用于機(jī)器視覺(jué)的高功率led同軸光源設(shè)計(jì)

用于機(jī)器視覺(jué)的高功率led同軸光源設(shè)計(jì)

機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的核心是圖像的采集和處理。所有信息都來(lái)自圖像。圖像本身的質(zhì)量對(duì)整個(gè)視覺(jué)系統(tǒng)是非常重要的。而光源則是影響機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)圖像質(zhì)量的重要因素。通過(guò)適當(dāng)?shù)墓庠凑彰髟O(shè)計(jì),使圖像中的目標(biāo)信息與背景信息得到最佳分離,可以大大降低圖像處理中算法分割、識(shí)別的難度,同時(shí)提高系統(tǒng)的定位、測(cè)量精度,使系統(tǒng)的可靠性和綜合性能得到提高。LED作為一種具有競(jìng)爭(zhēng)力的新型固體光源被廣泛用于機(jī)器視覺(jué)的照明中。它具有效率高、光色純、能耗低、壽命長(zhǎng)、可靠耐用、無(wú)污染、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)。隨著LED技術(shù)不斷完善,LED的光通量及光效不斷提高。目前,商業(yè)化的單粒5W白光LED的光通量已達(dá)到200lm,而實(shí)驗(yàn)室高亮度白光LED的水平已達(dá)到150lm/W。以單粒LED為光源的照明系統(tǒng)不斷增多。單顆LED作為光源觀察不透明物體時(shí),需要用同軸光反射照明。這種類型的光源廣泛用于半導(dǎo)體封裝行業(yè)中,對(duì)檢測(cè)高反射率的物體特別有幫助?？梢韵矬w表面不平整引起的陰影,減少周?chē)h(huán)境的干擾。由于這種照明方式以物鏡兼作聚光鏡,在物鏡上方用半透半反鏡或小棱鏡進(jìn)行分光。因此,到達(dá)觀察平面的光能會(huì)衰減,另外,物鏡兼作聚光鏡,使得照明光路設(shè)計(jì)復(fù)雜,照明均勻性難以保證。本文設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)現(xiàn)柯勒照明的高功率LED同軸光源。利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX給出了設(shè)計(jì)模型,并用照明分析軟件Trace-pro進(jìn)行光線追跡,對(duì)照明面均勻性進(jìn)行了分析。1柯勒照明系統(tǒng)的構(gòu)成同軸光反射照明系統(tǒng)由光源、集光鏡、分光鏡和兼作聚光鏡的物鏡組成。如圖1所示,光源通過(guò)集光鏡成像,再通過(guò)分光鏡反射光束到聚光鏡,再經(jīng)聚光鏡照亮物面。從物面散射的光再經(jīng)過(guò)物鏡及分光鏡透射進(jìn)入成像光路?？吕照彰骺梢韵锲矫婀庹斩炔痪鶆虻娜秉c(diǎn)。如圖2所示,柯勒照明中,集光鏡把光源放大成像在聚光鏡的前焦平面上,照明系統(tǒng)的孔徑光闌位于該焦平面上,聚光鏡又把孔徑光闌成像在無(wú)限遠(yuǎn),即與物鏡的入射光瞳重合。照明系統(tǒng)的視場(chǎng)光闌緊貼在集光鏡后,被聚光鏡成像在物平面上。照明系統(tǒng)的孔徑光闌(光闌孔徑可變)確定了照明系統(tǒng)的孔徑角,也決定了分辨率和對(duì)比度,而視場(chǎng)光闌決定了被照明的物平面的大小。將柯勒照明運(yùn)用于同軸光照明中,可使照明系統(tǒng)照明均勻并充分利用光能。2系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)物鏡在整個(gè)系統(tǒng)中無(wú)論是對(duì)成像還是照明都是最敏感的鏡頭,它的空間位置是固定的。