CN102080776B - 基于多波段led阵列与漫反射表面的均匀照明光源和设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LED照明光源，特别涉及一种基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源和设计方法。应用LED的环形阵列与漫反射表面设计了一种间接照明的均匀光源。多波段的LED阵列循环分布，LED的光先从环形底面直接照射到高漫反射率的半球形内表面上，然后均匀地反射到目标平面上，即可实现均匀照明。根据LED的朗伯体特性和漫反射表面的双向分布函数，建立了均匀照明光源的数学模型。本发明设计的均匀照明光源可用于需要多波段照明的彩色视觉检测系统以及投影系统等。照度均匀性得到了较大的提高，并具有良好的混色效果。

Description

基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源和设计方法

技术领域

本发明涉及LED照明光源，特别涉及一种基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源和设计方法，具体为混合不同波段的发光二极管(LED)发出的光并实现均匀照明的光源。

背景技术

随着科技的发展，LED凭借着发光效率、紧凑性、安全性和稳定性上的独特优点，越来越广泛地应用于像彩色视觉这样需要均匀照明条件的领域。在彩色视觉系统中，光源的光照均匀程度以及光源颜色会影响图像的分辨率和检测目标的对比度。Kopparapu采用模拟退火算法确定光源的位置，得到均匀的照明环境用于视觉检测。因此设计均匀的照明环境对于提高彩色视觉检测系统的检测精度非常重要。

但是LED的出光为Lambertian分布，如果不经过合适的光学设计，很难满足彩色视觉系统的需要。Moreno等利用各种LED阵列(环形，线形，方形，球形)直射有效地得到了均匀照明。A.J.W.Whang等利用透镜改变各种阵列中的LED的发光角度，直射形成均匀照明。在彩色视觉系统中，可能需要应用几个波段独立照明或者多个波段组合照明的方法来增强检测目标与背景的对比度。因此在保证光源的光照均匀度的同时，还需要考虑两个波段或者多个波段的LED混合以后的混光均匀度的问题。而采用直接向下照射的方式时，总会在边缘或者中间的某些区域出现混光不均的问题。直接向下照射的方式存在的第二个问题是，当LED的面板尺寸大于或远大于照射平面与LED面板之间的距离时，照射平面的辐照均匀度很高。但是当LED的面板尺寸小于或等于照射平面与LED之间的距离时，照射平面的辐照分布均匀性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源，针对混光均匀度以及近距离照射的辐照分布均匀性问题，利用LED环形阵列与高漫反射表面提出了间接照明的方式，建立了数学模型，对光照均匀性进行了仿真。本发明是能够混合不同波段的发光二极管(LED)发出的光并实现均匀照明的光源。

本发明提供的基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源包括：

环形底面，用于放置LED阵列。

三环形LED循环分布的LED阵列，用于发出混合不同波段的光。

半球形内表面，用于漫反射LED发出的光。

圆孔，用于CCD的图像采集。

三环形LED循环分布的LED阵列放置在环形底面，半球形内表面的顶端有一圆孔。LED的光先从环形底面直接照射到高漫反射率的半球形内表面上，然后均匀地反射到目标平面上。

半球形内表面的外表面设计成底下部分为圆柱状，中间部分为圆锥状，顶部分设计成平面，主要用于光源的固定。顶部分上有均匀对称分布的四个螺纹孔，用于光源的固定。底下部分有均匀对称分布的四个螺纹孔，用于与环形底面固定。半球形内表面有高漫反射率的涂层，该高漫反射层是均匀喷涂了一层高漫反射率材料，由硫酸钡、乳白胶和水按照比例：1∶0.04∶2，多次喷涂而成。

环形底面的侧面有对称分布的四个螺纹孔，用于与外表面底下部分的固定。与底下部分的四个螺纹孔相匹配。环形底面上具有均匀对称分布的四个螺纹孔，用于与LED阵列的电路板进行固定。

