为了有效提高半导体发光二极管（LED）光学系统的空间利用率，设计了一款基于负焦距透射结构的自由曲面准直透镜。该准直透镜分为透射准直和反射准直两部分，设计基于几何光学、斯涅耳定律以及能量守恒定律，通过使用Matlab软件编写算法迭代计算得到透镜的2D曲线数据，然后将2D曲线数据导入Solidworks软件旋转360°后得到准直透镜的3D模型，再导入光学建模软件Lighttools进行光线追迹，根据接收面上的光斑情况对准直透镜进行优化，优化后的准直模块经过模拟仿真，光能利用率为88.45%，光束角为±2.23°，具有优越的准直性能，相比传统的单透射自由曲面准直透镜，采取负焦距透射结构设计的准直透镜体积同比减少63.13%，能更有效地实现对LED光线的调控并减小透镜的体积。

为了有效地收集半导体发光二极管大范围的出射光以实现光能的高效利用,设计一款基于全内反射结构的多个自由曲面准直透镜,该透镜的初始结构是根据Snell定律和能量守恒定律等光学原理的算法设计而成。将该透镜的初始结构导入Creo软件中并进行360°旋转以得到3D实体模型,将其转入TracePro光学软件中进行蒙特卡洛光线追迹的模拟,在距离接收板20 m处接收到一个圆形光斑。对该透镜模型进行法矢修正,优化后的透镜经过模拟仿真,透射能力高达182 cd/lm,光束角为±1.621°。将优化后的透镜与传统的全内反射结构透镜进行对比,经验证发现优化后的透镜对窄光束的调控能力更好。

针对现有LED太阳模拟器同时解决准直性、辐照度均匀性、光谱匹配性三大技术指标的难度较高的问题, 基于光电一体化二次光学设计, 提出一种简便、高效且可实现大功率的LED太阳模拟器光学系统设计方法。采用小角度准直透镜和抛物面镜来整合光源, 通过混光棒和微结构进行匀光, 最后利用抛物面镜实现光线的准直输出, 基于同轴准直的设计思想完成LED太阳模拟器的设计。利用光学软件LightTools对LED太阳模拟器光学系统进行模拟仿真与分析优化, 实验结果表明: 在直径为260 mm的有效辐照面上辐照不均匀度为2.5%、准直角为1.5°。

基于接收信号强度算法的可见光室内定位系统具有结构简单的特点, 但是由于漫反射信道、系统噪声等因素, 其定位精度受到很大限制, 为此提出使用人工神经网络对室内可见光信道参数进行学习, 拟合室内信道参数的真实值, 实现高精度定位。首先, 使用CDMA调制技术消除室内可见多参考点光通信带来的码间干扰问题, CDMA解扩信号经过归一化操作后输入人工神经网络对坐标函数进行训练, 使之拟合室内可见光通信信道参数, 估计出接收机到各个LED参考点之间的空间距离。其次, 由于神经网络训练数据噪声及接收机信号噪声会影响定位精度, 我们提出使用Newton-Raphson迭代法, 进一步逼近测试点的真实坐标。实验结果表明, 在1 m×1 m×1.2 m的室内可见光通信定位系统模型中, 本系统在二维定位应用时平均定位误差为0.87 cm; 在三维定位应用时平均定位误差为1.47 cm。本文提出的基于接收信号强度的可见光室内定位系统, 使用CDMA调制技术, 接收信号经过解扩后输入人工神经网络对信道参数进行距离估计, 为了进一步地减小噪声等随机过程带来的定位误差, 提出一种定位专用的定位坐标解迭代逼近算法, 结果表明本系统在二维定位及三维定位均可实现很高的定位精度。

针对LED高光效、高显色指数的要求,在分析LED光学性能的基础上,采用板上芯片(COB,Chip on Board)技术研究了表面涂覆硅胶量对COB白光LED的光通量、光效、色温和显色指数的影响,并提出一种高光效、高显色指数、低色温的白光LED封装方案,提高了COB白光LED的出光效率,实现了特定的光学分布,最终实现14W COB封装结构下的白光LED,在电流密度为30A/cm2时,其色温、显色指数及光效分别为4900K、82和125lm/W。

以聚碳酸酯(PC)粉体、 有机硅光扩散剂和YAG∶Ce荧光粉为原料, 通过熔融共混法和高温压模法及减薄抛光工艺制备出不同有机硅光扩散剂质量分数的PC/YAG∶Ce光散射荧光树脂样品, 通过SEM、 XRD、 透射光谱和PL的性能分析, 表明: 荧光树脂样品在500～800 nm光谱范围有较高的透光率, 样品的主相都为Y3Al5O12, 在342和448 nm有两个激发波峰, 发射光谱在532 nm有一宽峰, 属于Ce3+的5d→4f特征跃迁发射, 对应的荧光寿命在61.5 ns左右。 把荧光树脂样品应用到白光LED器件的封装获得的光效为81.12 lm/W@100 mA, 说明PC/YAG∶Ce荧光树脂片适用于作白光LED封装的新型荧光材料。

采用熔融共混法和高温压模法制备出PC/YAG∶Ce荧光树脂片, 样品经减薄和抛光处理后, 通过X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、光致发光(PL)、透射光谱等测试手段进行分析。厚度为0.87 mm的样品在500~800 nm范围内的透过率约为65%。样品主相为Y3Al5O12, 在342 nm和448 nm有两个激发峰。样品的发射光谱在532 nm有一宽峰, 属于Ce3+的5d→4f特征跃迁发射。荧光树脂片中荧光粉含量越高, 样品发射强度越大, 是一种适合用于白光LED封装的新型荧光材料。

利用方波脉冲调制和正弦波调制方法对自生长台阶形的蓝光发光二极管(LED)进行脉冲响应特性及调制带宽的测量分析；并利用APSYS软件计算了此种台阶形蓝光LED的能带图，计算表明，台阶形导带带阶提高了43 meV，价带带阶下降了36 meV。这一结果说明：采用台阶形电子阻挡层(EBL)的结构设计，有利于提高LED的发光功率和响应特性，这一性能的提高主要是由于更高的有源区载流子注入密度，进而提升有源区的电子空穴辐射复合率。