CN104896424B - 一种用于视觉检测的led准直照明光学透镜 - Google Patents
一种用于视觉检测的led准直照明光学透镜 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种用于视觉检测的LED准直照明光学透镜，包括入射面和出射面，其特征在于透镜包括三个自由曲面；所述透镜的底面中心有一个供LED安装于其内的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，构成内侧柱面，另一部分是自由曲面，构成内侧自由曲面；内侧自由曲面位于内侧柱面的顶部，两者构成所述的入射面；透镜的外侧面是自由曲面，构成外侧自由曲面，透镜的顶面中部是自由曲面，构成顶部自由曲面，顶部自由曲面的外侧是台阶型平面，构成顶部平面，透镜的顶部自由曲面和顶部平面构成所述的出射面。本发明具有高光学效率、结构紧凑、体积小巧的优点，能用于视觉检测的LED准直照明光学透镜，能够在目标照明面上形成高准直度的圆形光斑。
Description
技术领域
本发明涉及LED照明领域,具体涉及一种用于视觉检测的LED准直照明光学透镜。
背景技术
在视觉检测系统中，照明光源是其重要组成部分。照明效果的好坏直接影响被测物的成像质量，从而影响后续的图像处理效果，导致最后的测量结果不准确。在精密检测系统中，光源的照明效果更是有着举足轻重的作用。光源的光强、稳定性及照明均匀性等都会对检测系统的精度产生很大的影响，直接决定了整个检测的成败。
常用于视觉检测系统的照明光源有白炽灯、日光灯、水银灯、钠光灯、LED发光二极管、半导体激光器等。照明光源的选择必须符合所需要的几何形状，照明亮度，均匀度，发光的光谱特性也必须符合实际的要求，同时还要考虑光源的发光效率和使用寿命。传统光源体积及能耗均较大，并且不具有优良的单色性和稳定性。半导体激光器虽然具有很好的单色性和准直性，但是照明均匀性难以控制。在众多的光源当中，LED光源凭借其诸多的优点，如寿命长、响应快、抗震能力强等等，在现代视觉检测系统中得到越来越多的应用。但是，由于LED朗伯型发光特性，直接应用于照明系统，通常不能获得良好的效果，需针对LED及视觉检测系统特性来进行光学设计。
发明内容
针对视觉检测照明系统设计及朗伯型LED光学设计中面临的主要问题，本发明提供了一种用于视觉检测的LED准直照明光学透镜，该透镜光学效率高，体积小，制造方便，易于安装，并能产生高准直度的照明光斑。本发明采用旋转轴对称的LED自由曲面透镜设计法，有效减小了透镜建模时产生的误差，有利于提高透镜的加工精度和光学效率。
本发明采用如下技术方案：
一种用于视觉检测的LED准直照明光学透镜，该透镜由透明材料制成，透明材料为PMMA或PC或光学玻璃，透镜包括三个自由曲面，分别构成入射面及出射面。所述透镜的底面中心有一个供LED安装于其内的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，构成所述的内侧柱面，另一部分是自由曲面，构成所述的内侧自由曲面，内侧自由曲面位于内侧柱面的顶部，两者构成所述的入射面；透镜的外侧面是自由曲面，构成所述的外侧自由曲面，透镜的顶面中部是自由曲面，构成所述的顶部自由曲面，顶部自由曲面的外侧是台阶型平面，构成所述的顶部平面，透镜的顶部自由曲面和顶部平面构成所述的出射面。
自由曲面透镜的形状由如下方法确定：
以LED光源为原点建立坐标系，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴。首先对LED光源立体角进行划分，接着对光线通过透镜后的出射角进行均匀划分，建立光源立体角和光线通过透镜后的出射角的映射关系，然后运用折反射定律，通过几何关系得到最后的自由曲面透镜。
所述的构成透镜的自由曲面有三个，其计算步骤如下：
