基于粒子群优化算法的LED光照均匀性研究

摘要

随着LED产业的发展，LED在照明领域的应用也越来越多，人们对LED灯的要求已经从照亮变为舒适、健康。由于单颗LED不能满足场景照明的需求，所以，需要采用多颗LED组成阵列的方式来照明，而且LED的光强分布近似郎伯分布，光照区域光强分布不均匀，会产生眩光或阴影，人眼长时间在这种不均匀的光照环境下，会产生视觉疲劳甚至近视。本文采用改进的粒子群算法优化LED的灯具位置，使光照均匀性得到改善，并通过仿真及实验验证了此方法的有效性。
　　本文的主要研究内容如下:
　　1、LED基本理论及等效热阻模型。介绍了LED的发光原理及常见的光度学基本概念，基于热传导理论，构建了单颗LED及LED阵列的热阻模型，并通过仿真及实验得到了LED间距与LED结温之间、LED输入电流与输出光通量的关系，为下文光照均匀性优化和灯具设计提供了依据。
　　2、基于照度约束的LED光照均匀性粒子群优化算法设计。由单颗LED光源的理论模型，推导出LED阵列的光照模型，进而得出LED阵列在目标平面上的总辐射照度的表达式;以目标平面上照度的标准差作为评价函数，以平均照度为约束条件，采用改进的粒子群优化算法对LED位置进行优化，并给出另外两种常见位置分布，对以上三种位置分布进行MATLAB仿真，验证了此方法的可行性。
　　3、基于HSI色彩空间的光照均匀性判定方法。给出了由RGB向HSI色彩空间转换的方法，设计了基于HSI色彩空间亮度分量的，LED光照均匀性判定方法，通过仿真及实验验证了该方法的可行性。
　　4、LED照明光源设计实例。结合上文LED输入电流与输出光通量及发光效率的关系，设计一种高光效灯具;根据改进的粒子群算法优化的LED灯的空间位置分布，给出了一套光照均匀性高的照明系统空间位置布局设计方法，最后，通过实验验证了设计的有效性。
　　本文通过实验测试及统计分析，得出了LED的光热特性曲线，由单颗LED光源的理论模型，推导出LED阵列的光照模型，采用改进的粒子群优化算法对LED位置进行优化，提出了使用HSI色彩空间中亮度分量反映光照均匀性的方法，设计出了一套高光效、高光照均匀性的室内照明系统，通过实验验证了此方法的有效性，本文的方法为室内照明系统的设计提供了参考。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展趋势

1．2．1 国内外研究现状

1．2．2 应用及发展趋势

1．3 本课题研究的主要内容及章节安排

1．3．1 本文研究的主要内容

1．3．2 论文的章节安排

第二章 LED基本理论及等效热阻模型

2．1．2 光学基本概念

2．2 LED散热分析及等效热阻模型

2．2．1 LED热学特性

2．2．2 LED散热分析

2．2．3 LED等效热阻模型

2．3 LED光热特性实验及分析

2．4 本章小结

第三章 基于照度约束的LED光照均匀性粒子群算法设计

3．1 LED光照模型

3．1．1 单颗LED光照模型

3．1．2 LED阵列光照模型

3．1．3 光照均匀性定义

3．1．4 光照均匀性仿真及分析

3．2 粒子群优化算法设计

3．2．1 传统粒子群算法

3．2．2 粒子群算法改进方法

3．3 粒子群算法仿真及结果分析

3．4 本章小结

第四章 基于HSI色彩空间的光照均匀性判定方法

4．1 HSI色彩空间模型

4．1．1 RGB色彩空间模型

4．1．2 HSI色彩空间模型

4．1．3 RGB、HSI色彩空间之间的转换

4．2 光照均匀性判定方法

4．2．1 光照均匀性实验实测法

4．2．2 基于HSI色彩空间的光照均匀性图像判定法

4．3 实验与仿真

4．4 本章小结

第五章 室内均匀照明LED光源及灯具布局实例

5．1 设计目标

5．2 总体设计方案

5．2．1 LED阵列模块

5．2．2 恒流驱动电路

5．2．3 功率因数校正电路

5．3 LED光源阵列分布实验及结果分析

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 未来工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况