线扫描缺陷检测系统中的LED光源设计

光源是影响机器视觉输入系统的重要因素,直接影响输入数据的质量和至少30％的应用效果。在线扫描缺陷检测系统中,对光源的亮度、均匀性、直线性、寿命、光谱范围都提出了较高的要求。鉴于LED光源在机器视觉中具有许多优点,以LED线形光源为例,探讨了线形阵列LED光源照明光场分布的影响因素,结合柱面镜对光源单方向约束的特性,介绍了LED阵列和柱面镜组合的聚焦条形照明光源的设计方法。通过仿真,证明了该设计可满足线扫描系统对光源的要求。     

基于照明的LED阵列研究与仿真

LED是21世纪的绿色光源,具有广阔的照明前景。近年来,LED灯具产品开发的种类越来越多,设计合适的LED灯具显得尤为重要。由于单颗LED的功率很小,作为照明来使用,要求在照明区域内具有一定的均匀光通量和照度,所以需要采用LED的阵列形式, 加大其发光亮度和 发光面积,改善光照的均匀性。该文 首先计算LED阵列的照度叠加,进而根据叠加公式对阵列仿真,分析两种LED阵列分布的仿真结果,得出不同阵列的分布特点,并比较两种阵列的特点,最后分析出不同阵列分布的适用灯具,为LED灯具设计提供可靠依据。     

用于液晶显示屏幕检测的大口径小角度LED光源设计

针对液晶显示屏幕检测中光源照明均匀性较差的问题,基于非成像光学理论提出了一种大口径小角度的发光二极管(LED)照明光源设计方法。光源采用阵列式照明方式,对单颗LED设计菲涅耳透镜实现小角度的准直照明;推导阵列均匀照度分布条件并利用Trace Pro软件进行优化,确定阵列最优间距;最终通过在照明面上的光斑拼接叠加实现均匀矩形照明。照明光源由12×9个配光单元形成均匀方形阵列排布,每两个配光单元间距30 mm。仿真结果表明,光源的发光角度小于±10°,在距光源170 mm的照明面上,平均照度大于45000 lx,非均匀性3.8%,均满足设计指标。该方法设计的阵列式光源无论平均照度还是照度均匀性均比现有光源有明显优势。     

基于MATLAB的LED阵列的研究与仿真

由于单颗LED的功率很小,作为照明光源使用时需要采用LED阵列形式。首先推导LED阵列的照度叠加公式,根据叠加公式对阵列进行仿真,以圆形为例分析LED在平面上的均匀分布以及以球表面为例分析LED在曲面上的均匀分布。给出两种LED阵列分布的仿真结果,得出不同阵列的分布特点。指出圆面阵列的照射范围比较集中,此类阵列分布的灯具适用于照射面较小且比较集中的照射领域;球表面上的阵列的照射分布范围比较广,呈圆面,此类阵列分布的灯具适用于照射面较大但照度要求不是很高的照射区域。该结果为LED灯具设计提供了依据。     

室内可见光通信发光二极管阵列发射性能的研究

提出了一种基于Lambert辐射模型的发光二极管光源阵列发射天线光照度计算模型,对室内可见光通信发射天线进行了优化设计.分析了光源的空间分布形式、光源间距、光源中心光束与系统光轴夹角以及空间分布层间距等因素对光照度均匀性的影响.通过仿真模拟和分析,得到了圆形阵列天线在照度均匀性和通信传输信号稳定性方面都优于相同光源数目的矩形阵列天线,并且提高了10%左右;同时得出了在满足室内照明情形下,发光二极管阵列发射天线照度均匀度随光源间距及光源中心光束与系统光轴夹角的增加均呈现出先增加后减小的变化趋势,因此,光源间距和光源中心光束与系统光轴夹角均存在最优值;照度均匀度随空间分布层间距的减小而增加,并给出了5 m×5 m×3 m普通房间内发射天线阵列设计参数的最优值,使发射性能得到了优化,同时节省光源数13%,降低了成本.这些研究为发射天线系统的设计提供了理论依据,具有实用价值.     

单颗LED实现远距离均匀照明系统设计

针对现有的LED照明系统体积大、结构复杂、工作距离短的缺点,提出一种轻量化、均匀性好、能够实现远距离照明的单颗LED投影系统的设计方法。从照明设计理论出发,结合非成像设计和成像设计方法,设计了由单颗大功率LED、聚光镜、孔径光阑和投影物镜组成的投影照明系统。聚光镜对LED出射的光线进行匀化并会聚于照明面位置,投影物镜将照明面处的光斑投影到指定距离的接收面上。系统采用全透射式结构,便于加工和装调;单颗大功率LED作为光源能够有效减小系统体积和质量。实验结果表明:系统能在3 m~3 km范围内形成均匀度大于90%的照明,成像质量良好,投影面畸变小于5%,能满足远距离均匀照明投影的要求。     