且需要根據(jù)它來(lái)確定系統(tǒng)的其它數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo):物鏡焦距:30mm;物鏡通光口徑:≤φ10mm;工作距離:50mm;照明視場(chǎng):5mm;鏡筒長(zhǎng):≤105mm;工作波長(zhǎng):615~685nm;3照明系統(tǒng)的設(shè)計(jì)根據(jù)照明系統(tǒng)光孔轉(zhuǎn)接原則和系統(tǒng)拉氏不變量應(yīng)大于等于物鏡拉氏不變量的原則,依次確定光源的位置以及照明系統(tǒng)的外形尺寸,見(jiàn)圖3。3.1孔道光斑的大小確定根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)滿足拉氏不變量n0u0y0=nuy的要求,得到:根據(jù)三角關(guān)系可得,U=0.15則,3.2共吾面的計(jì)算由以上分析可知,物面和視場(chǎng)光闌是聚光鏡的一對(duì)共軛面,由高斯公式可得:則,L2=50×30/(30-50)=-75mm視場(chǎng)光闌的大小:則,3.3作為紅外光源照明點(diǎn)光源的led集光鏡將光源放大成像于孔徑光闌處,因而,燈絲的位置及孔徑光闌的位置是共軛關(guān)系。由于鏡筒長(zhǎng)≤105mm,可得:另外,在點(diǎn)光源的照明中,應(yīng)選擇亮度高,發(fā)散角小的LED。由于普通黑白CCD相機(jī)對(duì)紅光較敏感,且用紅光照明,圖像的對(duì)比度更好。因此,該同軸光光源選擇紅色φ5mm的LED,發(fā)散角為:照度為12000~16800mcd,峰值波長(zhǎng)為625nm。則,即:得到:根據(jù)高斯公式,由拉氏不變量求出集光鏡的孔徑角,則集光鏡的口徑:4基于zemas的led照明分析在該設(shè)計(jì)中,將分光鏡置于孔徑光闌的位置,分光鏡兼作孔徑光闌。另外,由于視場(chǎng)光闌與集光鏡距離僅為3.2mm,可由集光鏡機(jī)械外筒來(lái)兼作視場(chǎng)光闌。將計(jì)算所得的各個(gè)參數(shù)導(dǎo)入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX,集光鏡和聚光鏡采用Paraxial面型對(duì)以上同軸光源的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬并優(yōu)化。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。此時(shí),目標(biāo)平面的照明視場(chǎng)為5.08mm。將ZEMAX優(yōu)化所得的同軸光系統(tǒng)導(dǎo)入照明分析軟件Trace-pro,根據(jù)所用LED的配光曲線模擬LED實(shí)際發(fā)光模型,并對(duì)整個(gè)光路出光進(jìn)行光線追跡。得到目標(biāo)平面照度分布圖及照度分布曲線,如圖5及圖6所示。在實(shí)際評(píng)定照明面的照度均勻度時(shí),常采用標(biāo)準(zhǔn)ANSI/NAPMIT7.228中的9點(diǎn)測(cè)試法,即將照明面分成9個(gè)大小均等的矩形,照度計(jì)探測(cè)器置于每一個(gè)矩形的中心進(jìn)行測(cè)量,將9個(gè)點(diǎn)的照度的平均值作為整個(gè)照明面的平均值,然后用最大照度減去平均照度(或用平均照度減去最小照度值),將該差值與平均照度的比值作為照明面的照度均勻度。對(duì)于計(jì)算機(jī)模擬來(lái)說(shuō),對(duì)照度圖的分析相對(duì)簡(jiǎn)單,常采用均勻照明區(qū)域中最小照度值與最大照度值的比值來(lái)表征均勻照明區(qū)域的照度均勻度。通過(guò)計(jì)算可知,在均勻照明面90%的區(qū)域內(nèi),照度均勻度為72.33%。5基于柯勒照明的led同軸水源設(shè)計(jì)隨著大功率LED發(fā)射光強(qiáng)的不斷提高,采用單粒