2.设定初始条件并将LED光源立体角划分。
首先，坐标系中θ为入射光线与Z轴正方向的夹角。α为出射光线与Z轴正方向的夹角。内侧柱面的底部半径为r。透镜材料的折射率为n。
对于透镜空腔的内侧自由曲面，其主要作用是控制光线的出射角度。这里设置其控制的角度取值范围为[0,βmax]，且0≤βmax≤θmid，θmid表示从光源发出的光线，入射到内侧自由曲面的最大入射角，βmax表示从光线穿过内侧自由曲面后的最大出射角。将区间[0,βmax]均匀划分为N份，记为β(i)，1≤i≤N，对于入射角度θ，对其进行离散化，将区间[0,θmid]等分成N份，记为θ(i)，这样就得到了与出射角度β(i)数组一一对应的θ(i)的数组。N取值的大小决定了计算的精确度，其取值越大，最后的结果越精确。
对于透镜空腔的内侧柱面，这里其控制的角度取值范围为θmid<θ(i)≤θmax。通常θmax＝90°，表示从LED发出光线的最大出射半角。同理，将区间(θmid,θmax]等分为N份，记为θ(i)，这样就将光源立体角θ等分为2N份。
2.建立光源立体角与光线通过透镜后的出射角的映射关系。
对光线通过透镜后的出射角进行离散化。对应于光源立体角θ的划分，将α也等分成2N份，记为α(i)，且0≤α(i)≤αmax，αmax表示光线通过整个透镜后的最大出射角。由于所述透镜是用于准直照明，故在这种照明系统中αmax＝α(i)＝0。这样就在光线通过整个透镜后的出射角α(i)与光源立体角θ(i)数组之间建立起一一对应关系。
3.求解自由曲面透镜的离散坐标。
假设从LED出的光线与Z轴的夹角为θ(i)，并与内侧自由曲面相交于Ai(x1(i),z1(i))点，经过内侧自由曲面折射后与顶部自由曲面相交于Bi(x2(i),z2(i))点；光线与内侧柱面相交于Ci(r,r·cotθ(i+1))点，光线穿过内侧柱面后与透镜外侧自由曲面相交于Di(x3(i),z3(i))点，Ai点处的单位法向量Bi点处的单位法向量Di点处的单位法向量
在进行自由曲面构建时，由折反射定律求出自由曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。折反射定律公式如下：
其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量。
对于内侧自由曲面，由光源立体角θ(i)可以得到入射向量，由β(i)可以求得出射向量，结合折反射定律可解得内侧自由曲面上下一点的坐标值：
且
以此类推，可以得到内侧自由曲面的轮廓曲线上所有点的坐标值，由此可得内侧柱面的底部半径为r＝x1(200)。
对于顶部自由曲面，由β(i)可以得到入射向量，由α(i)可以求得出射向量，把上式与折反射定律联立，可以解得顶部自由曲面上下一点的坐标值：
且
对于外侧自由曲面，由于光线与内侧柱面相交于Ci(r,r·cotθ(i+1))点，通过内侧柱面后光线的出射角为则
当光线入射到外侧自由曲面时，在该面上发生全反射，此时折反射定律可以表示为：
经过外侧自由曲面的反射后，光线传播到透镜顶部平面并直接出射，故α(i)即为经过外侧自由曲面的反射后的出射角。
由和α(i)与折反射定律联立，可以解得外侧自由曲面上下一点的坐标值：
且
a,b,c,d,e,f的值可以由折反射定律得出。
具体方法如下：
(1)分别确定内侧、顶部、外侧自由曲面的起始点。
(2)对于内侧自由曲面，由θ和β可以得到入射向量和出射向量，通过折反射定律，确定起始点的切平面，第二条入射光线与该切平面相交从而确定第二点。
(3)对于顶部自由曲面，将内侧自由曲面的第二条光线的出射向量作为顶部自由曲面的第二条光线的入射向量，即由β得到入射向量，再由α得到出射向量，然后利用折反射定律得到起始点的切平面，由起始点的切平面与第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点。