LED的光先从环形底面直接照射到高漫反射率的半球形内表面上，然后均匀地反射到目标平面上。光路示意图如图4所示。

本发明提供的基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源的设计方法包括的步骤：下面构建整个系统的数学模型，首先需要建立单个LED照度模型。

1)建立单个LED照度模型。

单个LED的发光尺寸一般都小于1mm，相对其照明距离来讲可以忽略，可近似为一个点光源。理想LED点光源的辐射分布是一个余弦函数，可用下式表达：

E(r，θ)＝E0(r)cos^mθ    (1)

式中E(r，θ)为辐射照度，r为LED与该平面之间的距离，θ为光线与光轴的夹角，m为与LED半衰角有关的数值。如果发光源为近似朗伯体，那么m≈1。实际上，一般的LED的m值都大于1，并由其半衰角θ_1/2确定。半衰角θ_1/2由LED生产厂家提供，定义为当辐射强度为θ＝0°方向上辐射强度的一半时，光线与光轴的夹角。当θ＝θ_1/2，E(r，θ)＝1/2E₀(r)，代入(1)式，m值可由下式得出：

$m=\frac{-\ln 2}{\ln \left(\cos {\mathrm{\θ}}_{1/2}\right)}---\left(2\right)$

当LED照射到与其光轴方向垂直的平面上时，(1)式可以转化为：

$E(r,\mathrm{\θ})=\frac{I_{\mathrm{LED}}{\cos }^m\mathrm{\θ}}{d^2}---\left(3\right)$

式中d为LED与该平面之间的距离，I_LED为LED法线上的光强。将(3)式转换为笛卡尔坐标(x，y，z)，可表示为：

$E(x,y,z)=\frac{z^m{I}_{\mathrm{LED}}}{{[{(x-x_o)}^2+{(y-y_o)}^2+z^2]}^{(m+2)/2}}---\left(4\right)$

式中E(W/m²)为该平面上的辐射照度，(x₀，y₀)为LED的位置坐标。(4)式即为单个LED的辐照分布模型。

2)LED的光先从环形底面直接照射到高漫反射率的半球形内表面上，由LED的照度模型，得出LED光照射到半球形内表面上的辐照分布。

LED环形阵列的分布，选择了三种比较典型波段(620nm，520nm and 465nm)的LED作为例子，由于采用了间接照明的方式，光的能量损耗比较大。因此为了保证光源有足够的亮度照明，选择了最为紧密的排列，参见图2。三环形阵列LED放置于环形平面上，用均匀对称分布的四个螺纹孔进行固定。

由于LED是一种非相关光源，因此对某一区域上的光照度为其单个的叠加。则半球形内表面上的辐照分布可表示为：

$E(x,y,z)=z^m\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ij}{[{(x-\mathrm{ri}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right))}^2+{(y-\mathrm{ri}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right))}^2+z^2]}^{-(m+2)/2}---\left(5\right)$

式中N为单个波段的LED数目。半球形内表面任意一点A(x，y，z)的坐标，参见图5，可用笛卡尔坐标表示：

在半球形内表面的顶部有一个直径为Φ的孔，用于彩色视觉系统中的CCD相机的图像采集，由孔的直径Φ可以θ的取值范围。半球形内表面的辐照分布计算方法如下：半球形表面的中心轴(z轴)垂直于LED环形阵列平面，确定θ值后就可以得到对应的z值，就可得出半球形表面上该z值所对应圆上每点的辐照分布。随着θ值的不断变化，就得到了整个半球形内表面的辐照分布。

3)高漫反射率的半球形内表面将光均匀地反射到目标平面，并根据双向分布函数，得出目标平面上的辐照均匀分布。

光源外壳由铝加工而成，铝密度小而且是热的良导体，具有高效能的散热作用，其表面经过氧化发黑处理，可以减小光源环境杂散光的影响，内表面均匀喷涂了一层高漫反射率材料，由硫酸钡、乳白胶和水按照不同比例，多次喷涂而成。由于半球形内表面是一个高漫反射表面，可以近似看成是朗伯表面。朗伯表面定义为在任意方向上辐射亮度不变的表面，其半球反射率为1。对于朗伯表面有：

