[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

说明书

技术领域

本发明涉及LED照明光源，特别涉及一种基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源和设计方法，具体为混合不同波段的发光二极管(LED)发出的光并实现均匀照明的光源。

背景技术

随着科技的发展，LED凭借着发光效率、紧凑性、安全性和稳定性上的独特优点，越来越广泛地应用于像彩色视觉这样需要均匀照明条件的领域。在彩色视觉系统中，光源的光照均匀程度以及光源颜色会影响图像的分辨率和检测目标的对比度。Kopparapu采用模拟退火算法确定光源的位置，得到均匀的照明环境用于视觉检测。因此设计均匀的照明环境对于提高彩色视觉检测系统的检测精度非常重要。

但是LED的出光为Lambertian分布，如果不经过合适的光学设计，很难满足彩色视觉系统的需要。Moreno等利用各种LED阵列(环形，线形，方形，球形)直射有效地得到了均匀照明。A.J.W.Whang等利用透镜改变各种阵列中的LED的发光角度，直射形成均匀照明。在彩色视觉系统中，可能需要应用几个波段独立照明或者多个波段组合照明的方法来增强检测目标与背景的对比度。因此在保证光源的光照均匀度的同时，还需要考虑两个波段或者多个波段的LED混合以后的混光均匀度的问题。而采用直接向下照射的方式时，总会在边缘或者中间的某些区域出现混光不均的问题。直接向下照射的方式存在的第二个问题是，当LED的面板尺寸大于或远大于照射平面与LED面板之间的距离时，照射平面的辐照均匀度很高。但是当LED的面板尺寸小于或等于照射平面与LED之间的距离时，照射平面的辐照分布均匀性较差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源，针对混光均匀度以及近距离照射的辐照分布均匀性问题，利用LED环形阵列与高漫反射表面提出了间接照明的方式，建立了数学模型，对光照均匀性进行了仿真。本发明是能够混合不同波段的发光二极管(LED)发出的光并实现均匀照明的光源。

本发明提供的基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源包括：

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。

圆孔，用于CCD的图像采集。

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。

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。半球形内表面有高漫反射率的涂层，该高漫反射层是均匀喷涂了一层高漫反射率材料，由硫酸钡、乳白胶和水按照比例：1∶0.04∶2，多次喷涂而成。

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。

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。光路示意图如图4所示。

本发明提供的基于多波段LED阵列与漫反射表面的均匀照明光源的设计方法包括的步骤：下面构建整个系统的数学模型，首先需要建立单个LED照度模型。

1)建立单个LED照度模型。

单个LED的发光尺寸一般都小于1mm，相对其照明距离来讲可以忽略，可近似为一个点光源。理想LED点光源的辐射分布是一个余弦函数，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。如果发光源为近似朗伯体，那么m≈1。实际上，一般的LED的m值都大于1，并由其半衰角θ_1/2确定。半衰角θ_1/2由LED生产厂家提供，定义为当辐射强度为θ＝0°方向上辐射强度的一半时，光线与光轴的夹角。当θ＝θ_1/2，E(r，θ)＝1/2E₀(r)，代入(1)式，m值可由下式得出：