一種用于視覺(jué)檢測(cè)的led準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及LED照明領(lǐng)域，具體涉及一種用于視覺(jué)檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透 鏡。
【背景技術(shù)】
[0002] 在視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中，照明光源是其重要組成部分。照明效果的好壞直接影響被測(cè) 物的成像質(zhì)量，從而影響后續(xù)的圖像處理效果，導(dǎo)致最后的測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。在精密檢測(cè)系 統(tǒng)中，光源的照明效果更是有著舉足輕重的作用。光源的光強(qiáng)、穩(wěn)定性及照明均勻性等都會(huì) 對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的精度產(chǎn)生很大的影響，直接決定了整個(gè)檢測(cè)的成敗。
[0003] 常用于視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)的照明光源有白熾燈、日光燈、水銀燈、鈉光燈、LED發(fā)光二極 管、半導(dǎo)體激光器等。照明光源的選擇必須符合所需要的幾何形狀，照明亮度，均勻度，發(fā)光 的光譜特性也必須符合實(shí)際的要求，同時(shí)還要考慮光源的發(fā)光效率和使用壽命。傳統(tǒng)光源 體積及能耗均較大，并且不具有優(yōu)良的單色性和穩(wěn)定性。半導(dǎo)體激光器雖然具有很好的單 色性和準(zhǔn)直性，但是照明均勻性難以控制。在眾多的光源當(dāng)中，LED光源憑借其諸多的優(yōu)點(diǎn)， 如壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、抗震能力強(qiáng)等等，在現(xiàn)代視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)中得到越來(lái)越多的應(yīng)用。但是，由 于LED朗伯型發(fā)光特性，直接應(yīng)用于照明系統(tǒng)，通常不能獲得良好的效果，需針對(duì)LED及視 覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)特性來(lái)進(jìn)行光學(xué)設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)視覺(jué)檢測(cè)照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)及朗伯型LED光學(xué)設(shè)計(jì)中面臨的主要問(wèn)題，本發(fā)明提 供了一種用于視覺(jué)檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，該透鏡光學(xué)效率高，體積小，制造方便， 易于安裝，并能產(chǎn)生高準(zhǔn)直度的照明光斑。本發(fā)明采用旋轉(zhuǎn)軸對(duì)稱(chēng)的LED自由曲面透鏡設(shè) 計(jì)法，有效減小了透鏡建模時(shí)產(chǎn)生的誤差，有利于提高透鏡的加工精度和光學(xué)效率。
[0005] 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種用于視覺(jué)檢測(cè)的LED準(zhǔn)直照明光學(xué)透鏡，該透鏡由透明材料制成，透明材料 為PMMA或PC或光學(xué)玻璃，透鏡包括三個(gè)自由曲面，分別構(gòu)成入射面及出射面。所述透鏡的 底面中心有一個(gè)供LED安裝于其內(nèi)的空腔，空腔的一部分腔壁是柱面，構(gòu)成所述的內(nèi)側(cè)柱 面，另一部分是自由曲面，構(gòu)成所述的內(nèi)側(cè)自由曲面，內(nèi)側(cè)自由曲面位于內(nèi)側(cè)柱面的頂部， 兩者構(gòu)成所述的入射面；透鏡的外側(cè)面是自由曲面，構(gòu)成所述的外側(cè)自由曲面，透鏡的頂面 中部是自由曲面，構(gòu)成所述的頂部自由曲面，頂部自由曲面的外側(cè)是臺(tái)階型平面，構(gòu)成所述 的頂部平面，透鏡的頂部自由曲面和頂部平面構(gòu)成所述的出射面。