海面波浪坡度场光学测量装置的光源设计(英文)

在海面波浪坡度场光学测量系统中,光源是一个非常重要的照明元件。合理的设计和选用光源,是保证系统精度和布局的重要因素之一。比较传统光源短弧氙灯的明显优势,如低能耗,寿命长,更好的安全性和稳定性等,本文提出了采用LED作为本系统光源的设想,确定了所需LED个数和LED阵列方式,并经过计算和光学软件模拟,验证了本设想的可行性。     

基于同步多曲面法的发光二极管机器视觉照明设计

提出一种无需特殊封装结构光源,采用封装类型为表面贴装型,或板上芯片封装型的普通照明用发光二极管光源的照明子系统.为了使新照明系统在切换具有不同光色普通照明用发光二极管光源时使用同一个匀光系统(可保证被照面照度均匀度),根据非成像理论中的边缘光线原理,使用同步多曲面法设计了通用型匀光光学系统。该系统可以在保持光学系统固定的前提下进行多种照明光源的替换,无需经过匀光设计的特殊结构光源,保证了目标面照度均匀度,并扩展了照明子系统的光色范围.多组蒙特卡罗光线追击仿真对比表明,新系统所使用光源只要满足透镜设计针对光源尺寸的需求,满足尺寸要求的普通照明用光源即可集成入系统使用,不会因为被照面照度不均匀导致的辨别度下降,因而适用于对能量利用率要求不太高,但对目标面照度均与度有较高要求的机器视觉照明系统.     

基于发光二极管环形阵列与漫反射表面的均匀照明光源研究

均匀的照明条件与光源良好的混色效果是彩色视觉的重要组成部分.基于发光二极管(LED)环形阵列与高漫反射率表面,研究了一种间接照明的均匀光源,建立了数学模拟算法.根据单个LED的朗伯体特性,讨论了LED环形阵列在半球形内表面上的辐照分布.半球形内表面是高漫反射率表面,可近似看作朗伯表面,将光均匀地反射到检测平面上.通过半...     

基于自由曲面的LED全反射准直透镜的设计

为在特定角度范围内实现所需照明,满足各类LED照明系统的要求,提出一种适用于扩展光源的透射 全反射复合曲面的LED透镜设计方法。根据光源的大小由非成像光学原理确定反射面面型并计算光源发散角度,再根据照射的角度要求进行自由曲面的透镜设计。文章给出了设计思想及方法,并设计了一款出射半角为2.5的透镜实例,分析了误差对实际结果的影响。     

SNR analysis of the stripe illuminator based on linear emitter and cylindrical lens against solar irradiance

Achieving good signal-to-noise ratio (SNR) against solar illumination is a basic requirement for the light source of active vision sensors in outdoor applications. The article examines the high power stripe-lighting setup, constructed with a cylindrical lens and a rectangular emitting source placed at the focal line of the lens. This source type is capable of illuminating a very high total power because of the large surface size of the emitter; thus it is advantageous for outdoor applications. A detailed radiometric analysis of this setup is presented resulting in an integral for the calculation of the spatial irradiance distribution within the stripe. The achievable SNRs against solar illumination are calculated by applying the radiometric integral for different rectangular emitters built of LED arrays, laser diode arrays and incandescent sources. The article proposes stripe illuminators applying all the analyzed emitter types that are suitable for operation in direct sunshine.     

Image-like illumination with LED arrays: design

An array of spatially distributed light-emitting diodes (LEDs) can produce an illumination pattern that approaches an image by individually modulating each LED. In this letter, I analyze the first-order design of such systems in order to achieve the best match between the illumination distribution and a desired image. In particular, simple formulas are given for the optimal number of LEDs, working distance, array size, and LED beam pattern. The analysis developed here may be applied to the design of LED systems such as architecture lighting, energy-efficient lighting, backlight local dimming for displays, and structured illumination microscopy with micro-LED arrays.     

基于近场均匀照明的LED阵列的优化设计

基于几何光学与辐射照度理论,对菱形、环形和蜂窝状等3种典型LED阵列光源在近场上的照度分布进行研究,推导了不同阵列光源照射到目标面上的总辐射照度表达式,并依据斯派罗法则确定了LED间的最优化距离。进而根据照度公式,对LED阵列进行了仿真和对比分析,得出了不同阵列的光照度分布特点。菱形阵列可以得到较大范围的平坦度,环形阵列的平坦范围较小,能量集中分布在一个圆形范围内,有良好的集光效果,蜂窝状阵列的照度比较集中且占用的面板空间较小,可在一定程度上降低设计成本。     

