针对可见光通信(VLC)技术存在数据传输速率低、收发端同步困难等问题, 提出一种以彩色发光二极管(LED)阵列为发射端、手机摄像头为接收端的光学相机通信(OCC)系统。首先, 设计了一种特殊的帧结构来解决系统收发端同步问题, 并通过建立图像处理算法提取出彩色LED各通道灰度统计特性以区分LED颜色; 然后, 引入反向传播神经网络分类器提高颜色识别准确率; 最后, 以m伪随机序列作为测试数据进行系统通信误码率的测量, 研究发射端LED阵列刷新率、相机偏转角、传输距离、LED颜色数对误码率的影响。实验结果表明: 所设计的帧结构可以确保信息传输的稳定性; 当使用8种颜色进行信息传输时, 该系统可以在20~30 cm内实现误码率为10-6量级、通信速率为4.824 kb/s的实时通信。

为降低手机摄像头接收可见光信号的难度，研制了一套新型发光二极管(LED)灯矩阵可见光通信发射系统。创新性提出通信灯与定位灯结合的灯矩阵排布结构，并自主设计了隔帧加载全亮灯光画面的特殊编码方式，实现光信息并行传输的同时保证照明效果。利用Matlab仿真软件对系统的照明与通信性能进行仿真分析，并对通信性能进行实验测试。结果表明：发射系统在2次有效信息传输中穿插一帧全亮画面，可以满足照明需求，且传输误码率较低，通信性能较好。

设计了一种基于蓝绿光发光二极管光源的黄疸光疗仪光源系统。根据光线在皮肤和组织中的传递过程及胆红素和光红素之间的转化过程,通过光谱匹配,建立与目标光谱匹配度较高的光源光谱。对光源阵列进行设计和仿真,建立了光源系统,并进行照度测试,照度平均值达32.9 μW·cm ^-2·nm ^-1,均匀度达81%。为进一步提高光源系统均匀度,在光源系统中采用菲涅耳透镜阵列,当菲涅耳透镜的环距为1 mm、透镜到光源的距离为1 cm时,均匀度提升至85%,照度为31 μW·cm ^-2·nm ^-1,与设计要求相符。

为进一步提高红光微型发光二极管(LED)阵列器件的能量利用效率,对倒装AlGaInP LED阵列器件的光电性能进行研究。首先,测试对比了垂直型和倒装型AlGaInP LED两种芯片结构的出光性能,表明倒装型LED具有更高的出光功率。其次,建立了倒装型LED阵列出光功率模型,计算得到了出光功率与环境温度、基底热阻的关系:随基底热阻增大、环境温度升高,AlGaInP LED阵列器件的出光功率逐渐降低,出光饱和处对应的注入电流前移,光电性能逐渐下降。然后,采用转印法制备了6×6倒装AlGaInP LED阵列,测试结果表明,理论与实测结果较为一致。最后,利用有限元软件计算分析了Cu和聚二甲基硅氧烷(PDMS)这两种常见基底的热阻随环境、结构变化的数值关系。结果显示:Cu基底的散热较为均匀,优化基底结构或增加空气对流速率,对Cu基底热阻值的改变相对较小;PDMS材料的散热均匀性相对较差,通过优化基底结构、增大空气对流速率可以有效降低基底热阻,改善微型LED阵列器件的光电性能。

与平面目标面相比，在曲面目标面产生均匀的照度分布时，LED阵列的设计更复杂。通过优化LED阵列排布，使其在复杂曲面的目标面上产生了均匀的照度分布。构建了反映照度均匀性的目标函数，目标函数以阵列中各LED的位置坐标为变量，利用模拟退火算法对阵列中各LED的位置进行优化，使目标函数获得最小值。为了验证算法的可行性，针对圆柱形目标面、抛物线形柱状面以及正弦形柱状面，优化设计了3种不同排布的LED阵列，优化后的LED阵列在相应目标面上的照度分布均匀性分别达到99.0%、99.3%和97.0%。分析了LED阵列中各LED的装配公差对目标面照度均匀性的影响，模拟结果表明：装配公差在0.2 mm以内，目标的均匀度下降不超过0.3%，说明这种设计方法具有一定的实用价值。

