论,对满足均匀近场照明的半导体发光二极管(LED)二次曲线阵列进行分析,推导了光源照射到屏上的总辐射照度表达式。依据斯派罗法则,利用Matlab数值优化工具包对表达式计算,并结合TracePro软件对所设计的阵列进行光线追迹仿真。结果表明,与平面阵列相比,二次曲线阵列可以得到更大角度的光场分布。对两种特殊二次曲线的二维和三维阵列进行分析和模拟,使照明面上的均匀度得到优化。该方法为LED照明模组的设计提供了重要参考。     

光量子体系下基于粒子群算法的LED植物照明光源设计

在现代农业生产中,常采用发光二极管(LED)作为植物照明光源对农业作物进行补光,为提高LED植物照明阵列光源的均匀度,本文在光量子体系下,提出一种新的基于粒子群算法的LED植物照明阵列光源设计方法。通过MATLAB对红蓝光LED植物光源阵列进行数学建模,运用粒子群算法寻找高均匀度条件下的红蓝光LED坐标,设计出二维情况下的红蓝光LED排布阵列;在三维情况下,为解决维度升高时可能会导致的求解陷入局部极小问题,采用改进的随机惯性权粒子群算法进行三维方案设计,并使用Tracepro对两种设计方案进行验证,与传统的红蓝光LED等间距逐行排列设计进行了对比。研究结果表明,与常见逐行排列LED阵列设计达到的光量子通量密度(PPFD)均匀度为79.6%相比,通过粒子群算法寻优的设计方法,二维设计方案的PPFD均匀度达到88.7%,较等间距逐行排列设计提高了9.1%;三维设计方案的PPFD均匀度达到92.6%,较二维设计方案提高了3.9%,较等间距逐行排列设计提高了13%。本实验证明了运用粒子群算法在二维和三维空间进行LED植物照明阵列光源设计的可行性,在简易设计流程的同时,提高了工作效率。     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

原棉异纤维检测系统照明光源光照度分布研究

在基于机器视觉的原棉异纤维检测系统中,选择能满足检测系统的光源和照明方案是提高系统检测率和检出率的关键,使检测对象尽可能多地显现出特征信息。选用单芯片InGaN(蓝)/YAG荧光粉型白光LED作为照明光源,采用理论计算和非成像光学设计的方法对LED阵列的光照度分布进行了研究,并根据原棉异纤维检测系统对光源光照度的具体要求,设计出了LED正方形阵列和三角形阵列两种排列方式,并利用TracePro软件对两种阵列形式进行仿真。通过比较两种阵列形式光照度分布的结果,最终选用高光照度且均匀性好的LED三角形阵列作为原棉异纤维检测系统的照明光源,满足了机器视觉成像的要求。     

LED阵列型植物光源的均匀性研究

基于现有的LED植物光源在植物培育中光照不均匀的问题,对目前的植物工厂中使用较为广泛的红、蓝LED阵列型光源进行优化设计。通过对比四种不同的LED阵列排布方式,采用9点法进行PPFD值的测量和光谱的测量,进一步观察平面上光量子通量密度的均匀性和光谱分布的均匀性,进而寻求效果较好的LED阵列排布方式。结果表明:红蓝LED芯片交差分布和阵列行列交错分布的排列方式有利于提高光源阵列光谱的均一性。     

基于复合抛物面集光器的LED教室灯具的配光设计

为了对LED教室灯具配光,建立了复合抛物面集光器配光系统。分析了LED光源发光特性,阐明了对LED光源进行二次配光的必要性。建立了三维复合抛物面集光器（CPC）模型,并由边缘光线原理计算得出三维复合抛物面集光器（CPC）模型各参数与最大出射半角m的关系,分析了m的制约因素。由阅读灯照度均匀度要求,确定了复合抛物面集光器（CPC）模型各参数的值,在光学分析软件Tracepro中建立了CPC模型,将LED光源置于其焦平面上,结合教室桌面与灯具距离,模拟了基于CPC配光的LED教室灯具的照度分布。试验结果表明,CPC配光系统最大出光半角为30时,光照均匀度超过0.7,满足建筑照明设计标准 GB 50034 2004对阅读照明的要求,该灯具有效光通可达95%以上。     

高均匀低眩光LED台灯配光设计及仿真分析

市场上的节能台灯普遍存在光效低、亮度不均匀、眩光较严重的缺点,以改善这些缺点作为出发点,设计了一款高均匀低眩光的LED护眼台灯.设计加入非球面反光杯灯罩来收集LED光源发出的大角度光线,提高了光能的利用率并改善了眩光.加入配光透镜消除接受平面存在的中心亮斑,解决了均匀照明问题.通过ProE三维设计软件进行实体建模,导入TracePro进行光线模拟和仿真分析,结果表明这一LED台灯配光设计可在工作距离为450 mm、直径为700 mm的接收面内实现低眩光高均匀照明,平均照度可达497.1 lx,平均度达到0.9左右.这一高均匀低眩光LED护眼台灯的设计方案有着广阔的实际应用前景.     