三维空间下混合白光LED系统照度模型

针对包含暖白光和冷白光两种不同LED光源的混合白光LED系统, 提出一种非线性控制混合白光LED系统照度模型的方法论。该混合白光LED系统包含暖白光及冷白光两种不同LED光源。混合白光LED系统总照度取决于两个LED光源所占的光通量比例, 据此提出三维空间下不同电流负载情况下的混合白光LED系统的照度模型, 通过简单的光学及电学测试方法校准, 并实验测试验证该三维照度模型的真实性。该方法对混合白光LED系统的应用具有一定参考价值, 而且其适用于多个光源的LED系统, 并不仅限于白光LED。     

基于复合抛物面集光器的LED教室灯具的配光设计

为了对LED教室灯具配光,建立了复合抛物面集光器配光系统。分析了LED光源发光特性,阐明了对LED光源进行二次配光的必要性。建立了三维复合抛物面集光器（CPC）模型,并由边缘光线原理计算得出三维复合抛物面集光器（CPC）模型各参数与最大出射半角m的关系,分析了m的制约因素。由阅读灯照度均匀度要求,确定了复合抛物面集光器（CPC）模型各参数的值,在光学分析软件Tracepro中建立了CPC模型,将LED光源置于其焦平面上,结合教室桌面与灯具距离,模拟了基于CPC配光的LED教室灯具的照度分布。试验结果表明,CPC配光系统最大出光半角为30时,光照均匀度超过0.7,满足建筑照明设计标准 GB 50034 2004对阅读照明的要求,该灯具有效光通可达95%以上。     

具有曲面反射面的高均匀度LED植物光源

目前植物工厂培养架所使用的LED光源模块光学结构简单,照度均匀度和混色均匀度难以保证,导致农作物的品质参差不齐。为了提高种植物品质,需要优化植物光源的照明效果,设计高均匀度的植物光源。本文针对这一问题提出并研究了一种倒置光源的植物培养架设计方案。将LED灯珠安置在种植面同侧,并结合曲面反射顶面对LED发出的光线进行进一步均匀分配,在植物培养架有限的种植空间内增加光线耦合距离和耦合程度,提高了培养架植物光源的均匀度。经过多次结构优化后,最终获得了一个照度均匀度为91.64%、混色均匀度为89.73%的高均匀度植物照明培养架。然后基于优化得出的植物光源,研究植物生长过程对照明效果的影响后表明植物在生长过程中均可获得良好的照明环境。最后研究了不同形状和不同配光曲线的灯珠对培养架均匀度和光能利用率的影响。     

基于视觉功效法的公路照明光源性能分析

中间视觉条件下人眼光谱效率函数表现为一系列的曲线,其峰值波长和强度受光源光谱、背景亮度等多方面的影响,光源对照明视认性的影响无法通过单一的光学参量进行表征。试验以视认反应时间作为评价指标,应用视觉功效法测试了不同速度条件下,人眼在不同照明环境中的视认性能,所选择光源包括高压钠灯、无极荧光灯和三种色温的白光LED,光源色温范围1 958~5 537 K,背景亮度取值针对公路隧道基本段照明和一般室外道路照明,范围为1~5 cd·m-2,均在人眼中间视觉亮度范围内。统计试验结果显示：在相同速度、亮度条件下,高色温光源对应的视认反应时间小于低色温光源;相同亮度条件下高速视标对应的反应时间小于低速视标,但测试截止时刻,低速视标在观察者视场内的张角较高速视标更大。应用MOVE模型计算得到测试光源所形成不同发射光谱、不同背景亮度条件下的人眼中间视觉等效亮度,与明视觉亮度测试结果比较,中间视觉等效亮度对应的反应时间曲线标准差系数CV更小,显示中间视觉条件下不同光源等效亮度与明视觉亮度的差异是造成视认性差异的原因之一,由于白光LED光源的GaN芯片发射光谱峰值与中间视觉光谱效率函数的峰值波长较为接近,高色温白光LED的照明视认效果优于低色温白光LED和无极荧光灯,峰值位于Na+特征谱线附近的高压钠灯照明视认效果较差。     

基于改进粒子群算法的LED光源阵列优化

为了提高发光二极管（light emitting diode,LED）光源阵列的光照均匀度,提出一种改进粒子群算法和新型等差LED阵列排布方式。根据光照分布模型建立了照射面的光照均匀度评价函数,使用改进的粒子群算法对新型等差LED阵列、矩形及圆形阵列进行优化。将优化后的LED阵列数据导入光学软件TracePro中进行仿真验证,得到优化后等差、矩形及圆形LED阵列的光照均匀度分别为82.89%、73.31%及78.56%,比优化前LED阵列的光照均匀度分别提高了15.84%、10.65%及15.57%。研究结果表明,改进后的粒子群算法收敛速度更快、精度更高,且提出的新型等差LED阵列有着更好的光照均匀度。