I_θ＝I_o cosθ    (7)

式中I_o为沿法线方向上的辐射强度，θ为与法线的夹角。检测平面上的辐照分布可以由下式给出：

$E^{\′}=\frac{E\·\mathrm{BRDF}\·\mathrm{dS}\·\cos \mathrm{\θ}}{d^{{\′}^2}}---\left(8\right)$

其中E为半球形内表面的照度分布，已由(5)式求出，d’为半球形内表面与照射平面之间的距离，S为半球形内表面面积。BRDF定义为双向分布函数，为了更好的描述漫反射光在空间各个方向上的均匀性，可由下式给出：

BRDF＝ρ/π    (9)

式中ρ为半球反射比，为了简化计算，将dS简化后得到：

$E^{\′}=\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{\mathrm{mn}}\frac{E(i,j)\·\mathrm{BRDF}\·\cos \mathrm{\θ}}{d^{{\′}^2}}---\left(10\right)$

式中m，n为在半球形内表面取的采样点数目。(10)式转化为笛卡尔坐标后得到

式中x’，y’，z’为检测平面的坐标，z’为检测平面与LED之间的距离。

本发明根据LED的朗伯体特性以及特定目标平面均匀性的要求，应用LED的环形阵列与漫反射表面的双向分布函数，构建了光源的一般数学模型。使用半球形漫反射表面即可实现均匀照明，在目标平面上得到了较好的均匀性。本发明设计的均匀照明光源可用于需要多波段照明的彩色视觉检测系统以及投影系统等。照度均匀性得到了较大的提高，并具有良好的混色效果。

附图说明

图1为x-y平面上的三环型LED阵列分布，三种典型波段620nm，520nm与465nmLED循环分布。

图2为半球形内表面结构示意图。

图3为环形底面结构示意图。

图4为光源的光路示意图。

图5为半球形内表面的三维坐标显示，A为半球形内表面上任意一点。

图6为半球形漫反射表面将光反射到目标平面的三维照度均匀性分布示意图。

图7为以柯达白板为背景，三种不同波段的LED分别组合后的混光图像。

具体实施方式

以下结合附图对本发明详细说明如下：

如图所示，1环形底面，2三环形LED阵列，3具有高漫反射率的半球形内表面，4用于CCD图像采集的圆孔，5外表面的底下部分，6外表面的中间部分，7外表面的顶部分，8用于光源固定的螺纹孔，9外表面的用于固定环形底面与外表面的螺纹孔，10环形底面的用于固定环形底面与外表面的螺纹孔，11用于固定LED阵列的螺纹孔。

本发明为三部分，一部分为放置LED阵列的环形底面1，二部分为三环形LED循环分布的LED阵列2，三部分为喷涂了一层高漫反射率材料的的半球形内表面3，顶端留有一圆孔4，用于CCD的图像采集。LED的光先从环形底面直接照射到高漫反射率的半球形内表面上，然后均匀地反射到目标平面上。

半球形内表面3的外表面设计成底下部分5为圆柱状，中间部分6为圆锥状，顶部分7设计成平面，主要用于光源的固定。顶部分上有均匀对称分布的四个螺纹孔8，用于光源的固定。底下部分5有均匀对称分布的四个螺纹孔9，用于与环形底面1固定。高漫反射率半球形内表面3均匀喷涂了一层高漫反射率材料，由硫酸钡、乳白胶和水按照比例0.04∶1∶2，多次喷涂而成。

环形底面1的侧面有对称分布的四个螺纹孔10，用于与外表面底下部分5的固定。与底下部分5的四个螺纹孔9相匹配。环形底面1上具有均匀对称分布的四个螺纹孔11，用于与LED阵列2的电路板进行固定。