[0007] 自由曲面透鏡的形狀由如下方法確定：
[0008] 以L(fǎng)ED光源為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，以L(fǎng)ED底面所在平面為XOY平面，過(guò)原點(diǎn)并與平面 XOY垂直的軸為Z軸。首先對(duì)LED光源立體角進(jìn)行劃分，接著對(duì)光線(xiàn)通過(guò)透鏡后的出射角進(jìn) 行均勻劃分，建立光源立體角和光線(xiàn)通過(guò)透鏡后的出射角的映射關(guān)系，然后運(yùn)用折反射定 律，通過(guò)幾何關(guān)系得到最后的自由曲面透鏡。
[0009] 所述的構(gòu)成透鏡的自由曲面有三個(gè)，其計(jì)算步驟如下：
[0010] 2.設(shè)定初始條件并將LED光源立體角劃分。
[0011] 首先，坐標(biāo)系中0為入射光線(xiàn)與Z軸正方向的夾角。a為出射光線(xiàn)與z軸正方向 的夾角。內(nèi)側(cè)柱面的底部半徑為r。透鏡材料的折射率為n。
[0012] 對(duì)于透鏡空腔的內(nèi)側(cè)自由曲面，其主要作用是控制光線(xiàn)的出射角度。這里設(shè)置其 控制的角度取值范圍為[0, 0_]，且〇< 0mid，0mid表示從光源發(fā)出的光線(xiàn)，入射 到內(nèi)側(cè)自由曲面的最大入射角，表示從光線(xiàn)穿過(guò)內(nèi)側(cè)自由曲面后的最大出射角。將區(qū) 間[0, 0 _]均勻劃分為N份，記為0⑴，1彡i彡N。對(duì)于入射角度0，對(duì)其進(jìn)行離散化， 將區(qū)間[0,0mid]等分成n份，記為0a)，這樣就得到了與出射角度ea)數(shù)組一一對(duì)應(yīng)的 0a)的數(shù)組。n取值的大小決定了計(jì)算的精確度，其取值越大，最后的結(jié)果越精確。
[0013]對(duì)于透鏡空腔的內(nèi)側(cè)柱面，這里其控制的角度取值范圍為0mid< 0⑴彡0_。 通常9 _=90°，表示從LED發(fā)出光線(xiàn)的最大出射半角。同理，將區(qū)間（0mid，0_]等分 為N份，記為0 (i)，這樣就將光源立體角0等分為2N份。
[0014] 2.建立光源立體角與光線(xiàn)通過(guò)透鏡后的出射角的映射關(guān)系。
[0015] 對(duì)光線(xiàn)通過(guò)透鏡后的出射角進(jìn)行離散化。對(duì)應(yīng)于光源立體角0的劃分，將a也 等分成2N份，記為a(i)，且0彡a(i)彡a_，a_表示光線(xiàn)通過(guò)整個(gè)透鏡后的最大出 射角。由于所述透鏡是用于準(zhǔn)直照明，故在這種照明系統(tǒng)中a_=〇,a(i) =〇(即是將 a(i)設(shè)為一個(gè)全零數(shù)組）。這樣就在光線(xiàn)通過(guò)整個(gè)透鏡后的出射角a(i)與光源立體角 9 (i)數(shù)組之間建立起--對(duì)應(yīng)關(guān)系。
[0016] 3.求解自由曲面透鏡的離散坐標(biāo)。
[0017] 假設(shè)從LED出的光線(xiàn)與Z軸的夾角為0 (i)，并與內(nèi)側(cè)自由曲面相交于 (i),Zi(i))點(diǎn)，經(jīng)過(guò)內(nèi)偵!|自由曲面折射后與頂部自由曲面相交于Bjxji)，z2(i))點(diǎn)； 光線(xiàn)與內(nèi)側(cè)柱面相交于(；(1'，1'^cot0 (i+1))點(diǎn)，光線(xiàn)穿過(guò)內(nèi)側(cè)柱面后與透鏡外側(cè)自由曲面 相交于Djxjihzji))點(diǎn)，處的單位法向量iV；〇,6)，處的單位法向量iV2(c,3)， 處的單位法向量/V.;(e，/)。
