基于led阵列与漫反射自由曲面的均匀照明光源设计

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1、第３５卷第４期２０１４年７月应用光学ＪｏｕｒｎａｌｏｆＡｐｐｌｉｅｄＯｐｔｉｃｓＶｏｌ．３５Ｎｏ．４Ｊｕｌ．２０１４文章编号：１００２－２０８２（２０１４）０４－０５９８－０５基于ＬＥＤ阵列与漫反射自由曲面的均匀照明光源设计刘百芬，金小龙，祝振敏（华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌３３００１３）摘要：提出一种由平面ＬＥＤ阵列与高漫反射率自由曲面构成的间接照明方式。基于ＬＥＤ光源与理想漫反射表面的朗伯特性，构建照明系统的数学模型。根据目标平面预期的光强分布，建立一组微分方程，利用数值方法求解得到漫反射自由曲面的面形轮

2、廓，通过光学软件对该漫反射光源系统实体模型进行非序列光线追迹仿真，模拟结果显示检测区域辐照均匀度达到９０％以上，验证了该方案设计均匀照明光源的正确性与有效性。关键词：应用光学；均匀照明；自由曲面；漫反射中图分类号：ＴＮ３６４．２；ＴＭ９２３．０１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．５７６８／ＪＡＯ２０１４３５．０４０１００８ＵｎｉｆｏｒｍｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｄｅｓｉｇｎｂａｓｅｄｏｎＬＥＤａｒｒａｙａｎｄｄｉｆｆｕｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｆｒｅｅｆｏｒｍｓｕｒｆａｃｅＬｉｕＢａｉｆｅｎ，ＪｉｎＸｉａｏｌｏｎｇ，ＺｈｕＺｈｅｎｍｉ

3、ｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｃｈａｎｇ３３００１３，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＡｎｉｎｄｉｒｅｃｔｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｗｉｔｈｆｌａｔＬＥＤａｒｒａｙａｎｄｄｉｆｆｕｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｆｒｅｅｆｏｒｍｓｕｒｆａｃｅｗａｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＬａｍｂｅｒｔｉａｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＬＥＤｓａｎｄｉｄｅａｌｄｉｆｆｕｓｅｓｕｒ－ｆａｃｅ，ａｍａｔｈｅ

4、ｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｗａｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ．Ａｓｅｔｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌｅｑｕａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｅｘｐｅｃｔｅｄｅｎｅｒｇｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｎｔｈｅｔａｒｇｅｔｐｌａｎｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈｓｏｌｖｉｎｇｔｈｅｓｅｅｑｕａ－ｔｉｏｎｓｎｕｍｅｒｉｃａｌｌｙ，ｔｈｅｏｕｔｌｉｎｅｏｆｔｈｅｄｉｆｆｕｓｅｓｕｒｆａｃｅｗａｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｂｙｉｍｐｏｒｔｉｎｇｔｈｅｅｎｔｉｔｙｍｏｄｅｌｏｆｔｈｅｄｉｆｆｕｓｅｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｉｌｌｕｍｉｎａｔｉ

5、ｏｎｓｙｓｔｅｍｉｎｔｏｏｐｔｉｃａｌｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｐｅｒｆｏｒｍｎｏｎ－ｓｅｑｕｅｎ－ｔｉａｌｒａｙｔｒａｃｉｎｇ，ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｓｔｈａｔｔｈｅｉｒｒａｄｉａｎｃｅｕｎｉｆｏｒｍｉｔｙｏｆｔｈｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎａｒｅａｉｓａｂｏｖｅ９０％ａｎｄｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｐｒｏｐｏｓｅｄｍｅｔｈｏｄｉｓｃｏｒｒｅｃｔａｎｄｅｆｆｅｃｔｉｖｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ａｐｐｌｉｅｄｏｐｔｉｃｓ；ｕｎｉｆｏｒｍｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ；ｆｒｅｅｆｏｒｍｓｕｒｆａｃｅ；ｄｉｆｆｕｓｅ

6、ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ引言在机器视觉测量系统中，光源的光照均匀程度和照明强度会对采集图像的分辨率和检测目标的对比度产生重要影响［１－３］。光照不均、光照过暗都会造成图像中测量目标和背景的对比度过弱，从而增大后续图像处理的难度，影响测量精度。因此，设计一个照度合适的均匀照明光源对提高机器视觉系统的检测精度和可靠性至关重要。发光二极管（ＬＥＤ）作为新一代的绿色光源，具有发光效率高、能耗低、寿命长、结构紧凑、安全性和稳定性好等诸多优点，近年来越来越广泛地应用在机器视觉测量这种需要均匀照明条件的领域［４－９］。但是，单颗ＬＥＤ所能提

7、供的光能有限，很难满足实际系统中大面积、高亮度的照明要求；并且，大部分ＬＥＤ产品的出光呈现朗伯分布，并不适合单独作为系统光源。因此，在大多数应用场合中往往需要进行合适的光学设计，才能满足机器视觉测量的需要。Ｍｏｒｅｎｏ等通过合理配置各种收稿日期：２０１３－１１－１６；修回日期：２０１４－０３－０３基金项目：国家自然科学基金（５１３０５１３７，６１３６４０１３）；江西省自然科学基金（２０１２２ＢＡＢ２１６０２５）作者简介：刘百芬（１９５７－），男，湖南长沙人，教授，主要从事机器视觉测量方面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｂｆｌｉｕ＠ｅｃ

8、ｊｔｕ．ｊｘ．ｃｎ应用光学２０１４，３５（４）刘百芬，等：基于ＬＥＤ阵列与漫反射自由曲面的均匀照明光源设计·５９９·ＬＥＤ阵列（环形、线形、方形、球形），利用直射方式有效地得到了均匀照明［４］。丁毅等通过设计一个用于二次配光的自由曲面反射器，将ＬＥＤ发出的光强重新分配，在目标平面上得到均