[發明專利]基于多波段LED陣列與漫反射表面的均勻照明光源和設計方法

有效

• 申請號: 201010560439.1
• 申請日: 2010-11-25
• 公開（公告）號: CN102080776A
• 公開（公告）日: 2011-06-01
• 發明（設計）人: 曲興華;祝振敏;賈果欣
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: F21S2/00
• 分類號: F21S2/00;F21V19/00;F21V7/00;F21V7/22
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 王小靜

1.一種基于多波段LED陣列與漫反射表面的均勻照明光源，其特征在于它包括：

環形底面，用于放置LED陣列；

三環形LED循環分布的LED陣列，用于發出混合不同波段的光；

半球形內表面，用于漫反射LED發出的光；

頂端圓孔，用于CCD的圖像采集。

2.按照權利要求1所述的均勻照明光源，其特征在于所述的三環形LED循環分布的LED陣列放置在環形底面，半球形內表面的頂端有一圓孔，LED的光先從環形底面直接照射到高漫反射率的半球形內表面上，然后均勻地反射到目標平面上。

3.按照權利要求1所述的均勻照明光源，其特征在于所述的半球形內表面的外表面設計成底下部分為圓柱狀，中間部分為圓錐狀，頂部分設計成平面，主要用于光源的固定；頂部分上有均勻對稱分布的四個螺紋孔，用于光源的固定；底下部分有均勻對稱分布的四個螺紋孔，用于與環形底面固定；

4.按照權利要求1所述的均勻照明光源，其特征在于所述的半球形內表面有高漫反射率的涂層；該高漫反射率材料涂層由硫酸鋇、乳白膠和水按照比例：0.04∶1∶2多次噴涂而成；

5.按照權利要求1所述的均勻照明光源，其特征在于所述的環形底面的側面有對稱分布的四個螺紋孔，用于與外表面底下部分的固定。與底下部分的四個螺紋孔相匹配。環形底面上具有均勻對稱分布的四個螺紋孔，用于與LED陣列的電路板進行固定；

6.一種權利要求1所述的基于多波段LED陣列與漫反射表面的均勻照明光源的設計方法，其特征在于包括如下步驟：LED的光先從環形底面直接照射到漫反射的半球形內表面上，然后反射到目標平面上：

1)建立單個LED照度模型

LED點光源的輻射分布余弦函數可用下式表達：

E(r，θ)＝E0(r)cos^mθ????(1)

式中E(r，θ)為輻射照度，r為LED與該平面之間的距離，θ為光線與光軸的夾角，m為與LED半衰角有關的數值；

m=-ln2ln(cosθ1/2)---(2)]]>

當LED照射到與其光軸方向垂直的平面上時，(1)式可以轉化為：

E(r,θ)=ILEDcosmθd2---(3)]]>

式中d為LED與該平面之間的距離，I_LED為LED法線上的光強，將(3)式轉換為笛卡爾坐標(x，y，z)，可表示為：

E(x,y,z)=zmILED[(x-xo)2+(y-yo)2+z2](m+2)/2---(4)]]>

式中E(W/m²)為該平面上的輻射照度，(x₀，y₀)為LED的位置坐標；

2)LED的光先從環形底面直接照射到高漫反射率的半球形內表面上，由LED的照度模型，得出LED光照射到半球形內表面上的輻照分布；

半球形內表面上的輻照分布可表示為：

E(x,y,z)=zmΣi=13Σj=13Σn=1NIj[(x-ricos(2πnN))2+(y-risin(2πnN))2+z2]-(m+2)/2---(5)]]>

式中N為單個波段的LED數目，r_i為三環型LED陣列的半徑；半球形內表面任意一點A(x，y，z)的坐標，可用笛卡爾坐標表示：

Φ為半球形內表面圓孔的直徑，用于彩色視覺系統中的CCD相機的圖像采集，由孔的直徑Φ可以θ的取值范圍；

半球形內表面的輻照分布計算方法如下：半球形表面的中心軸(z軸)垂直于LED環形陣列平面，確定θ值后就可以得到對應的z值，就可得出半球形表面上該z值所對應圓上每點的輻照分布，隨著θ值的不斷變化，就得到了整個半球形內表面的輻照分布：

3)高漫反射率的半球形內表面將光均勻地反射到目標平面，并根據雙向分布函數，得出目標平面上的輻照均勻分布。

對于朗伯表面有：

I_θ＝I_ocosθ????(7)

式中I_o為沿法線方向上的輻射強度，θ為與法線的夾角，檢測平面上的輻照分布可以由下式給出；

E′=E·BRDF·dS·cosθd′2---(8)]]>

其中E為半球形內表面的照度分布，已由(5)式求出，d’為半球形內表面與照射平面之間的距離，S為半球形內表面面積；BRDF定義為雙向分布函數，為了更好的描述漫反射光在空間各個方向上的均勻性，可由下式給出：

BRDF＝ρ/π????(9)

式中ρ為半球反射比，為了簡化計算，將dS簡化后得到：

E′=Σi=1mΣj=1n1mnE(i,j)·BRDF·cosθd′2---(10)]]>

式中m，n為在半球形內表面取的采樣點數目，(10)式轉化為笛卡爾坐標后得到

式中x’，y’，z’為檢測平面的坐標，z’為檢測平面與LED之間的距離，ρ_k為在不同波段所測得的漫反射表面的反射率，R為半球形內表面的半徑，E(i，j)為LED光直接照射到內表面的照度。

7.按照權利要求1所述的方法，其特征在于所述的三環型LED陣列的波段分別為620nm，520nm和465nm。