一種實現柯勒照明的高功率LED同軸光設計

于麗娜

(中國電子科技集團公司第四十五研究所，北京，101601)

機器視覺系統的核心是圖像的采集和處理，所有的信息均來源于圖像之中，圖像本身的質量對整個視覺系統極為關鍵。而光源則是影響機器視覺系統圖像質量的重要因素。通過適當的光源照明設計，使圖像中的目標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、識別的難度，同時提高系統的定位、測量精度，使系統的可靠性和綜合性能得到提高。

LED作為一種具有競爭力的新型固體光源被廣泛用于機器視覺的照明中。它具有效率高、光色純、能耗低、壽命長、可靠耐用、無污染、控制靈活等優(yōu)點[1]。隨著LED技術不斷完善，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的光通量已達到200 lm，而實驗室高亮度白光LED的水平已達到150 lm/W[2]。以單粒LED為光源的照明系統不斷增多[3]。

單顆LED作為光源觀察不透明物體時，需要用同軸光反射照明。這種類型的光源廣泛用于半導體封裝行業(yè)中，對檢測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，減少周圍環(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行分光[4]。因此，到達觀察平面的光能會衰減，另外，物鏡兼作聚光鏡，使得照明光路設計復雜，照明均勻性難以保證。本文設計了一種可以實現柯勒照明的高功率LED同軸光源。利用光學設計軟件ZEMAX給出了設計模型，并用照明分析軟件Trace-pro進行光線追跡，對照明面均勻性進行了分析。

1 同軸光反射照明及柯勒照明原理

同軸光反射照明系統由光源、集光鏡、分光鏡和兼作聚光鏡的物鏡組成。如圖1所示，光源通過集光鏡成像，再通過分光鏡反射光束到聚光鏡，再經聚光鏡照亮物面。從物面散射的光再經過物鏡及分光鏡透射進入成像光路。

圖1 同軸光反射照明原理圖

柯勒照明可以消除物平面光照度不均勻的缺點。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限遠，即與物鏡的入射光瞳重合。照明系統的視場光闌緊貼在集光鏡后，被聚光鏡成像在物平面上。照明系統的孔徑光闌(光闌孔徑可變)確定了照明系統的孔徑角，也決定了分辨率和對比度，而視場光闌決定了被照明的物平面的大小[5]。

圖2 柯勒照明原理圖

將柯勒照明運用于同軸光照明中，可使照明系統照明均勻并充分利用光能。

2 光學系統主要技術指標

物鏡在整個系統中無論是對成像還是照明都是最敏感的鏡頭，它的空間位置是固定的。且需要根據它來確定系統的其它數據[6]。系統的技術指標：

物鏡焦距：30mm；

物鏡通光口徑：≤φ10mm；

工作距離：50mm；

照明視場：5mm；

鏡筒長：≤105mm；

工作波長：615～685 nm；

3 照明系統設計

根據照明系統光孔轉接原則和系統拉氏不變量應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的外形尺寸，見圖3。

圖3 同軸光柯勒照明系統光路

3.1 孔徑光闌大小的確定

根據系統應滿足拉氏不變量n0u0y0=nuy的要求，得到[4]：

根據三角關系可得，U=0.15則，

3.2 視場光闌位置及大小的確定

由以上分析可知，物面和視場光闌是聚光鏡的一對共軛面，由高斯公式可得：

3.3 集光鏡的口徑和焦距的確定

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系。由于鏡筒長≤105mm，可得：

另外，在點光源的照明中，應選擇亮度高，發(fā)散角小的LED。由于普通黑白CCD相機對紅光較敏感，且用紅光照明，圖像的對比度更好。因此，該同軸光光源選擇紅色φ5mm的LED，發(fā)散角為：照度為12000～16800 mcd,峰值波長為625 nm。

由拉氏不變量求出集光鏡的孔徑角，

則集光鏡的口徑：

4 實例模擬與分析

在該設計中，將分光鏡置于孔徑光闌的位置，分光鏡兼作孔徑光闌。另外，由于視場光闌與集光鏡距離僅為3.2mm，可由集光鏡機械外筒來兼作視場光闌。

將計算所得的各個參數導入光學設計軟件ZEMAX，集光鏡和聚光鏡采用Paraxial面型對以上同軸光源的初始結構進行模擬并優(yōu)化。具體結構如圖4所示。此時，目標平面的照明視場為5.08mm。

圖4 LED同軸光初始結構圖

將ZEMAX優(yōu)化所得的同軸光系統導入照明分析軟件Trace-pro,根據所用LED的配光曲線模擬LED實際發(fā)光模型，并對整個光路出光進行光線追跡。得到目標平面照度分布圖及照度分布曲線，如圖5及圖6所示。

圖5 TP模擬的目標平面照度圖

圖6 TP模擬的目標平面照度曲線

在實際評定照明面的照度均勻度時，常采用標準ANSI/NAPM IT7.228中的9點測試法，即將照明面分成9個大小均等的矩形，照度計探測器置于每一個矩形的中心進行測量，將9個點的照度的平均值作為整個照明面的平均值，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。對于計算機模擬來說，對照度圖的分析相對簡單，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表征均勻照明區(qū)域的照度均勻度[8]。

通過計算可知，在均勻照明面90%的區(qū)域內，照度均勻度為72.33%。

5 結語

隨著大功率LED發(fā)射光強的不斷提高，采用單粒LED為光源的照明系統已能滿足許多場合的照明需求。本文設計了一種可以實現柯勒照明的高功率LED同軸光源。利用光學設計軟件ZEMAX給出了設計模型，并用照明分析軟件Trace-pro進行光線追跡，對照明面的均勻性進行了分析。

[1]趙華龍,梁志毅,石興春,等.利用LED的投影系統光源設計[J].光子學報.2007,36(2):244-246.

[2]Philips Lumileds reports 115 lm/W power LED at 350 mA[EB/OL]. [2007-01-23].http://www.ledsmagazine.com/news/4/1/23.

[3]R.Schwarte,Heinol,Z Xu,et al.A new active 3D-vision system based on rf-modulation interferometry of incoherent light[J].SPIE,1995,2588:126-134.

[4]蕭澤新.工程光學設計(第2版).[M].北京：電子工業(yè)出版社.2008.

[5]郁道銀，談恒英.工程光學[M].北京：機械工業(yè)出版社.1999.

[6]Bryan M.Barnes,Lowell P.Howard,Richard M.Silver.Illumination optimization for optical semiconductor metrology[C].SPIE,2006,62890:1-11.

[7]吳仍茂，屠大維，黃志華.一種實現大功率LED均勻照明的投射器設計[J].應用光學.2009，30（3）：372-376.