(4)对于外侧自由曲面，由和α可以分别得到光线经过外侧自由曲面时的入射向量和出射向量。利用折反射定律求出起始点的切平面，将切平面与经过内侧柱面折射后的第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点。
(5)同理，由前一点的切平面与下一条光线的入射向量所在的直线相交可得出下一点坐标，通过机迭代可分别得出内侧，顶部、外侧自由曲面上全部点的坐标，由此确定了透镜轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转构成整个自由曲面。
4.利用建模软件将得到的点拟合为实体。
将得到的离散点的坐标依次导入到机械建模软件，进行拟合，然后将得到的轮廓曲线绕中心轴旋转，即可得到最终的光学透镜实体模型。
采用上述技术方案后，可以设计出一个高光学效率、结构紧凑、体积小巧、用于视觉检测的LED准直照明光学透镜。从LED出射的光线通过自由曲面透镜后，能够在目标照明面上形成高准直度的圆形光斑。
本发明的有益效果及优点：由于采用自由曲面透镜，从LED出射的光线经过自由曲面透镜配光后，能够在目标照明面上形成高准直度的圆形光斑；并且从光源发出的光线几乎可以全部被利用，透镜的光学效率很高。另外，透镜的底面中部有一个由自由曲面和柱面组成的空腔，使LED光源易于安装。由于透镜的体积小，使之可以方便的安装到视觉检测照明系统中，同时也有利于照明系统的散热设计。本发明非常有利于朗伯型LED的光学设计及视觉检测照明系统的设计。本发明不但可以应用于LED二次光学设计，而且可以用于LED一次光学设计以及成像系统光学设计。
附图说明
图1为实施方式中光源立体角与内侧自由曲面控制的出射角的映射关系图。
图2为实施方式中光源立体角与透镜的出射角的映射关系图。
图3为实施方式中透镜的侧视剖面图。
图4为实施方式中透镜的侧视三维立体图。
图5为实施方式中透镜的仰视三维立体图。
图6为实施方式中透镜的右视三维立体图。
图7为实施方式中透镜的俯视三维立体图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
1、设定初始条件并将LED光源立体角划分。
首先，坐标系中θ为入射光线与Z轴正方向的夹角，其取值范围为α为出射光线与Z轴正方向的夹角。由于所述透镜是用于准直照明，故这里α＝0。透镜材料的折射率为n＝1.49386。
对于透镜空腔内侧的自由曲面，其主要作用是控制光线的出射角度。这里设置其控制的角度取值范围为[0,βmax]，且将区间[0,βmax]均匀划分为200份，记为β(i)，且0<i≤200，200表示等分的份数，其取值越大，最后的结果越精确。对于入射角度θ，这里其取值范围为0≤θ(i)≤θmid，且表示从光源发出的光线入射到内侧自由曲面的最大入射角。对θ进行离散化，把区间[0,θmid]等分成200份，记为θ(i)，这样就得到了与出射角度β(i)数组一一对应的θ(i)的数组，如图1所示。
对于透镜空腔的内侧柱面，这里其控制的角度取值范围为θmid≤θ(i)≤θmax。通常表示从LED发出光线的最大出射半角。将区间等分为200份，记为θ(i)，这样就将光源立体角θ等分为400份。
2.建立光源立体角与光线通过透镜后的出射角的映射关系。
对光线通过透镜后的出射角进行离散化。对应于光源立体角θ的划分，将α也等分成400份，记为α(i)。由于α＝0，故α(i)＝0。这样就在光线通过整个透镜后的出射角α(i)与光源立体角θ(i)数组之间建立起一一对应关系，如图2所示。
3.计算自由曲面透镜的离散坐标。
假设从LED出射光线与z轴的夹角为θ(i)，并与内侧自由曲面相交于Ai(x1(i),z1(i))点，经过内侧自由曲面折射后与顶部自由曲面相交于Bi(x2(i),z2(i))点；光线与内侧柱面相交于Ci(r,r·cotθ(i+1))点，光线穿过内侧柱面后与透镜外侧自由曲面相交于Di(x3(i),z3(i))点，Ai点处的单位法向量Bi点处的单位法向量Di点处的单位法向量