传统基于照明的光源布局方式在室内难免会存在光照度不均匀现象，造成通信盲区效应，从而影响通信系统的可靠性。为了解决此问题，以4 m×4 m×3 m房间为模型，在常用的室内光源布局模式下，采用光照度补偿技术，对其进行合理的布局优化，得出了一种由5个发光二极管阵列组成的光源布局方式，这种布局方式可同时降低系统功耗并提高光照度均匀性。为了兼顾可见光通信(VLC)系统的可靠性，采用室内接收平面的光照度标准差与通信中接收平面的平均误码率(BER)构建系统优化模型函数f(L，i)，当f(L，i)达到最小值时可同时满足接收平面的照度要求和通信BER要求。仿真结果表明，当L=0.35 m、i=0.025 m时，f(L,i)取最小值，此时接收平面光照度的最小值为301.26 lx，最大值为389.90 lx，均匀度为93.24%，系统照度标准差为20.1，功耗为140.5 W，BER为6.39×10-7。所提系统可同时兼顾室内接收平面光照度分布的均匀性和通信的可靠性，为室内VLC光源布局提供了一种优化方法。

为了解决高速摄影中由于时间短、同步难和照度低导致拍摄不到弹丸的问题，设计了一种同步触发光源系统。该系统以高亮度发光二极管(LED)阵列为光源，采用现场可编程门阵列进行控制。使用MATLAB软件对LED阵列进行仿真后可知，在距光源1m的中心位置上，该阵列光源的最大光照度可以达到9×104Lux。实验中，实验弹出膛时启动相机拍摄，同时输出触发电平同步触发光源系统。结果表明，当实验弹的装药量为0.15g、相机帧频为5000frame/s时，经估算出膛速率大约为100m/s，并且同步触发光源有效地提高了照度和补充光照的同步程度。此研究对提高弹丸测试技术是有帮助的。

为了实现对待测样品高质量的体视显微成像，提出了基于可编程发光二极管（LED）阵列照明的透射体视显微镜。该显微镜光学系统使用可编程LED阵列作为照明双光源，照明孔径、角度以及波长均可自由选择，通过改变可编程LED阵列上红蓝圆形光源的半径r和圆心间距d分别实现对体视显微镜焦深和体视角的灵活可控。实验结果表明，该显微镜系统简便，观察者根据自身需要选择合适的焦深和体视角可有效解决因人眼瞳距个体差异大引起单一体视角出现的双像不能重合等问题，实现对待测样品的直接体视显微观看。使用数值孔径NA=0.1(4×)的显微物镜，在最佳参数r=2，d=3时可清晰观测到待测样品的层次关系以及相对位置等三维信息。

在驱动电流为350 mA时, 测量了LED阵列在不同衬底温度下的归一化光谱功率分布, 然后计算质心波长, 并分析其与LED阵列平均结温变化量的关系, 最后研究了质心波长表征结温的准确度。研究结果表明: 采用1 nm采样间隔的光谱仪, 质心波长与平均结温的变化成良好的线性关系, 其线性度明显优于中心波长法。同时, 质心波长的测量精度更高。因此, 质心波长测试是一种可以精确表征AlGaInP基LED阵列平均结温的有效方法。

提出了一种采用归一化光谱分布的总体差异表征AlGaInP基发光二极管(LED)阵列平均结温的新方法。采用光谱仪测量了不同衬底温度、不同注入功率时，3种LED阵列的归一化光谱分布，研究了归一化光谱分布差异与LED阵列平均结温的关系，并将归一化光谱分布差异表征平均结温的准确度与文献报道的中心波长法相比较。研究结果表明：无论是改变衬底温度还是注入功率，采用常用的1 nm采样间隔的光谱仪，归一化光谱分布差异与LED阵列平均结温的变化成良好的线性关系，线性度优于中心波长法，因此归一化光谱分布差异可以用于平均结温的测算，且准确度高于中心波长法。