[0018] 在進(jìn)行自由曲面構(gòu)建時(shí)，由折反射定律求出自由曲面上點(diǎn)的法向量，利用這個(gè)法 向量求得切平面，通過(guò)求切平面與入射光線(xiàn)的交點(diǎn)得到曲線(xiàn)上點(diǎn)的坐標(biāo)。折反射定律公式 如下：
[0019]
[0020] 其中n為透鏡折射率，其取值視透鏡材料而定，瓦為入射光線(xiàn)單位向量，^為出 射光線(xiàn)單位向量，及為單位法向量。
[0021] 對(duì)于內(nèi)側(cè)自由曲面，由光源立體角0⑴可以得到入射向量，由0⑴可以求得出 射向量，結(jié)合折反射定律可解得內(nèi)側(cè)自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：
[0022]
[0023]
[0024] 以此類(lèi)推，可以得到內(nèi)側(cè)自由曲面的輪廓曲線(xiàn)上所有點(diǎn)的坐標(biāo)值，由此可得內(nèi)側(cè) 柱面的底部半徑為r=Xi(200)。
[0025] 對(duì)于頂部自由曲面，由Mi)可以得到入射向量，由a⑴可以求得出射向量，把 上式與折反射定律聯(lián)立，可以解得頂部自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：
[0026]
[0027]
[0028] 對(duì)于外側(cè)自由曲面，由于光線(xiàn)與內(nèi)側(cè)柱面相交于Q (r, r ? cot 0 (i+1))點(diǎn)，通過(guò)內(nèi) 側(cè)柱面后光線(xiàn)的出射角為0，則
[0029]
[0030] 當(dāng)光線(xiàn)入射到外側(cè)自由曲面時(shí)，在該面上發(fā)生全反射，此時(shí)折反射定律可以表示 為：
[0031]
[0032] 經(jīng)過(guò)外側(cè)自由曲面的反射后，光線(xiàn)傳播到透鏡頂部平面并直接出射，故a (i)即 為經(jīng)過(guò)外側(cè)自由曲面的反射后的出射角。
[0033] 由和a (i)與折反射定律聯(lián)立，可以解得外側(cè)自由曲面上下一點(diǎn)的坐標(biāo)值：
[0034]
[0035]
[0036] a, b, c, d, e, f的值可以由折反射定律得出。
[0037] 具體方法如下：
[0038] (1)分別確定內(nèi)偵彳、頂部、外側(cè)自由曲面的起始點(diǎn)。
[0039] (2)對(duì)于內(nèi)側(cè)自由曲面，由0和0可以得到入射向量和出射向量，通過(guò)折反射定 律，確定起始點(diǎn)的切平面，第二條入射光線(xiàn)與該切平面相交從而確定第二點(diǎn)。
[0040] (3)對(duì)于頂部自由曲面，將內(nèi)側(cè)自由曲面的第二條光線(xiàn)的出射向量作為頂部自由 曲面的第二條光線(xiàn)的入射向量，即由0得到入射向量，再由a得到出射向量，然后利用折 反射定律得到起始點(diǎn)的切平面，由起始點(diǎn)的切平面與第二條光線(xiàn)的入射向量所在的直線(xiàn)相 交可得出第二點(diǎn)。
[0041] (4)對(duì)于外側(cè)自由曲面，由W和a可以分別得到光線(xiàn)經(jīng)過(guò)外側(cè)自由曲面時(shí)的入射 向量和出射向量。利用折反射定律求出起始點(diǎn)的切平面，將切平面與經(jīng)過(guò)內(nèi)側(cè)柱面折射后 的第二條光線(xiàn)的入射向量所在的直線(xiàn)相交可得出第二點(diǎn)。
[0042] (5)同理，由前一點(diǎn)的切平面與下一條光線(xiàn)的入射向量所在的直線(xiàn)相交可得出下 一點(diǎn)坐標(biāo)，通過(guò)機(jī)迭代可分別得出內(nèi)側(cè)，頂部、外側(cè)自由曲面上全部點(diǎn)的坐標(biāo)，由此確定了 透鏡輪廓曲線(xiàn)，然后將透鏡輪廓曲線(xiàn)繞中心軸旋轉(zhuǎn)構(gòu)成整個(gè)自由曲面。