[发明专利]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

权利要求书

1.一种基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源，其特征在于它包括：

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；

顶端圆孔，用于CCD的图像采集。

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。

3.按照权利要求1所述的均匀照明光源，其特征在于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，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；

4.按照权利要求1所述的均匀照明光源，其特征在于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；

5.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。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；

6.一种权利要求1所述的基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源的设计方法，其特征在于包括如下步骤：LED的光先从环形底面直接照射到漫反射的半球形内表面上，然后反射到目标平面上：

1)建立单个LED照度模型

LED点光源的辐射分布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；

m=-ln2ln(cosθ1/2)---(2)]]>

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,θ)=ILEDcosmθd2---(3)]]>

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)=zmILED[(x-xo)2+(y-yo)2+z2](m+2)/2---(4)]]>

式中E(W/m²)为该平面上的辐射照度，(x₀，y₀)为LED的位置坐标；

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；

半球形内表面上的辐照分布可表示为：

E(x,y,z)=zmΣi=13Σj=13Σn=1NIj[(x-ricos(2πnN))2+(y-risin(2πnN))2+z2]-(m+2)/2---(5)]]>

式中N为单个波段的LED数目，r_i为三环型LED阵列的半径；半球形内表面任意一点A(x，y，z)的坐标，可用笛卡尔坐标表示：

Φ为半球形内表面圆孔的直径，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。

对于朗伯表面有：

I_θ＝I_ocosθ    (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′=E·BRDF·dS·cosθd′2---(8)]]>

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′=Σi=1mΣj=1n1mnE(i,j)·BRDF·cosθd′2---(10)]]>

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，ρ_k为在不同波段所测得的漫反射表面的反射率，R为半球形内表面的半径，E(i，j)为LED光直接照射到内表面的照度。

7.按照权利要求1所述的方法，其特征在于所述的三环型LED阵列的波段分别为620nm，520nm和465nm。