[发明专利]一种LED结构光源的均匀照射设计方法

权利要求书

1.一种LED结构光源的均匀照射设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1建立坐标系O-X-Y，点0(0，0)为坐标系原点，X轴沿水平线方向；

在O-X-Y的二维坐标系中，LED安装位置位于平面XOY外，且在原点正上方处，h为LED照射到平面XOY的垂直距离，r为LED照射时在平面XOY形成的圆形光斑的半径，P点为光斑内任意点，坐标为P(x，y)，定义辐照度角

根据LED光斑的中心光线设置协调系统，在单个LED的照射下，任意一个被检测点P(x，y)的亮度方程为：

被检测点P(x，y)的辐照度角为：

式中，I_C为中心亮度值，h tan θ_p为被检测点P(x，y)与光斑中心的距离，α(h)为沿中心轴方向的衰减率，β(h tanθ_p)为沿半径方向的衰减率，为距离的衰减函数；

S2基于单个LED照射模型的基础上，给出了多个同色光LED在任一指定点处的亮度叠加特性；

在同一视场中获取两幅图像，这两幅图像分别由两个不同位置的同色光LED对同一指定点进行照射所得，并且具有与视场中心偏移的相同距离；此外，在该视场中再获取一幅图像，该图像由所述两个不同位置的同色光LED同时照射前述指定点所得；

视场中任一指定点的亮度由该点的灰度值评估，且所获得图像的所有灰度值均被调整到[0-255]范围内，灰度值100等于每像素区域0.74uw；

根据所得到的照射结果及其灰度分布模型，并基于亮度与灰度值的转换关系，对获得的实验数据进行特定的处理后，通过使用最小二乘法拟合，可求得两个色光LED的亮度叠加特性方程为：

z＝ax+by (3)

式中，a、b分别为LED光源的叠加系数，x、y分别为前面所述的两个不同位置的同色光LED单独照射同一指定点时对应的灰度值，z为前面所述的两个不同位置的同色光LED同时照射前述指定点时对应的灰度值；

当两个以上的同色光LED同时照射时，亮度叠加特性依据方程(3)计算；

S3基于LED环形阵列结构光源的设计方法，建立LED环形阵列结构光源的均匀照射设计模型，并在所述均匀照射设计模型的基础上，将结构光源的均匀照射设计方法分解为两个子方法。

2.根据权利要求1所述LED结构光源的均匀照射设计方法，其特征在于，步骤S3包括：根据给定的条件，给出了LED环形阵列的照射模型，通过所述LED环形阵列的照射模型，将照明设计问题转化为优化设计方程，以确保能够获得最大的光强均匀性，并进一步将该方法转化为分层设计方法，所述两个子方法为：一是单层LED环形阵列光源的照射设计方法，二是多层LED环形阵列光源的照射设计方法。

3.根据权利要求2所述LED结构光源的均匀照射设计方法，其特征在于，步骤S3包括：定义检测视场的最小半径为r_v，光源距离平台表面XOY的最小照射距离为h_L，LED环形阵列层数分别为0，1……n，与层数相对应的LED环形阵列的半径和入射角分别为r_i和α_i，i＝0，1……n，在轴向截面上，LED结构光源环形阵列的母线与视平面的夹角为且第n-1层LED阵列与第n层LED阵列之间的距离为d_i，i＝0，1……n，将照明设计问题转化为如下优化设计方程：

其中：

IP_(x，y)∈[255c-t，255c+t] (7)

式中，I_P(x，y)为任意点P(x，y)的光强，且I_P(x，y)的范围为与[c₁，c₂]相对应的[255c--t，255c+t]，c为光强与灰度值的比例系数，2t为对应的灰度值c₂-c₁，θ_P(i，j)为第i层环形LED阵列中第j个LED在照射下与点P(x，y)的入射角，i＝0，1……n，j＝0，1……m_i，且β_i为光源中第i层环形LED阵列中相邻两个LED之间的角度，r_i为光源中第i层LED环形阵列的半径，角度定义为：

h₀-h_n≥h_L (10)

式中，h₀为光源中LED阵列的第0层到平台的垂直距离，z₀和z_n分别为第0层和第n层LED阵列的z轴值，

通过上述LED结构光源的均匀照射设计方法，对于其中的单层LED环形阵列光源的设计，通过确定环形结构光源的检测高度h_i和半径r_i的工艺参数，以简化设计方程(4)-(10)，并根据视场的光强要求，确定角度β_i和α_i，从而完成单层LED环形阵列光源的设计；

在单层LED环形阵列光源的设计基础上，对多层LED环形阵列光源进行匹配，从而完成多层LED环形阵列光源的设计。