基于非成像光學(xué)理論的機器視覺系統(tǒng)照明優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、隨著大功率的LED（light-emitting diode）的光效率提高、成本降低、發(fā)熱性能改善，LED作為第四代照明光源，在照明領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。LED半導(dǎo)體技術(shù)投入照明領(lǐng)域，使得非成像光學(xué)理論快速發(fā)展。照明系統(tǒng)是機器視覺系統(tǒng)關(guān)鍵部件之一。機器視覺光源按照照明形式可以分為正面照明光源和背光光源。為了克服機器視覺照明設(shè)計的不足之處，提高照明品質(zhì)，本論文圍繞著提高正面照明光源和背光光源的光學(xué)性能開展了基于非成像光學(xué)的照明設(shè)計優(yōu)化方法研

2、究。
　　固定LED陣列形式是正面照明常用的形式，但該種照明形式限制正面照明光源的照明高度調(diào)節(jié)范圍。為了克服這缺點，提出一種基于 Sparrow準(zhǔn)則的設(shè)計方法，該方法能夠在不同照明高度實現(xiàn)照度分布最大平坦化。運用該方法設(shè)計一款高度可調(diào)光源。通過模擬分析，光源在20mm~200mm照度高度，均勻度在0.7以上，光能利用率達到50％左右。該方法讓正面照明光源具有照明高度可調(diào)特性。
　　固定LED陣列形式也使得正面照明光源的光斑形

3、狀是固定的。為了實現(xiàn)光斑形狀可控，提出一種通過改變 LED模組陣列組合方式實現(xiàn)光斑形狀可控的設(shè)計方法。通過模擬實驗結(jié)果，該種照明方式可以提高不同形狀檢測目標(biāo)輪廓照度均勻度，均達到0.9以上。另外輪廓照度的梯度幅值波動和角度偏差也大有提高，該方法能提高采集到圖像的質(zhì)量。
　　接著對機器視覺另一類光源—背光光源的優(yōu)化設(shè)計進行研究。常規(guī)的背光光源是由LED、準(zhǔn)直透鏡和擴散板組成。為了提高背光光源的光學(xué)效率，提出了一種菲涅爾損耗最小化的非

4、球面準(zhǔn)直透鏡的設(shè)計方法。同時提出一種基于deCasteljau算法高效的曲面構(gòu)造方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)在較少特征點情況下，更準(zhǔn)確控制光線。運用該種設(shè)計方法設(shè)計一款非球面準(zhǔn)直透鏡，基于尺寸為1mm*1mm的LED，準(zhǔn)直后光線束在發(fā)散角±2.87°范圍內(nèi)具有光學(xué)效率90.82%，菲涅爾損耗只有8.76%。光學(xué)效率比傳統(tǒng)的準(zhǔn)直透鏡提高了11.32%。所以，基于該準(zhǔn)直透鏡的背光光源的光學(xué)效率也相應(yīng)地提高。
　　面向光柵尺的光源是一種特殊背光

5、光源，僅由單個平行光源構(gòu)成。光柵尺要求平行光源具有極小的發(fā)散角和高均勻度，由于光學(xué)擴展量的限制，LED與透鏡的組合無法滿足其要求。所以提出基于幾何設(shè)計法的初始設(shè)計方法和基于Monge-Ampe′re方程數(shù)學(xué)設(shè)計法的優(yōu)化方法。運用該方法設(shè)計一款的緊湊型平行光源。該光源由激光和雙自由曲面光學(xué)系統(tǒng)組成。通過模擬實驗，光源光學(xué)效果為均勻度0.94，出射光束發(fā)散角縮小到0.03°。而基于1mm*1mmLED的平行光源，其出射發(fā)散角的理論最小值僅為