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【光电热点大家谈】基于固态照明的创新应用及可见光通信技术研究
发布时间: 2019-5-8 15:07:42

基于固态照明的创新应用及可见光通信技术研究

主讲人:许毅钦

日期2019.5.7 星期二晚上8点

地点:广东省光电技术协会会员群


主讲人简介:

许毅钦,博士,广东省半导体产业技术研究院封装应用部主任。一直从事光学设计、高品质白光LED照明、光谱运算、高品质光源制备等研究工作,积累了丰富的技术开发、工艺制造及项目管理的经验。先后承担和参与了多个国家省、市级科研项目,项目总经费超过7000万元。近期发表期刊论文17篇,其中SCI 10篇,EI论文3篇。申请了25项专利,获得1件软件着作权,开发了40mm直径下实现2°发射角的单光学透镜,K值大于250,成果转化孵化企业一家。

本报告主要分三部分,第一部分为引言,第二部分为基于固态照明的创新应用研究,包括激光照明、探照灯、微LED显示、农业照明、健康照明灯,第三部分为基于图像传感器的可见光通信技术研究。该报告篇幅较广,由于时间限制,第二部分简单带过,今晚将详细汇报第三部分。


首先看第一部分。跨界合作是种新的发展,新的需求,在经济高速发展的态势下,各行各业都面临着洗牌。照明行业也开始进入到深度调整期,创新跨界合作是新的经济和技术增长点。如今LED不再只是一盏灯,通过LED与其他应用联合,可实现LED技术的革新。


近期,micro-LED、农业照明、汽车照明、可见光通信、激光照明、医疗照明、航空航海用LED光源等新兴应用快速成长, 成为应用市场热点。


这里简单列出了车用LED、植物照明、紫外LED、红外LED等应用的发展情况,可见基于固态照明的创新应用,市场巨大且有待开发。


接下来将简单介绍下现有固态照明的创新应用。首先看激光照明应用。

激光照明的应用场景多,领域广,包括车大灯、探照灯、亮化灯、显示等。



激光照明是新一代照明技术,影响带动的产业预计将达万亿级规模。如下表所示:


当前激光照明存在以下问题:

1)用蓝光激光激发单色荧光粉得到的白光的显色指数较低;

2)荧光粉的激发效率不高, 需要进一步改进;

3)激光光束过于集中, 而且光斑不均匀, 为了与荧光粉更好的匹配, 需要对激光进行光斑整形、扩束、准直、光斑均匀化;

4)激光器件的封装结构需要进一步升级。



主要技术难点有:

(1)光学设计

(2)光转换材料

(3)激光器件的封装技术和封装结构



接下来,我们看第二种固态照明的创新应用——海洋用探照灯。


随着固态照明技术的发展,其发光功率密度越来越高、能耗越来越低、光学设计能力越来越强,以LED和LD的固态照明技术将掀起海洋照明领域新一轮产业技术革命。?



海洋用探照灯按光源分类如下图所示:

其技术对比如下表所示:

基于固态照明的海洋用探照灯,存在以下技术难点:

(1)高功率密度光源(LED/LD)

(2)窄角度光学设计(<2°)

(3)功率、散热、结构、重量等系统性制约问题


我们看第三种固态照明的创新应用——micro-led。相信大家对Micro-LED都很熟悉,因为近期micro-LED非常火。



先看看micro-LED的定义。micro-led拥有众多优点,详细见下页PPT:




微LED应用场景广泛


随着技术和成本瓶颈的逐渐突破, Micro-LED 显示器市场有望从 2018 年开始快速成长, 据yole预测,在 2025年达到 3.3 亿台的出货量。潜在市场规模可达30亿美金。




当前micro-LED实现全彩的方法有:


现有Micro-LED的技术难点:

