一种实现柯勒照明的高功率LED同轴光设计

于丽娜

(中国电子科技集团公司第四十五研究所，北京，101601)

机器视觉系统的核心是图像的采集和处理，所有的信息均来源于图像之中，图像本身的质量对整个视觉系统极为关键。而光源则是影响机器视觉系统图像质量的重要因素。通过适当的光源照明设计，使图像中的目标信息与背景信息得到最佳分离，可以大大降低图像处理中算法分割、识别的难度，同时提高系统的定位、测量精度，使系统的可靠性和综合性能得到提高。

LED作为一种具有竞争力的新型固体光源被广泛用于机器视觉的照明中。它具有效率高、光色纯、能耗低、寿命长、可靠耐用、无污染、控制灵活等优点[1]。随着LED技术不断完善，LED的光通量及光效不断提高。目前，商业化的单粒5W白光LED的光通量已达到200 lm，而实验室高亮度白光LED的水平已达到150 lm/W[2]。以单粒LED为光源的照明系统不断增多[3]。

单颗LED作为光源观察不透明物体时，需要用同轴光反射照明。这种类型的光源广泛用于半导体封装行业中，对检测高反射率的物体特别有帮助。可以消除物体表面不平整引起的阴影，减少周围环境的干扰。

由于这种照明方式以物镜兼作聚光镜，在物镜上方用半透半反镜或小棱镜进行分光[4]。因此，到达观察平面的光能会衰减，另外，物镜兼作聚光镜，使得照明光路设计复杂，照明均匀性难以保证。本文设计了一种可以实现柯勒照明的高功率LED同轴光源。利用光学设计软件ZEMAX给出了设计模型，并用照明分析软件Trace-pro进行光线追迹，对照明面均匀性进行了分析。

1 同轴光反射照明及柯勒照明原理

同轴光反射照明系统由光源、集光镜、分光镜和兼作聚光镜的物镜组成。如图1所示，光源通过集光镜成像，再通过分光镜反射光束到聚光镜，再经聚光镜照亮物面。从物面散射的光再经过物镜及分光镜透射进入成像光路。

图1 同轴光反射照明原理图

柯勒照明可以消除物平面光照度不均匀的缺点。如图2所示，柯勒照明中，集光镜把光源放大成像在聚光镜的前焦平面上，照明系统的孔径光阑位于该焦平面上，聚光镜又把孔径光阑成像在无限远，即与物镜的入射光瞳重合。照明系统的视场光阑紧贴在集光镜后，被聚光镜成像在物平面上。照明系统的孔径光阑(光阑孔径可变)确定了照明系统的孔径角，也决定了分辨率和对比度，而视场光阑决定了被照明的物平面的大小[5]。

图2 柯勒照明原理图

将柯勒照明运用于同轴光照明中，可使照明系统照明均匀并充分利用光能。

2 光学系统主要技术指标

物镜在整个系统中无论是对成像还是照明都是最敏感的镜头，它的空间位置是固定的。且需要根据它来确定系统的其它数据[6]。系统的技术指标：

物镜焦距：30mm；

物镜通光口径：≤φ10mm；

工作距离：50mm；

照明视场：5mm；

镜筒长：≤105mm；

工作波长：615～685 nm；

3 照明系统设计

根据照明系统光孔转接原则和系统拉氏不变量应大于等于物镜拉氏不变量的原则，依次确定光源的位置以及照明系统的外形尺寸，见图3。

图3 同轴光柯勒照明系统光路

3.1 孔径光阑大小的确定

根据系统应满足拉氏不变量n0u0y0=nuy的要求，得到[4]：

根据三角关系可得，U=0.15则，

3.2 视场光阑位置及大小的确定

由以上分析可知，物面和视场光阑是聚光镜的一对共轭面，由高斯公式可得：

3.3 集光镜的口径和焦距的确定

集光镜将光源放大成像于孔径光阑处，因而，灯丝的位置及孔径光阑的位置是共轭关系。由于镜筒长≤105mm，可得：

另外，在点光源的照明中，应选择亮度高，发散角小的LED。由于普通黑白CCD相机对红光较敏感，且用红光照明，图像的对比度更好。因此，该同轴光光源选择红色φ5mm的LED，发散角为：照度为12000～16800 mcd,峰值波长为625 nm。

由拉氏不变量求出集光镜的孔径角，

则集光镜的口径：

4 实例模拟与分析

在该设计中，将分光镜置于孔径光阑的位置，分光镜兼作孔径光阑。另外，由于视场光阑与集光镜距离仅为3.2mm，可由集光镜机械外筒来兼作视场光阑。

将计算所得的各个参数导入光学设计软件ZEMAX，集光镜和聚光镜采用Paraxial面型对以上同轴光源的初始结构进行模拟并优化。具体结构如图4所示。此时，目标平面的照明视场为5.08mm。

图4 LED同轴光初始结构图

将ZEMAX优化所得的同轴光系统导入照明分析软件Trace-pro,根据所用LED的配光曲线模拟LED实际发光模型，并对整个光路出光进行光线追迹。得到目标平面照度分布图及照度分布曲线，如图5及图6所示。

图5 TP模拟的目标平面照度图

图6 TP模拟的目标平面照度曲线

在实际评定照明面的照度均匀度时，常采用标准ANSI/NAPM IT7.228中的9点测试法，即将照明面分成9个大小均等的矩形，照度计探测器置于每一个矩形的中心进行测量，将9个点的照度的平均值作为整个照明面的平均值，然后用最大照度减去平均照度(或用平均照度减去最小照度值)，将该差值与平均照度的比值作为照明面的照度均匀度。对于计算机模拟来说，对照度图的分析相对简单，常采用均匀照明区域中最小照度值与最大照度值的比值来表征均匀照明区域的照度均匀度[8]。

通过计算可知，在均匀照明面90%的区域内，照度均匀度为72.33%。

5 结语

随着大功率LED发射光强的不断提高，采用单粒LED为光源的照明系统已能满足许多场合的照明需求。本文设计了一种可以实现柯勒照明的高功率LED同轴光源。利用光学设计软件ZEMAX给出了设计模型，并用照明分析软件Trace-pro进行光线追迹，对照明面的均匀性进行了分析。

[1]赵华龙,梁志毅,石兴春,等.利用LED的投影系统光源设计[J].光子学报.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]萧泽新.工程光学设计(第2版).[M].北京：电子工业出版社.2008.

[5]郁道银，谈恒英.工程光学[M].北京：机械工业出版社.1999.

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

[7]吴仍茂，屠大维，黄志华.一种实现大功率LED均匀照明的投射器设计[J].应用光学.2009，30（3）：372-376.