在进行自由曲面构建时，由折反射定律求出自由曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标。折反射定律公式如下：
这里n＝1.49386，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量。
对于内侧自由曲面，由光源立体角θ(i)可以得到入射向量，由β(i)可以求得出射向量，结合折反射定律可解得内侧自由曲面上下一点的坐标值：
且
以此类推，可以得到内侧自由曲面的轮廓曲线上所有点的坐标值，由此可得内侧柱面的底部半径为r＝x1(200)mm。
对于顶部自由曲面，由β(i)可以得到入射向量，由α(i)可以求得出射向量，把上式与折反射定律联立，可以解得顶部自由曲面上下一点的坐标值：
且
对于外侧自由曲面，由于光线与内侧柱面相交于Ci(r,r·cotθ(i+1))点，通过内侧柱面后光线的出射角为则
当光线入射到外侧自由曲面时，在该面上发生全反射，此时折反射定律可以表示为：
经过外侧自由曲面的反射后，光线传播到透镜顶部平面并直接出射，故α(i)即为经过外侧自由曲面的反射后的出射角。
由和α(i)与折反射定律联立，可以解得外侧自由曲面上下一点的坐标值：
且
a,b,c,d,e,f的值可以由折反射定律得出。
具体方法如下：
(1)分别确定内侧、顶部、外侧自由曲面的起始点，其值分别为(0，4)，(0，8)，(4.74，0)，单位mm。
(2)对于内侧自由曲面，由θ和β可以得到入射向量和出射向量，通过折反射定律，确定起始点的切平面，第二条入射光线与该切平面相交从而确定第二点。
(3)对于顶部自由曲面，将内侧自由曲面的第二条光线出射向量作为顶部自由曲面的第二条光线的入射向量，即由β得到入射向量，再由α得到出射向量，然后利用折反射定律得到起始点的切平面，由起始点的切平面与第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点。
(4)对于外侧自由曲面，由和γ可以分别得到光线经过外侧自由曲面时的入射向量和出射向量。利用折反射定律求出起始点的切平面，将切平面与经过内侧柱面折射后的第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点。
(5)同理，由前一点的切平面与下一条光线的入射向量所在的直线相交可得出下一点坐标，通过计算机迭代可分别得出内侧，顶部、外侧自由曲面上全部点的坐标，由此确定了透镜轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转构成整个自由曲面。
例：对于内侧自由曲面，这里设置其控制的角度取值范围为[0,βmax]，且βmax将其均匀划分为200份，每一份记为β(i)，同时对光源的立体角进行离散化，这里θ的取值范围为0≤θ≤θmid，且表把θmid等分成200份，每一份记为θ(i)，使之与β(i)数组一一对应。设内侧自由曲面的起始点为(0，4)，即LED距离透镜内侧自由曲面顶部的距离4mm。通过折反射定律由可以求出起始点的法向量由法向量和起始点坐标可以求出切平面方程为z+4＝0，此为1式；角度为θ(2)的直线方程为：z＝cot(θ(2))·x，此为2式；由1，2式联立，可以求出x(2)，z(2)。
以此类推：第k点所对应的直线方程为z＝cot(θ(k))·x，所对应的切平面方程为Nx(k-1)(x-x(k-1))+Nz(k-1)(z-z(k-1))＝0。通过直线与切平面相交可以求出第k点坐标，当k＝200时，即得到内侧自由曲面轮廓曲线上所有数据点的坐标数组。
4.利用建模软件将得到的点拟合为实体