展陈照明光源光谱对光敏文物的辐照损伤研究

展陈照明中的光辐照会对光敏文物材料造成褪色、老化等辐照损伤,尤其对字画、染色丝绸、彩绘陶器等颜色非常丰富的光敏性文物损伤巨大,不利文物安全。国内外展陈照明标准为减少对文物的辐照损伤,严格控制照明标准水平,如光敏文物的照度仅50lx,不利于观众更加细致的欣赏这类文物。随着半导体固态光源Light emitting diode （LED）技术的发展,其光谱中不含对文物损伤最大的紫外和红外波段,与传统光源相比具有天然优势,能够实现在相同照度条件下对文物产生更小的伤害。并使得在不增加对文物损伤的前提下,提高照明环境亮度从而改善照明环境水平成为可能。然而,即使仅有可见光光谱,可见光光子能量仍会对材料造成不可逆的损伤。而LED光源光谱多样,甚至有较大差异,在LED光源大规模进入文物展陈照明领域时,如何科学指导博物馆文物照明光源的研发与应用,是改善文物展陈照明环境的关键问题。该研究对常见光敏文物材料进行可见光连续辐照下表面颜色属性变化的测量研究,通过制备常用的国画颜料和植物染料样品（国画颜料主要有硃磦、赭石、三青、花青、胭脂、炭黑、曙红、酞青蓝;植物染料主要有茜草、黄檗、栀子、靛蓝、槐米、苏木、紫草）,利用不同波长单色光和不同色温复合光的LED作为光源,对样品进行大剂量连续辐照实验。辐照过程中,定期测量材料表面颜色的色度学参数L*, a*, b*,以CIE 1976 L*a*b*均匀色空间色差计算方法,求算出不同光谱的LED光源辐照后样品的色差变化。再分别从辐射度学和光度学出发,对比分析具有不同光谱的LED光源对国画颜料和植物染料的长期辐照影响。实验结果表明：不论从辐射度学还是光度学角度分析,相同辐照剂量或曝光量照射后,单色光中短波长的蓝光辐照导致样品的色差最大,绿光次之,红光最小;而在复合光中,高色温LED光源由于蓝光占比较大,对样品的辐照影响明显高于低色温LED光源;目前利用光照度对博物馆照明环境进行评价时,由于蓝光对应的人眼视见函数数值较低,与辐射照度评价相比,蓝光辐照对文物的影响会被进一步低估;相同光照条件下,植物染料的老化程度总体高于国画颜料;黄色系的植物染料（黄檗、槐米）和红色系的国画颜料（硃砂、曙红）在光照过程中更易老化。因此,博物馆展陈照明的LED光源应严格控制蓝光成分,采用低色温的光源更有助于对文物的保护。在今后制定文物展陈照明标准时,应对光源的蓝光占比进行限制。此外,对于黄色系、红色系等光敏文物进行照明时,相应的展陈照明标准应更为严格。该研究对于LED光源在博物馆照明更加合理的研发与应用,以及未来博物馆展陈照明标准改进及照明条件改善具有重要指导意义。     

Glareless light-emitting diode lighting tube

We develop a novel light bar waveguide design to produce a glareless light-emitting diode (LED) lighting tube. We design optimal parameters, such as the gap y between the tube and the reflective surface, the relative distance x between the lens and the LED, and so on. Using these parameters, we fabricate an illumination system consisting of LED light bulb installed at both ends of lighting tube. The lighting tube is shaped the same as a traditional fluorescent lighting tube in order to replace traditional lighting tubes without the modification of the lighting stand. The LED lighting tube is glareless to the observer from the side view.     

LED照明系统的光照均匀性设计

随着大功率LED发射光强的不断提高,采用单粒LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。根据非成像反射器的设计方法,研究了一种以单粒LED为光源的照明系统光照均匀性问题,提出了一种能实现目标平面特定区域内的照度值为常数的光反射器面形设计方法。该方法根据目标平面上的照度分布函数建立微分方程,通过求解微分方程得到反射器面形轮廓的函数,根据该函数建立照明系统的模型,用ASAP对该模型进行光线追迹,得到系统的光照均匀性,并进而确定适合数控加工的反射器面形数据。