用于机器视觉的高功率led同轴光源设计.docxVIP

用于机器视觉的高功率led同轴光源设计 机器视觉系统的核心是图像的采集和处理。所有信息都来自图像。图像本身的质量对整个视觉系统是非常重要的。而光源则是影响机器视觉系统图像质量的重要因素。通过适当的光源照明设计,使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离,可以大大降低图像处理中算法分割、识别的难度,同时提高系统的定位、测量精度,使系统的可靠性和综合性能得到提高。 LED作为一种具有竞争力的新型固体光源被广泛用于机器视觉的照明中。它具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活等优点。随着LED技术不断完善,LED的光通量及光效不断提高。目前,商业化的单粒5W白光LED的光通量已达到200 lm,而实验室高亮度白光LED的水平已达到150 lm/W。以单粒LED为光源的照明系统不断增多。 单颗LED作为光源观察不透明物体时,需要用同轴光反射照明。这种类型的光源广泛用于半导体封装行业中,对检测高反射率的物体特别有帮助。可以消除物体表面不平整引起的阴影,减少周围环境的干扰。 由于这种照明方式以物镜兼作聚光镜,在物镜上方用半透半反镜或小棱镜进行分光。因此,到达观察平面的光能会衰减,另外,物镜兼作聚光镜,使得照明光路设计复杂,照明均匀性难以保证。本文设计了一种可以实现柯勒照明的高功率LED同轴光源。利用光学设计软件ZEMAX给出了设计模型,并用照明分析软件Trace-pro进行光线追迹,对照明面均匀性进行了分析。 1 柯勒照明系统的构成 同轴光反射照明系统由光源、集光镜、分光镜和兼作聚光镜的物镜组成。如图1所示,光源通过集光镜成像,再通过分光镜反射光束到聚光镜,再经聚光镜照亮物面。从物面散射的光再经过物镜及分光镜透射进入成像光路。 柯勒照明可以消除物平面光照度不均匀的缺点。如图2所示,柯勒照明中,集光镜把光源放大成像在聚光镜的前焦平面上,照明系统的孔径光阑位于该焦平面上,聚光镜又把孔径光阑成像在无限远,即与物镜的入射光瞳重合。照明系统的视场光阑紧贴在集光镜后,被聚光镜成像在物平面上。照明系统的孔径光阑(光阑孔径可变)确定了照明系统的孔径角,也决定了分辨率和对比度,而视场光阑决定了被照明的物平面的大小。 将柯勒照明运用于同轴光照明中,可使照明系统照明均匀并充分利用光能。 2 系统的技术指标 物镜在整个系统中无论是对成像还是照明都是最敏感的镜头,它的空间位置是固定的。且需要根据它来确定系统的其它数据。系统的技术指标: 物镜焦距:30 mm; 物镜通光口径:≤φ10 mm; 工作距离:50 mm; 照明视场:5 mm; 镜筒长:≤105 mm; 工作波长:615~685 nm; 3 照明系统的设计 根据照明系统光孔转接原则和系统拉氏不变量应大于等于物镜拉氏不变量的原则,依次确定光源的位置以及照明系统的外形尺寸,见图3。 3.1 孔道光斑的大小确定 根据系统应满足拉氏不变量n0u0y0=nuy的要求,得到: 根据三角关系可得,U=0.15则, 3.2 共吾面的计算 由以上分析可知,物面和视场光阑是聚光镜的一对共轭面,由高斯公式可得: 则, L2=50×30/(30-50)=-75 mm 视场光阑的大小: 则, 3.3 作为红外光源照明点光源的led 集光镜将光源放大成像于孔径光阑处,因而,灯丝的位置及孔径光阑的位置是共轭关系。由于镜筒长≤105 mm,可得: 另外,在点光源的照明中,应选择亮度高,发散角小的LED。由于普通黑白CCD相机对红光较敏感,且用红光照明,图像的对比度更好。因此,该同轴光光源选择红色φ5 mm的LED,发散角为:照度为12 000~16 800 mcd,峰值波长为625 nm。 则, 即: 得到: 根据高斯公式, 由拉氏不变量求出集光镜的孔径角, 则集光镜的口径: 4 基于zemas的led照明分析 在该设计中,将分光镜置于孔径光阑的位置,分光镜兼作孔径光阑。另外,由于视场光阑与集光镜距离仅为3.2 mm,可由集光镜机械外筒来兼作视场光阑。 将计算所得的各个参数导入光学设计软件ZEMAX,集光镜和聚光镜采用Paraxial面型对以上同轴光源的初始结构进行模拟并优化。具体结构如图4所示。此时,目标平面的照明视场为5.08 mm。 将ZEMAX优化所得的同轴光系统导入照明分析软件Trace-pro,根据所用LED的配光曲线模拟LED实际发光模型,并对整个光路出光进行光线追迹。得到目标平面照度分布图及照度分布曲线,如图5及图6所示。 在实际评定照明面的照度均匀度时,常采用标准ANSI/NAPM IT7.228中的9点测试法,即将照明面分成9个大小均等的矩形,照度计探测器置于每一个矩形的中心进行测量,将9个点的照度的平均值作为整个照明面的平均值,然后用最大照度减去平均照度(或用平均照度减去最小照度值),将该差值与平