将得到的离散点的坐标依次导入到机械建模软件，进行拟合，然后将得到的曲线绕中心轴旋转，可以得到最终的自由曲面光学透镜实体模型。
图1为实施方式中光源立体角与内侧自由曲面控制的出射角的映射关系图，其中101为所述的光源立体角，102为所述的内侧自由曲面控制的出射角。
图2为实施方式中光源立体角与透镜的出射角的映射关系图，其中101为光源立体角，102为内侧自由曲面控制的出射角，201为透镜的出射角，202为经过内侧柱面折射后的出射角。
图3为通过上述方案得到的透镜的侧视剖面图，其中301为透镜的内侧自由曲面，302，303分别为顶部自由曲面，台阶型顶部平面；304为透镜的外侧自由曲面，305为透镜的内侧柱面。
图4为通过上述方案得到的透镜的侧视三维立体图，其中301，302，305分别为透镜的内侧自由曲面，顶部自由曲面，内侧柱面；303，304分别为透镜的台阶型顶部平面，外侧自由曲面。
图5为通过上述方案得到的透镜的仰视三维立体图，其中301，305分别为透镜的内侧自由曲面，内侧柱面；304为透镜的外侧自由曲面。
图6为通过上述方案得到的透镜的右视三维立体图，其中302，303分别为透镜的顶部自由曲面，台阶型顶部平面；304为透镜的外侧自由曲面。
图7为通过上述方案得到的透镜的俯视三维立体图，其中302，303分别为透镜的顶部自由曲面，台阶型顶部平面；304为透镜的外侧自由曲面。
采用上述技术方案后，可以设计出一个高光学效率、结构紧凑、体积小巧、用于视觉检测的LED准直照明光学透镜。从LED出射的光线通过自由曲面透镜后，能够在目标照明面上形成高准直度的圆形光斑。由于采用自由曲面透镜，从LED出射的光线经过自由曲面透镜配光后，能够在目标照明面上形成高准直度的圆形光斑；并且从光源发出的光线几乎可以全部被利用，透镜的光学效率很高。另外，透镜的底面中部有一个由自由曲面和柱面组成的空腔，使LED光源易于安装。由于透镜的体积小，使之可以方便的安装到视觉检测照明系统中，同时也有利于照明系统的散热设计。
Claims (3)
1.一种用于视觉检测的LED准直照明光学透镜，包括入射面和出射面，其特征在于透镜包括三个自由曲面；所述透镜的底面中心有一个供LED安装于其内的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，构成内侧柱面，另一部分是自由曲面，构成内侧自由曲面；内侧自由曲面位于内侧柱面的顶部，两者构成所述的入射面；透镜的外侧面是自由曲面，构成外侧自由曲面，透镜的顶面中部是自由曲面，构成顶部自由曲面，顶部自由曲面的外侧是台阶型平面，构成顶部平面，透镜的顶部自由曲面和顶部平面构成所述的出射面；以LED光源为原点建立直角坐标系，以LED底面所在平面为XOY平面，过原点并与平面XOY垂直的轴为Z轴；首先对LED光源立体角进行划分，接着对光线通过透镜后的出射角进行均匀划分，自由曲面透镜的形状确定过程具体如下：
1.设定初始条件并将LED光源立体角划分，
首先，坐标系中θ为入射光线与Z轴正方向的夹角；α为出射光线与Z轴正方向的夹角；内侧柱面的底部半径为r；透镜材料的折射率为n；
对于透镜空腔的内侧自由曲面，其主要作用是控制光线的出射角度；设置出射角度取值范围为[0,βmax]，且0≤βmax≤θmid，θmid表示从光源发出的光线，入射到内侧自由曲面的最大入射角，βmax表示从光线穿过内侧自由曲面后的最大出射角，β表示从光线穿过内侧自由曲面后的出射角；将区间[0,βmax]均匀划分为N份，记为β(i)，1≤i≤N；对入射角度θ进行离散化，将区间[0,θmid]等分成N份，记为θ(i)，这样就得到了与出射角度β(i)数组一一对应的θ(i)的数组；N取值越大，结果越精确；
对于透镜空腔的内侧柱面，θmid<θ(i)≤θmax，θmax表示从LED发出光线的最大出射半角；同理，将区间(θmid,θmax]等分为N份，记为θ(i)，这样就将光源立体角θ等分为2N份；
