[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

技術領域

本發明涉及LED照明光源，特別涉及一種基于多波段LED陣列與漫反射表面的均勻照明光源和設計方法，具體為混合不同波段的發光二極管(LED)發出的光并實現均勻照明的光源。

背景技術

隨著科技的發展，LED憑借著發光效率、緊湊性、安全性和穩定性上的獨特優點，越來越廣泛地應用于像彩色視覺這樣需要均勻照明條件的領域。在彩色視覺系統中，光源的光照均勻程度以及光源顏色會影響圖像的分辨率和檢測目標的對比度。Kopparapu采用模擬退火算法確定光源的位置，得到均勻的照明環境用于視覺檢測。因此設計均勻的照明環境對于提高彩色視覺檢測系統的檢測精度非常重要。

但是LED的出光為Lambertian分布，如果不經過合適的光學設計，很難滿足彩色視覺系統的需要。Moreno等利用各種LED陣列(環形，線形，方形，球形)直射有效地得到了均勻照明。A.J.W.Whang等利用透鏡改變各種陣列中的LED的發光角度，直射形成均勻照明。在彩色視覺系統中，可能需要應用幾個波段獨立照明或者多個波段組合照明的方法來增強檢測目標與背景的對比度。因此在保證光源的光照均勻度的同時，還需要考慮兩個波段或者多個波段的LED混合以后的混光均勻度的問題。而采用直接向下照射的方式時，總會在邊緣或者中間的某些區域出現混光不均的問題。直接向下照射的方式存在的第二個問題是，當LED的面板尺寸大于或遠大于照射平面與LED面板之間的距離時，照射平面的輻照均勻度很高。但是當LED的面板尺寸小于或等于照射平面與LED之間的距離時，照射平面的輻照分布均勻性較差。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于多波段LED陣列與漫反射表面的均勻照明光源，針對混光均勻度以及近距離照射的輻照分布均勻性問題，利用LED環形陣列與高漫反射表面提出了間接照明的方式，建立了數學模型，對光照均勻性進行了仿真。本發明是能夠混合不同波段的發光二極管(LED)發出的光并實現均勻照明的光源。

本發明提供的基于多波段LED陣列與漫反射表面的均勻照明光源包括：

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。

圓孔，用于CCD的圖像采集。

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。

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。半球形內表面有高漫反射率的涂層，該高漫反射層是均勻噴涂了一層高漫反射率材料，由硫酸鋇、乳白膠和水按照比例：1∶0.04∶2，多次噴涂而成。

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。

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。光路示意圖如圖4所示。

本發明提供的基于多波段LED陣列與漫反射表面的均勻照明光源的設計方法包括的步驟：下面構建整個系統的數學模型，首先需要建立單個LED照度模型。

1)建立單個LED照度模型。

單個LED的發光尺寸一般都小于1mm，相對其照明距離來講可以忽略，可近似為一個點光源。理想LED點光源的輻射分布是一個余弦函數，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。如果發光源為近似朗伯體，那么m≈1。實際上，一般的LED的m值都大于1，并由其半衰角θ_1/2確定。半衰角θ_1/2由LED生產廠家提供，定義為當輻射強度為θ＝0°方向上輻射強度的一半時，光線與光軸的夾角。當θ＝θ_1/2，E(r，θ)＝1/2E₀(r)，代入(1)式，m值可由下式得出：