1)波长均匀性

2)芯片工艺

3)巨量转移

4)量子点荧光粉均匀喷涂

等等


接下来看另一个创新应用——健康照明


网膜里有三种感光细胞,分别是视杆细胞和视锥细胞和视网膜特化感光神经节细胞(ipRGC)。ipRGC及其非视觉通道的发现,彻底革新了人们对照明科学的认识和评价,从此,照明科学不仅需要考虑视觉效果,还应考虑非视觉生物效应。

这个是视觉效应和光生物效应过程的示意图,上面红色连线为视觉通道、下面黄线为非视觉通道,时间问题,这里不展开,有兴趣的朋友可以百度或文献查看详细资料。


关于光照对人体生物效应的影响,当前已经证实至少在光谱、光强、光照模式、光照历史、照射时刻对人体的生物效应产生影响。


当前健康照明的难点:



当前健康照明评价标准方面,国内应该是蔡建奇老师团队,他们做了比较全面的研究。


在光谱实现方面,各个LED公司都推出所谓的全光谱灯珠,但现在市场上所谓的“全光谱”就是真正的健康照明光谱吗?


我想这个问题,还需要更详细更深入的研究,尤其是在生物相应和科学照明标准方面。这里也不详细展开。


现在将本报告第三部分,也是主要的部分——基于图像传感器的可见光通信技术研究。


可见光通信的背景,大家看下面ppt即可。



这张ppt要说一下,当前可见光通信系统中,主要有两种接收设备,分别为光电检测器(Photo Detector, PD)和图像传感器(Image ?Sensor, ?IS)。


本报告主要讲IS-VLC,也就是业界常说的OCC,optic camera communication 光学摄像通信。


其应用前景有:


我们知道,VLC炒了这么久,真正的应用场景也比较上。但基于图像传感器的VLC则有不同之处。


首先,IS-VLC独特应用价值。当前,全球拥有智能手机数量达到数十亿台,这些智能手机配备的光学摄像机可以进行可见光通信。可以为客户提供低成本,有益的增强现实用户体验。其次,IS-VLC市场规模巨大。可应用高分辨率汽车定位、可穿戴设备增强现实、盲人语音导航、隐形广告、指示灯传输设备状态等。具有巨大的潜在市场规模。


关于该方面的研究,我们主要集中于解决两个关键问题:1.提升IS-VLC通信速率,2.兼容高品质照明


首先看我们的第一个研究内容:兼容高品质照明IS-VLC


系统模型


我们采用了RGBA-LED作为通信光源,实现颜色MIMO通信,同时保持高显色指数。同时兼容色温、亮度调节。


这是我们研究的星座图设计:



在调制技术方面,我们采用以下调制模式,采用一些颜色用于加载有效数据,另一些颜色用于调节RGBA-LED光源的颜色和亮度稳定。



如何同时满足高品质照明和高速IS-VLC通信,主要关键如下表所示:



这里主要是应用了人眼存在视觉暂留效应,在快速多颜色变化的LED灯前,通过一定的设定,人眼分辨不出颜色变化。


只能看到颜色和亮度的叠加。我们通过编码,可以使得LED保持叠加后的颜色和亮度是我们的目标颜色和目标亮度。




这是我们实际试验,在满足CRI>83同时,实现色温稳定可调,同时实现了13.7K/s的稳定速度。


接下来将我们在IS-VLC的另一个研究。上述研究采用了一个手机摄像头,而随着人们对照片质量的要求越来越高,手机摄像机的数量越来越多,目前市场一出现双摄和四摄手机。


接下来,我们探讨基于双摄像头(RGB摄像机和单色摄像机)的IS-VLC系统。



我们建立以下信道模型,公式居多,这里不详细展开。



和第一个技术方案相似,我们采用了一下数据结构设计:


这是我们搭建的试验系统:


最后实现的通信速率达到17.1k/s. 对比其他模式的通信速率如下表所示:



该研究发表于Opt. Express 26, 34609-34621, (2018),有兴趣的可以下来查看。


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