2.建立光源立体角与光线通过透镜后的出射角的映射关系，
对光线通过透镜后的出射角进行离散化，对应于光源立体角θ的划分，将α也等分成2N份，记为α(i)，且0≤α(i)≤αmax，αmax表示光线通过整个透镜后的最大出射角；αmax＝0，α(i)＝0；这样就在光线通过整个透镜后的出射角α(i)与光源立体角θ(i)数组之间建立起一一对应关系；
3.求解自由曲面透镜的离散坐标，
设从LED出的光线与Z轴的夹角为θ(i)，并与内侧自由曲面相交于Ai(x1(i),z1(i))点，经过内侧自由曲面折射后与顶部自由曲面相交于Bi(x2(i),z2(i))点；光线与内侧柱面相交于Ci(r,r·cotθ(i+1))点，光线穿过内侧柱面后与透镜外侧自由曲面相交于Di(x3(i),z3(i))点，Ai点处的单位法向量Bi点处的单位法向量Di点处的单位法向量
在进行自由曲面构建时，由折反射定律求出自由曲面上点的法向量，利用这个法向量求得切平面，通过求切平面与入射光线的交点得到曲线上点的坐标；折反射定律公式如下：
其中n为透镜折射率，其取值视透镜材料而定，为入射光线单位向量，为出射光线单位向量，为单位法向量；
对于内侧自由曲面，由光源立体角θ(i)可以得到入射向量，由β(i)可以求得出射向量，结合折反射定律可解得内侧自由曲面上下一点的坐标值：
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且
同理，得到内侧自由曲面的轮廓曲线上所有点的坐标值，并得到内侧柱面的底部半径为r＝x1(200)；
对于顶部自由曲面，由β(i)得到入射向量，由α(i)得到出射向量，把上式与折反射定律联立，得顶部自由曲面上下一点的坐标值：
<mfenced open = "{" close = "">
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且
对于外侧自由曲面，由于光线与内侧柱面相交于Ci(r,r·cotθ(i+1))点，通过内侧柱面后光线的出射角为则
当光线入射到外侧自由曲面时，在该面上发生全反射，此时折反射定律可以表示为：
经过外侧自由曲面的反射后，光线传播到透镜顶部平面并直接出射，故α(i)即为经过外侧自由曲面的反射后的出射角；
由和α(i)与折反射定律联立，得外侧自由曲面上下一点的坐标值：
且
a,b,c,d,e,f的值可以由折反射定律得出，具体包括如下步骤：
(1)分别确定内侧、顶部、外侧自由曲面的起始点；
(2)对于内侧自由曲面，由θ和β可以得到入射向量和出射向量，通过折反射定律，确定起始点的切平面，第二条入射光线与该切平面相交从而确定第二点；
(3)对于顶部自由曲面，将内侧自由曲面的第二条光线的出射向量作为顶部自由曲面的第二条光线的入射向量，即由β得到入射向量，再由α得到出射向量，然后利用折反射定律得到起始点的切平面，由起始点的切平面与第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点；
(4)对于外侧自由曲面，由和α可以分别得到光线经过外侧自由曲面时的入射向量和出射向量；利用折反射定律求出起始点的切平面，将切平面与经过内侧柱面折射后的第二条光线的入射向量所在的直线相交可得出第二点；
(5)同理，由前一点的切平面与下一条光线的入射向量所在的直线相交可得出下一点坐标，通过机迭代可分别得出内侧，顶部、外侧自由曲面上全部点的坐标，由此确定了透镜轮廓曲线，然后将透镜轮廓曲线绕中心轴旋转构成整个自由曲面。
2.根据权利要求1所述的一种用于视觉检测的LED准直照明光学透镜，其特征在于θmax＝90°。
3.根据权利要求1所述的一种用于视觉检测的LED准直照明光学透镜，其特征在于该透镜由透明材料制成，透明材料为PMMA或PC或光学玻璃。
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