LED的光先从环形底面直接照射到高漫反射率的半球形内表面上，然后均匀地反射到目标平面上。光路示意图如图4所示。

LED环形阵列直接照射到半球形内表面上的辐照分布可表示为：

$E(x,y,z)=z^m\underset{i=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=1}{\overset{3}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{Ij}{[{(x-\mathrm{ri}\cos \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right))}^2+{(y-\mathrm{ri}\sin \left(\frac{2\mathrm{\πn}}{N}\right))}^2+z^2]}^{-(m+2)/2}---\left(12\right)$

在半球形内表面的顶部有一个直径为33mm的孔(4)，参见图2，用于彩色视觉系统中的CCD相机的图像采集。因此θ的取值范围可以确定。仿真参数：N＝16，r₁＝65mm，r₂＝59mm，r₃＝53mm，θ＝[π/18，π/2]，

r＝80mmθ_1/2＝30°，m＝4.82。球形内表面的辐照分布计算方法如下：半球形表面的中心轴(z轴)垂直于LED环形阵列平面，确定θ值后就可以得到对应的z值，就可得出半球形表面上该z值所对应圆上每点的辐照分布。随着θ值的不断变化，就得到了整个半球形内表面的辐照分布。

半球形内表面3漫反射率的测量采用比对测量的方法，以99％标准漫反射白板(Spectralon，Labsphere Inc.，North Sutton NH，USA)为基准，在PR-655分光式辐射度计(Photo Research inc.)上测量了半球形内表面3的漫反射率。在所选择的LED主波长上(620nm，520nm，465nm)，漫反射率分别为88.5％，90.1％，90.8％。

由所测的漫反射率可知，半球形内表面是一高漫反射表面，可以近似看成朗伯表面。根据漫反射表面的特性以及双向分布函数，可以推导出光从漫反射表面反射到目标平面的辐照分布可以表示为：

设检测平面距离与LED面板尺寸z’＝200mm，检测平面的直径R’＝100mm以及ρ在不同的波段上(620nm，520nm，465nm)的漫反射率88.5％，90.1％，90.8％。代入公式可以得到目标平面的辐照均匀分布，参见图6。并以柯达白板为背景，三种不同波段的LED分别组合后的进行混光。图像混色效果如图7所示，(a)(b)(c)(d)分别为620nm与520nm，620nm与465nm，520nm与465nm，620nm与520nm与465nm波段混光后采集的图像。可以看出图片颜色较均匀，未出现显单波段原色区域。本发明采用漫反射表面匀光的方法，均匀性达到了94.9％。同时对三环形LED阵列直接照射到相同距离、相同大小的检测平面上进行了均匀度仿真，结果仅为74.5％。

Claims (2)

1.一种基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源，它包括用于放置LED阵列的环形底面与用于CCD的图像采集的顶端圆孔，其特征在于还包括：

三环形LED循环分布的LED阵列，用于发出混合不同波段的光；

半球形内表面，用于漫反射LED发出的光；

所述的三环形LED循环分布的LED阵列放置在环形底面，半球形内表面的顶端有一圆孔，LED的光先从环形底面直接照射到高漫反射率的半球形内表面上，然后均匀地反射到目标平面上；

所述的半球形内表面的外表面设计成底下部分为圆柱状，中间部分为圆锥状，顶部分设计成平面；顶部分上有均匀对称分布的四个螺纹孔，用于光源的固定；底下部分有均匀对称分布的四个螺纹孔，用于与环形底面固定；

所述的半球形内表面有高漫反射率的涂层；该高漫反射率材料涂层由硫酸钡、乳白胶和水按照比例：0.04∶1∶2多次喷涂而成。

2.按照权利要求1所述的均匀照明光源，其特征在于所述的环形底面的侧面有对称分布的四个螺纹孔，用于与外表面底下部分的固定，其与底下部分的四个螺纹孔相匹配，环形底面上具有均匀对称分布的四个螺纹孔，用于与LED阵列的电路板进行固定。

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